葉佳寶，王 磊，宋藝天，劉公致，崔佳東

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

目前，用電器已成為人們生活中不可或缺的一部分。但是，人們有時會忘記關(guān)閉用電器，而用電器待機(jī)時會產(chǎn)生大量電磁輻射，造成人體免疫力下降、新陳代謝紊亂、記憶力減退、心率失常等癥狀，特別是對嬰幼兒的造成嚴(yán)重傷害。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的發(fā)展，研發(fā)能夠解決上述問題的智能插座具有重要意義。因此，設(shè)計了一種全新理念的安全插座，主要功能是檢測正在工作的用電器類型，實時掌握正在工作的所有用電器種類，用以提醒用戶是否已經(jīng)關(guān)閉不必要的用電器，主要用于家用及辦公用電器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，包括電壓電流采樣、放大電路、電壓電流比較電路、單片機(jī)處理及顯示電路[1]。通過電壓電流采樣電路采集插座上的電壓電流數(shù)據(jù)并進(jìn)行放大，然后送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行分析計算，最后將用電器使用情況顯示在OLED顯示屏上，然后通過按鍵操控整個系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 MCU電路

采用的單片機(jī)型號為STM32F103C8T6，主要用于控制按鍵輸入，采用FFT算法計算分析采樣輸入的電壓電流，執(zhí)行判斷處理，最后顯示處理結(jié)果等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.2 電壓電流互感器設(shè)計

該模塊的電路如圖2所示。TA17-04是一款電流互感器，可以將輸入0～20 A電流降到0～10 mA，R5為取樣電阻[2]。TV1013-1H是一款精密電流型電壓互感器，輸入輸出電流相等，輸入220 V，輸入電流I=220/30=7.3 mA，輸出電壓V=8.8 V，電容C6為濾波電容。

圖2 電壓電流互感器電路

2.3 電壓電流采樣放大電路設(shè)計

如圖3所示，將互感器輸出電壓電流送入運(yùn)算放大器OPA2227，經(jīng)過放大后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。OPA2227是一款高精度、低噪聲的運(yùn)算放大器，R1、R2為反饋電阻，C4、C5為濾波電容[3]。

圖3 電壓電流采樣放大電路

2.4 電壓電流比較電路設(shè)計

電壓電流比較器電路由精密電壓比較器LM311P構(gòu)成。當(dāng)插座上有用電器插入或拔出時，電壓電流互感器輸出端輸出的電壓電流與基準(zhǔn)源VREF進(jìn)行比較。當(dāng)有用電器插入時，互感器輸出電壓將高于基準(zhǔn)源，比較器將輸出的高電平脈沖送入單片機(jī)處理，以提醒單片機(jī)有用電器狀態(tài)的改變。

2.5 輔助電源電路設(shè)計

本系統(tǒng)的輔助電源電路利用LM7805實現(xiàn)相關(guān)功能。LM7905集成穩(wěn)壓芯片將外部電壓降為5 V，-5 V供運(yùn)放OPA2227使用。LM7805輸出紋波很小，適合高精度運(yùn)放使用[4]。利用AMS1117兩個系列分別將5 V電壓降為3.3 V和1.2 V，給電壓比較器和單片機(jī)供電。AMS1117是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，效率高[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計思路

我國220 V交流電為工頻50 Hz[6]，因此每個用電器的電壓都為220 V正弦波，不能用于區(qū)分用電器類別。而電器電流則是一個不規(guī)則波，可用于區(qū)別用電器種類[7]。本產(chǎn)品通過AD轉(zhuǎn)換，將硬件放大器送入的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，采80個點進(jìn)行存儲和FFT（快速離散傅里葉變換）運(yùn)算，之后的波形是無數(shù)多個不同頻率正弦波的疊加，而離散傅里葉變換之后的值是不同頻率正弦波所對應(yīng)的不同的值。選取頻率為50 Hz的正弦波對應(yīng)的FFT之后的數(shù)值作為判斷依據(jù)進(jìn)行存儲，該數(shù)值由實部（Re）和虛部（Im）組成。在剛開始的學(xué)習(xí)過程中，先給排插上的每個插座編號，然后將用電器單獨分開學(xué)習(xí)，分別記錄每個用電器5個不同周期內(nèi)的Re和Im值，并取平均值存儲到兩個不同的數(shù)組中。在當(dāng)前用電器學(xué)習(xí)完成后，把之前記錄過的每個用電器的Re值和Im值進(jìn)行組合，并把所有可能的組成情況打表放到一個數(shù)組里。檢測時，把當(dāng)前的Re值和表中的數(shù)據(jù)做差值，找出絕對值最小的一個。Im值同樣如此。當(dāng)兩個差值匹配到表中同一種組成情況時，則可作出判定。針對有些電器功率緩慢上升的情況，在學(xué)習(xí)和檢測時加入穩(wěn)定性判斷，有一個等待過程。只有當(dāng)用電器的Re值和Im值在5個周期內(nèi)相差小于0.1時，才會判斷為穩(wěn)定且進(jìn)行記錄。采用這種算法及判斷方法計算量大，單片機(jī)判定加上延時等待時間長，但利用了用電器的電參量特性，可以精準(zhǔn)識別多個用電器的組合，準(zhǔn)確度高。

主要用到的傅里葉變換公式為[8-10]：

式中：x(n)為采樣得到的電流值；X(k)為最后得到的結(jié)果，包含Re值和Im值。

3.2 程序流程設(shè)計

如圖4所示，先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入顯示界面。單片機(jī)檢測是否有按鍵按下，然后分析按鍵內(nèi)容。矩陣鍵盤的上面兩排是8個用電器標(biāo)號，當(dāng)按下某個按鍵時，會自動學(xué)習(xí)當(dāng)前用電器的特性儲存到單片機(jī)。最下面一排按鍵是顯示界面，從左到右分別是當(dāng)前插座上電流電壓功率數(shù)據(jù)、當(dāng)前插座上電流曲線圖、當(dāng)前插座上電壓曲線圖以及8個用電器的接通狀況判斷。

圖4 主程序流程圖

4 實物制作與測試

4.1 實物制作

如圖5所示，整體包括集成的單片機(jī)、電流電壓互感器電路、電流電壓采樣放大電路、輔助電源模塊和OLED顯示模塊。

圖5 實物圖

4.2 實測及誤差分析

實測中測試了LED節(jié)能燈、電風(fēng)扇、數(shù)字萬用表以及函數(shù)信號發(fā)生器4種用電器，系統(tǒng)基本能夠識別用電器的使用情況，且用電器可以任意插拔組合，個別時候識別時間較長，需等待，實測數(shù)據(jù)如表1所示。此外，如電烙鐵這樣的用電器暫時還無法很好地識別，會有出錯的情況發(fā)生。因為電烙鐵的工作狀態(tài)時開時斷，當(dāng)加熱到一定程度會停止工作，從而影響了單片機(jī)的判斷。因此，本系統(tǒng)適合測量工作狀態(tài)穩(wěn)定的用電器。在判斷時間上，因為系統(tǒng)需要計算的數(shù)據(jù)非常大，要進(jìn)行FFT運(yùn)算，還要進(jìn)行疊加比較，導(dǎo)致判斷時間長。因此，系統(tǒng)在時間上還可以進(jìn)一步優(yōu)化，減少判斷等待的時間。

表1 4種用電器的實測數(shù)據(jù)

將采樣的電流信號顯示在顯示屏上，因數(shù)字萬用表電流較小，電流波形與不接用電器時幾乎無變化。此外，它與函數(shù)信號發(fā)生器同屬阻性負(fù)載，因此實測波形只采用3種用電器，具體波形如圖6～圖13所示，可以看出各波形有比較明顯的差別。

圖6 電風(fēng)扇（感性負(fù)載）單獨電流波形

圖7 LED燈（容性）單獨電流波形

圖8 函數(shù)信號發(fā)生器（阻性）單獨電流波形

圖9 電風(fēng)扇與LED疊加電流波形

圖10 電風(fēng)扇與函數(shù)信號發(fā)生器疊加電流波形

圖11 LED與函數(shù)信號發(fā)生器疊加電流波形

圖12 3種用電器疊加電流波形

圖13 220V電壓波形

5 結(jié) 論

系統(tǒng)很好地完成了智能插座的功能，通過學(xué)習(xí)可以實時檢測多個用電器的使用情況，并顯示在OLED屏幕上，且用電器可以任意組合。實際使用時，用電器需先后間隔插入。如果兩個用電器同時插入會被當(dāng)成同一個用電器而出現(xiàn)誤判斷。