張萃珍

（江西機電職業(yè)技術(shù)學院，江西南昌，330013）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的進步和人均收入的提高，人們的生活質(zhì)量的要求也逐漸提高，與之相伴的是每個家庭的用電量也逐年遞增。隨著家庭用電的普及率上升，導致供電需求越來越多，負荷急劇上升，因此合理的利用控制能源才能減少能源損耗，減少污染，保護環(huán)境，人人有責。在現(xiàn)代能源節(jié)約型社會，降低能源消耗是非常重要的。并且家庭電費持續(xù)增長，這關(guān)系到人們的切身利益。我們可以通過對各種用電設(shè)備工作狀態(tài)的控制，來實現(xiàn)對家庭用電的管理，從而減少資源的浪費并能提高各種設(shè)備的使用壽命。

原始的家庭用電管理，只能看到一天或一個月使用了多少電，而不清楚用電的具體情況；每個家庭用戶都是通過與電網(wǎng)公司月結(jié)時才能知道本月總共使用了多少電花費多少錢，而這些費用是怎么構(gòu)成的卻沒有清楚的認識，大多數(shù)居民只能大概的根據(jù)平時的用電的經(jīng)驗來判斷來管理家庭用電，沒有合理的用電方案，缺乏科學性。其次，隨著各種家庭用電設(shè)備的出現(xiàn)，用戶根本無法判斷每個設(shè)備的集體消費情況從而無法建立一個家庭用電的管理方案。另外，現(xiàn)在的用電設(shè)備只能近距離操作而不能遠程控制，也給用戶用電管理帶來了困擾。因此加強各用戶家庭的用電智能管理是未來的發(fā)展趨勢，家庭智能用電管理分析儀是未來新的發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計分析

■1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本文設(shè)計的智能家庭用電分析控制儀，以STM32作為主控MCU，實現(xiàn)對電壓電流數(shù)據(jù)的采集并且，實時顯示用電數(shù)據(jù)包括電流、電壓、功率等，并存儲在SD中。通過wifi模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，接收安卓APP的指令，根據(jù)指令控制繼電器實現(xiàn)對用電設(shè)備的用電控制，通過安卓APP設(shè)置做插座定時控制，并且斷電保存。同時帶有TFT液晶顯示屏，實現(xiàn)對智能家庭用電分析控制儀的狀態(tài)信息的實時顯示。

■1.2 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能家庭用電分析控制儀設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)主要由STM32F103RCT6主控芯片、電流采集電路、電壓采集電路、WIFI模塊接口電路、繼電器控制電路、SD卡接口電路、TFT液晶接口電路以及電源電路組成。智能家庭用電分析控制儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

各模塊電路及作用如下：

(1)STM32主控模塊：包括STM32F103RCT6，晶振電路，復位電路，SWD程序下載接口等。STM32主控模塊是控制系統(tǒng)的核心部分，工作電壓基本保持在2.0~3.6伏的范圍內(nèi)，芯片內(nèi)部集成電壓調(diào)節(jié)器，將外部供電電壓轉(zhuǎn)換為1.8V低壓供給芯片電壓使用。STM32的作用是控制系統(tǒng)的其它部分電路實現(xiàn)對應的功能。

(2)存儲芯片電路：SD卡接口電路，作用是實現(xiàn)對用電數(shù)據(jù)包括電流、電壓、功率數(shù)據(jù)的存儲。SD卡有兩種操作模式，一種是SD模式，一種是SPI模式。在本設(shè)計中采用了SPI模式，連接在STM32的SPI1口上，SD卡的供電電壓為3.3V，直接與STM32接在同一個電源下即可。

(3)電壓電流采集電路：利用電流采集電路和電壓采集電路實現(xiàn)對電器用電電壓和電流的采集。其中電壓和電流數(shù)據(jù)都是交流電壓和交流電流，交流電壓數(shù)據(jù)的采集采用了先整流再分壓然后濾波的方式進行交流電壓的采集檢測。電流采集部分采用了ACS712電流采集芯片來實現(xiàn)電流的采集，ACS712是利用霍爾感應原理設(shè)計的一款交流電流信號采集芯片，當電流流過ACS712的信號采集端時會產(chǎn)生一個磁場，其內(nèi)部通過放大濾波以及校正斬波實現(xiàn)對電流信號的采集。

(4)WIFI模塊接口電路：利用WIFI模塊實現(xiàn)智能家庭用電分析控制儀和安卓APP的數(shù)據(jù)交互傳輸，實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)顯示的功能。本設(shè)計中利用ESP8266-12F WIFI 模塊實現(xiàn)WIFI數(shù)據(jù)交互傳輸控制的功能實現(xiàn)，ESP8266-12F WIFI 模塊是安信可公司生產(chǎn)的高性能的串口 WIFI 模塊，其使用串口通信的方式顯示W(wǎng)IFI數(shù)據(jù)的傳輸，而配置方式則采用常用的AT指令實現(xiàn)，工作電壓為3.3V，通過串口通信完成數(shù)據(jù)交互。

(5)TFT液晶接口電路：實現(xiàn)對智能家庭用電分析控制儀的狀態(tài)信息的實時顯示。采用了2.4寸的TFT液晶屏，利用ILI9341 控制器進行液晶驅(qū)動顯示，只需要利用單片機對其進行驅(qū)動控制即可。

(6)繼電器控制電路：開關(guān)控制器采用了繼電器對外部電器設(shè)備進行驅(qū)動控制，繼電器使用三極管進行驅(qū)動就可以很好的完成通電以及斷電的功能完成，通過通斷電完成對外部電器設(shè)備的驅(qū)動控制，一次達到控制電器設(shè)備開關(guān)的功能。

系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

■1.3 軟件程序設(shè)計

本設(shè)計使用STM32F103RCT6單片機為主控芯片，利用ILI9341 對TFTLCD液晶屏進行驅(qū)動控制顯示，利用STM32內(nèi)置的ADC采集電壓電流信號并通過液晶進行實時顯示，并且將電壓、電流和功率數(shù)據(jù)實時存儲在SD內(nèi)部，并通過WIFI上傳至安卓APP中進行顯示，實時等待WIFI傳輸?shù)目刂浦噶钔瓿砂刂朴秒娫O(shè)備，定時控制用電設(shè)備等指令操作，具體程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2 測試結(jié)果與分析

將本文設(shè)計的智能家庭用電分析控制儀上電,液晶顯示屏顯示當前所采集用電器的實時電壓值、電流值、功率值、SD卡容量和可用容量。當沒有連接用電器時，也就沒有電壓電流功率值。當輸入指令DIANLIK時，繼電器打開，并開始采集用電器數(shù)據(jù)，本設(shè)計有專門的電壓采集電路和電流采集電路部分，所采集的數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，并每隔一分鐘通過WiFi部分實時發(fā)送到手機控制端，手機APP處可顯示數(shù)據(jù)。輸入指令DIANLIG時，繼電器關(guān)閉。發(fā)送指令MODE0，設(shè)定時間TIMESET012600，接著發(fā)送指令比如MODE1O0127X0128，繼電器會在01時27分打開，28分關(guān)閉，進而達到控制用電器開關(guān)的目的，演示效果如圖4所示。

圖4 雨滴傳感器原理圖

圖4 定時開關(guān)電路演示圖

手機APP控制端實時顯示用電器當前用電數(shù)據(jù)，電壓值、電流值、功率值。我們通過APP就可以知道當前用電器的用電情況，可以了解到用電器的耗電情況，進而我們可以對用電器定時開啟和關(guān)閉，可以有效地避免電力的浪費。APP控制端顯示如圖5所示。

圖5 光敏傳感器原理

圖5 APP控制端數(shù)據(jù)顯示圖

3 總結(jié)

本文設(shè)計的智能家庭用電分析控制儀主要針對家用電器所產(chǎn)生的用電數(shù)據(jù)以及開關(guān)進行實時的檢測以及控制。減少了資源的浪費并能提高各種設(shè)備的使用壽命。設(shè)計整體結(jié)構(gòu)小巧，成本較低，所選用元器件價格相對較便宜，操作方便靈活，具有一定的可推廣性。