亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于STM32的用電器分析識(shí)別裝置

        2022-07-07 12:42:20榮海林姜萬里孫廣博左佳旖
        電子技術(shù)與軟件工程 2022年5期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)信號(hào)

        榮海林 姜萬里 孫廣博 左佳旖

        (山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250061)

        1 設(shè)計(jì)要求

        設(shè)計(jì)并制作一個(gè)根據(jù)電源線電流的電參量信息分析在用電器類別的裝置(2021年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽H題)。該裝置具有學(xué)習(xí)和分析識(shí)別兩種工作模式。在學(xué)習(xí)模式下,測試并存儲(chǔ)用于識(shí)別各單件電器的特征參量;在分析識(shí)別模式下,實(shí)時(shí)指示在用電器的類別。如圖1所示。

        圖1:分析識(shí)別裝置框圖

        要求:

        (1)電器電流范圍5mA~10.0A,可包括但不限于以下電器:LED燈泡和220V燈帶、節(jié)能燈管、USB充電器(帶負(fù)載)、無線路由器、機(jī)頂盒、電風(fēng)扇、熱水壺、電磁爐。

        (2)自定可識(shí)別的電器種類,總數(shù)不低于7,用序號(hào)表示。電流不大于50mA的電器數(shù)不低于5,包括一件自制電器,編號(hào)為1~5;編號(hào)為7的電器電流大于8A。

        (3)隨機(jī)增減在用電器,實(shí)時(shí)顯示可識(shí)別電器是否在用和電源線上電流的特征參量,響應(yīng)時(shí)間不大于2s。特征參量的種類、性質(zhì)自定。

        (4)用電阻,電容和二極管自制1號(hào)電器,其電流與2號(hào)電器相同但相位不同,且含有諧波,兩者電流差小于1mA。

        (5)具有學(xué)習(xí)功能。清除作品存儲(chǔ)的所有特征參量,重新測試并存儲(chǔ)指定電器的特征參量。一種電器的學(xué)習(xí)時(shí)間不大于1分鐘。

        (6)隨機(jī)增減在用電器,實(shí)時(shí)顯示可識(shí)別電器是否在用和電源線上電流的特征參量,響應(yīng)時(shí)間不大于2s。

        (7)提高識(shí)別電流相同,其他特性不同的電器的能力和大、小電流電器共用時(shí)識(shí)別小電流電器的能力。

        (8)裝置在分析識(shí)別模式下的工作電流不大于15mA,可以選用無線傳輸?shù)绞謾C(jī)上顯示的方式。

        2 系統(tǒng)方案

        2.1 總體方案設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由供電模塊提供±5V電源,對用電器分析識(shí)別裝置進(jìn)行供電,電流互感器測得當(dāng)前插排上用電器輸出電流信號(hào),經(jīng)分級(jí)放大電路后,一部分信號(hào)通過AD637芯片測出當(dāng)前電流有效值,以完成實(shí)時(shí)電流監(jiān)控;一部分與單片機(jī)發(fā)出的50Hz基準(zhǔn)波比較測出電流參考相位;一部分信號(hào)利用恩智浦LPC54606單片機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)求出電流基波幅值。已知各用電器電流相位θ、電流基波幅值I(n=1~7)后,根據(jù)識(shí)別裝置內(nèi)部計(jì)算與分析,得到127組不同的識(shí)別參量,完成所有電器組合的識(shí)別。

        圖2:系統(tǒng)總體框圖

        2.2 技術(shù)方案分析比較

        2.2.1 微處理器

        方案一:采用STM32系列ARMCortex?M1作為主控核心。STM32F103是一款32位基于Cortex-M3內(nèi)核,采用ARMv7-M架構(gòu)的處理器,具有內(nèi)部資源豐富、接口多、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn),因其擁有優(yōu)秀的收集處理數(shù)據(jù)的能力,所以可以很好適應(yīng)本題要求。

        方案二:采用NXPARM系列LPC54606單片機(jī)作為主控核心。LPC54606是一款基于ARMCortex-M4的處理器,高達(dá)220MHz的頻率讓其擁有極高的數(shù)據(jù)處理速度,可以滿足控制要求。

        綜合考慮數(shù)據(jù)處理的快速性和穩(wěn)定性,最終選擇STM32F103單片機(jī)和恩智浦LPC54606單片機(jī)共用的方式做為設(shè)計(jì)方案,通過LPC54606單片機(jī)對信號(hào)進(jìn)行高精度運(yùn)算,通過STM32單片機(jī)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對比,保證了高響應(yīng)速度與高測量精度。

        2.2.2 供電方案

        方案一:使用開關(guān)電源進(jìn)行供電。目前市面上的開關(guān)電源大多都能輕松實(shí)現(xiàn)AC220V~DC±5V的轉(zhuǎn)換,且有較高的帶負(fù)載能力。但開關(guān)電源的空載電流為0.45mA,工作電流過大,不滿足題目要求,故不能使用此方案。

        方案二:采用PM01隔離電源進(jìn)行供電。此方案具有空載損耗小,體積小,低噪聲,低紋波的優(yōu)點(diǎn),且?guī)ж?fù)載能力達(dá)3W,滿足題目要求,但單個(gè)隔離電源只能提供+5V與GND接口,即只有正電源,需要串聯(lián)使用。

        綜上所述,采用方案二的改進(jìn)版,將兩個(gè)隔離電源同時(shí)使用,輸出±5V的直流電作為整個(gè)裝置的供電,保證了整個(gè)裝置的低功耗。

        3 理論分析與計(jì)算

        3.1 特征參量選取

        根據(jù)題目要求,需要根據(jù)電流的電參量來完成用電器的識(shí)別。故目前已知可以利用的電參量包括:工頻電流峰峰值、工頻電流有效值、電流基波幅值及各次諧波幅值大小、工頻電流相位、電流波形總諧波失真度等。

        3.1.1 對于電流峰峰值、有效值參量,不單獨(dú)作為特征參量選?。?/p>

        各個(gè)用電器均有較大諧波,其工作電流均是非正弦工頻周期波形且相位不同,故兩個(gè)用電器同時(shí)使用時(shí),如果不知道相位差和各個(gè)諧波的分量,就無法根據(jù)單個(gè)用電器來計(jì)算出共用時(shí)和電流有效值。此外,有兩個(gè)電器的電流有效值完全相同,因此本方案中不采用電流有效值、峰峰值作為特征參量,僅作為監(jiān)控電流狀態(tài)使用。

        3.1.2 對于電流相位,作為特征參量選?。?/p>

        但由于沒有電壓互感器采集220V電壓波形,故不能得到真實(shí)的電流相位值,所以將其與單片機(jī)產(chǎn)生的50Hz參考波進(jìn)行比較,得到參考相位值。不論是電流的真實(shí)相位值(與市電220V電壓波形的相位差)還是電流的參考相位值(與裝置內(nèi)部50Hz的相位差),如果沒有相位作為特征參量,就無法進(jìn)行相量計(jì)算,也就不能根據(jù)單個(gè)用電器的學(xué)習(xí)來計(jì)算出各種情況的特征值。故電流相位是必要的特征參量。

        3.1.3 對于電流的各個(gè)諧波值,作為特征參量選?。?/p>

        如圖3所示,由于真實(shí)的電流波形是非正弦工頻周期波,且問題中存在電流有效值完全相同但諧波不同的兩個(gè)器,故需要先對電流波形進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)得到各個(gè)諧波值后,結(jié)合相位進(jìn)行相量計(jì)算,才能根據(jù)單個(gè)電器的特征參量學(xué)習(xí),完成不同電器組合的快速識(shí)別。工頻電流頻譜圖如圖4所示。

        圖3:工頻電流波形圖

        圖4:工頻電流頻譜圖

        綜上,本方案采用的特征參量為:電流參考相位θ、電流基波幅值I及各諧波幅值作為特征參量,學(xué)習(xí)單個(gè)電器數(shù)據(jù)后根據(jù)相量法計(jì)算不同組合情況的特征值,完成識(shí)別。

        3.2 學(xué)習(xí)及識(shí)別方案

        3.2.1 學(xué)習(xí)模式

        接入單個(gè)用電器開始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集后:

        (1)將50Hz參考波形和分級(jí)放大后的信號(hào)輸入相位識(shí)別裝置,通過測其高電平時(shí)長,得到了電流與參考50Hz波形間的參考相位,記為θ(n=1~7)。

        (2)將采集到的輸入信號(hào)分級(jí)放大后輸入LPC54606單片機(jī),即可通過傅里葉變換測出需要的電流基波幅值I(n=1~7)。

        任意信號(hào)都可以表示成基波和諧波的疊加,而傅里葉變換可以把采樣得到的波形從時(shí)域變換為頻域,過濾出基波和各種頻率的波形。即假設(shè)采集到的交流電流為:

        通過傅里葉變換FFT計(jì)算出其交流電壓為:(I為電流基波幅值)

        最后,將電流相位θ、電流基波幅值I(n=1~7)獲取后儲(chǔ)入STM32F103主控芯片,完成一次單件用電器學(xué)習(xí)。

        3.2.2 分析識(shí)別模式

        學(xué)習(xí)過7個(gè)電器的特征參量θ、I(n=1~7)后,以用電器①、②為例,已知兩個(gè)用電器的特征參量I、I、θ、θ,根據(jù)相量法可以計(jì)算出用電器①和②同時(shí)接入電網(wǎng)時(shí)的電流基波幅值I、φ,見圖5兩用電器相量圖

        圖5:兩用電器相量圖

        假設(shè)已知兩個(gè)單件用電器的電流基波幅值I,相位電流基波幅值θ,即可通過三角函數(shù)計(jì)算出其疊加后電流的大小和相位:

        若用電器增加三個(gè),同樣根據(jù)I、I、I、θ、θ、θ可以計(jì)算出電器①②;①③;②③;①②③同時(shí)接入時(shí)電流基波幅值I和相對相角φ,見圖6三用電器相量圖即可判別用電器組合。

        圖6:三用電器相量圖

        此外,對于電流有效值一樣的①號(hào)電器和②號(hào)電器,由于其諧波、相位不同,故其特征參量I、I、θ、θ也都各不相同,使用此方法可以完成分辨。

        綜上所述,在已知7個(gè)單件用電器的相對相角θ、電流基波幅值I的基礎(chǔ)上,即可通過相量法計(jì)算出理論上127種組合的值,將其作為標(biāo)志參量存入識(shí)別表中。實(shí)際上接入不同的電器組合后,根據(jù)軟件查表對比,就可以解算出目前用電器的接入組合,實(shí)現(xiàn)用電器類別的實(shí)時(shí)顯示。

        4 電路與程序設(shè)計(jì)

        4.1 電路設(shè)計(jì)

        4.1.1 整體供電

        由于本裝置需采用±5V電源供電,且在發(fā)揮部分要求裝置在分析識(shí)別模式下的工作電流不大于15mA,因此我們首先需要將220交流電高效率地轉(zhuǎn)化為±5V,且將兩個(gè)PM01隔離電源進(jìn)行串聯(lián),連接端作為后續(xù)整個(gè)裝置的GND,可以很好地解決±5V的電源供電需求,如圖7所示。

        圖7:電源供電

        4.1.2 相位測量

        由于本方案需要設(shè)計(jì)相位測量電路來讀取當(dāng)前電流信號(hào)與參考信號(hào)的相位。由單片機(jī)產(chǎn)生50Hz的方波作為參考信號(hào),將電流信號(hào)進(jìn)行放大、整形,獲取與電流信號(hào)同相位的方波信號(hào)。再將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算,使用單片機(jī)定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)采樣,從而獲得相位差,如圖8-10所示。

        圖8:放大電路

        圖9:整流電路

        圖10:相位測量

        電流信號(hào)的放大方案采用OPA140搭建的放大電路對采樣電阻兩端的電壓進(jìn)行放大,OPA140具有小于10pA的輸入偏置電流,能夠很好地將小電流信號(hào)進(jìn)行放大。

        4.1.3 有效值測量

        由于本方案需要對電流有效值進(jìn)行采集來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算,因此我們需要搭建有效值檢測電路進(jìn)行電流有效值計(jì)算。AD637是一款完整的高精度、均方根直流轉(zhuǎn)換器,可計(jì)算任何復(fù)雜波形的真均方根值,它提供集成電路均方根直流轉(zhuǎn)換器性能,精度、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍與分立和模塊式設(shè)計(jì)相當(dāng)。因此我們采用其作為有效值檢測方案。

        4.1.4 AD采樣電路

        由于需要對電路信號(hào)波形進(jìn)行FFT運(yùn)算,因此需要使用單片機(jī)片內(nèi)ADC進(jìn)行高速采樣,因此,需要對信號(hào)添加直流偏置,使其電壓范圍能夠在單片機(jī)ADC的電壓范圍內(nèi),本方案采用加法器對信號(hào)進(jìn)行處理。

        4.2 程序設(shè)計(jì)

        如圖11所示。

        圖11:系統(tǒng)程序流程圖

        5 測試方案與測試結(jié)果

        5.1 測試結(jié)果

        將用電器編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7,其中用電器1為自制電器,用電器7為大功率電器,電流有效值為I、電流基波幅值為I、參考相位為θ,平均響應(yīng)時(shí)間、平均工作電流。如表1、表2、表3、表4、表5所示。

        表1:單個(gè)電器學(xué)習(xí)結(jié)果

        表2:小功率電器測量(2~5)

        表3:自制電器測量(1~5,1為自制電器)

        表4:大功率電器測量(1~7,1為自制電器,7為大功率電器)

        表5:響應(yīng)時(shí)間、電流檢測

        5.2 結(jié)果分析

        綜上所示,本裝置能夠以極大的準(zhǔn)確率快速識(shí)別各類小功率電器組合、大小功率電器組合、有效值相同的電器組合,均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求,響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求。

        6 總結(jié)

        本設(shè)計(jì)是一款具有學(xué)習(xí)功能,并能實(shí)時(shí)判斷用電器類別的裝置。通過對電流互感器輸出的微小電流進(jìn)行調(diào)理放大,該裝置能夠準(zhǔn)確測量電流基波幅值I和參考相位θ,解算出127種不同組合的識(shí)別標(biāo)志,當(dāng)隨機(jī)增減在用電器時(shí),可以快速響應(yīng),完成大小功率用電器、自制用電器的不同組合判斷。檢測準(zhǔn)確率極高,響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求。此外,本裝置額外增加了低功耗模式、用電器電流質(zhì)量分析功能、電流波形實(shí)時(shí)顯示功能和無線串口屏人機(jī)交互功能,進(jìn)一步提高了作品完成度。

        猜你喜歡
        單片機(jī)信號(hào)
        信號(hào)
        鴨綠江(2021年35期)2021-04-19 12:24:18
        完形填空二則
        基于單片機(jī)的SPWM控制逆變器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
        電子制作(2019年13期)2020-01-14 03:15:28
        基于單片機(jī)的層次漸變暖燈的研究
        電子制作(2019年15期)2019-08-27 01:12:10
        基于單片機(jī)的便捷式LCF測量儀
        電子制作(2019年9期)2019-05-30 09:42:02
        孩子停止長個(gè)的信號(hào)
        小議PLC與單片機(jī)之間的串行通信及應(yīng)用
        電子制作(2018年12期)2018-08-01 00:48:04
        基于單片機(jī)的平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        電子制作(2017年19期)2017-02-02 07:08:27
        基于LabVIEW的力加載信號(hào)采集與PID控制
        一種基于極大似然估計(jì)的信號(hào)盲抽取算法
        aa日韩免费精品视频一| 亚洲国产中文在线二区三区免 | 国产小视频网址| 久久中文字幕av第二页 | 国产免费久久精品99久久| 男人扒开女人下面狂躁小视频| 亚洲AV永久青草无码性色av| 亚洲中文无码av在线| 成年视频网站在线观看777| 中文字幕有码在线人妻| 亚洲精品白浆高清久久久久久| 精品福利视频一区二区三区| a午夜国产一级黄片| 水蜜桃网站视频在线观看| 欧美黑人又粗又大xxxx| www插插插无码免费视频网站 | 熟妇与小伙子露脸对白| 亚洲一区第二区三区四区| 亚洲精品久久一区二区三区777| xxxx国产视频| 国产av熟女一区二区三区老牛| 亚洲色图视频在线免费看| 2021久久精品国产99国产精品| 亚洲午夜无码久久yy6080| 国产麻豆国精精品久久毛片| 免费观看a级毛片| 女人夜夜春高潮爽a∨片| 国产欧美日本亚洲精品一5区| 国产亚洲91精品色在线| 欧美成人在线视频| 久精品国产欧美亚洲色aⅴ大片| 国内国外日产一区二区| 日本边添边摸边做边爱喷水| 成年女人毛片免费视频| 激情文学人妻中文字幕| 久久精品国产色蜜蜜麻豆国语版| 久久99久久99精品中文字幕| 99久久久无码国产精品动漫| 国产精品女同av在线观看| 国模雨珍浓密毛大尺度150p| 亚洲男人天堂网站|