摘" 要：該文以2021年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽H題為設(shè)計目標，設(shè)計一種用電器識別裝置。該裝置以TMS320F28335芯片為核心，外接IM1281B電能計量模塊、矩陣鍵盤、LCD12864液晶顯示屏、ZMPT107電壓互感器、ABS210全波整流橋。在學(xué)習(xí)模式下，該裝置通過電壓互感器與電能計量模塊采集電信號，并生成用電器的數(shù)據(jù)庫。在識別模式下，該裝置利用查表法進行用電器參數(shù)分析，最終在液晶顯示屏上顯示用電器的識別結(jié)果。

關(guān)鍵詞：用電器識別裝置；TMS320F28335芯片；電能計量模塊；電壓互感器；相位差

中圖分類號：TP216+.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0107-04

Abstract： In this paper， a kind of electric appliance identification device is designed with the design goal of the H item of the National Undergraduate Electronics Design Contest 2021. The device takes TMS320F28335 chip as the core， and is externally connected with IM1281b electric energy metering module， matrix keyboard， LCD12864 LCD， ZMPT107 voltage transformer and ABC210 full wave rectifier bridge. In the learning mode， the device collects electric signals through the voltage transformer and the electric energy metering module， and generates a database of electrical appliances. In the recognition mode， the device uses the look-up table method to analyze the parameters of electrical appliances， and finally displays the identification results of electrical appliances on the liquid crystal display screen.

Keywords： electrical appliance identification device; TMS320F28335 chip; electric energy metering module; voltage transformer; phase difference

該文所設(shè)計裝置利用相位差的判斷算法，解決了感性負載與容性負載無功功率線性疊加相減的問題，并具有識別感性負載與容性負載的功能。

1" 設(shè)計目標

設(shè)計并制作一個用電器識別裝置，通過該裝置可以識別一個獨立開關(guān)7孔以上插排上的所有用電器種類[1]，具體要求如下。

1）用電器的電流范圍為5 mA～10 A。

2）能夠識別至少7種用電器，包括一種自制電器。

3）增減用電器，可以在2 s內(nèi)識別插排上的用電器種類。

4）自制用電器，由電阻、電容、二極管3個元器件組成。

2" 硬件設(shè)計

2.1" 硬件總體設(shè)計框圖

用電器識別裝置的硬件總體設(shè)計框圖如圖1所示，包含外部電源、LCD顯示屏、微控制器、獨立按鍵、電能計量模塊。

外部電源給微控制器TMS320F28335供電，用戶可以通過按鍵鍵盤與裝置進行交互，來控制裝置的工作模式。電壓信號經(jīng)過全波整流后，被電壓互感器ZMPT107獲取送入DSP的AD引腳。電能計量芯片采集拖線板的數(shù)據(jù)后通過串口，采用標準Modbus-RTU協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸給微控制器，微控制器TMS320F28335讀取數(shù)據(jù)之后將相應(yīng)結(jié)果顯示在LCD1602液晶顯示屏上[2]。

2.2" 電能計量模塊IM1281B

IM1281B單相交流電能計量模塊能夠采集單相交流電參數(shù)，包括電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率和電能等多個電參量，并使用標準Modbus-RTU協(xié)議，通過串口傳輸數(shù)據(jù)。其Modbus協(xié)議電參數(shù)寄存器列表見表1。

2.3" 微控制器TMS320F28335

本文使用的芯片為TMS320F28335。該芯片通過GPIO引腳，連接矩陣按鍵與LCD12864液晶顯示屏。本設(shè)計共使用9個按鍵，因此使用矩陣鍵盤既能夠節(jié)約引腳，也有空余的按鍵可以根據(jù)后續(xù)需求更改配置。芯片與LCD12864液晶顯示屏、矩陣按鍵的連接如圖2所示。

2.4" 電壓整流互感電路

ZMPT107電壓互感器是一款體積小，精度高，一致性好的電壓互感器，其輸入線性范圍為0～1 000 V。本設(shè)計采用ABS210全波整流橋，對市電電壓進行全波整流后，送入電壓互感器，電壓互感器將模擬數(shù)據(jù)送入DSP的ADCINA0引腳。連接圖如圖3所示。

3" 軟件設(shè)計

3.1" 學(xué)習(xí)模式的設(shè)計

本裝置的學(xué)習(xí)模式流程為插入電器后，待用電器處于穩(wěn)態(tài)，得到其穩(wěn)態(tài)功率與功率因數(shù)值，并在LCD顯示屏上提示，可以選擇下一個用電器進行學(xué)習(xí)。通過矩陣鍵盤，可以選擇識別用電器的編號和最終確認識別完成。待7個用電器全部識別完成后，通過排列組合的方式，計算生成包含全部用電器情況的數(shù)據(jù)庫，最終在顯示屏上提示學(xué)習(xí)完畢。

3.1.1" 負載性質(zhì)

家用電器根據(jù)負載性質(zhì)，可以區(qū)分為感性負載、阻性負載和容性負載。阻性負載的電抗為0，因此無功功率也為0，對后續(xù)的功率三角形計算并生成數(shù)據(jù)庫沒有影響。當2個相同性質(zhì)的負載進行無功功率疊加時，總的無功功率值為二者的數(shù)值相加；而當2個不同性質(zhì)的負載進行無功功率疊加時，總的無功功率值為二者相減后的絕對值。

因此，對于負載性質(zhì)對后續(xù)計算的影響，有2種解決方案。

1）將用電器近似等效為一階電路，利用一階電路全響應(yīng)的函數(shù)性質(zhì)，對用電器插入后的瞬態(tài)電流采樣后利用MATLAB工具箱生成擬合函數(shù)代碼，通過時間常數(shù)t與用電器穩(wěn)態(tài)的功率因數(shù)作比較，判斷用電器的負載性質(zhì)。

2）利用電壓與電流的超前滯后關(guān)系判斷負載的性質(zhì)。當負載為感性負載時，電流滯后于電壓；當負載為容性負載時，電流超前于電壓。在一個穩(wěn)態(tài)周期（0.02 s）內(nèi)，使用ZMPT107電壓互感器，經(jīng)過全波整流與分壓電路，將模擬信號輸入DSP芯片的AD引腳，獲取該周期的瞬時電壓離散值。同時，利用IM1281B電流互感器模塊，獲得瞬時電流離散值。

通過綜合分析，方案1存在插入時的電壓相位直接進入穩(wěn)態(tài)，無法通過瞬態(tài)電流波形檢測用電器性質(zhì)的可能性，且只能判斷簡單的用電器。對于一些復(fù)雜電器，直接等效為一階電路是不夠合理的。而方案2的泛用性更廣，判斷邏輯更加簡潔清晰，故使用方案2作為負載的性質(zhì)判斷方案。

3.1.2" 負載的參數(shù)學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)模式下，生成全部7個用電器的單獨數(shù)據(jù)后，將負載數(shù)據(jù)進行組合，生成用電器組合的功率參數(shù)，有功功率之間直接相加，無功功率數(shù)值考慮負載的性質(zhì)進行加減之后，取其絕對值。最終生成完整的數(shù)據(jù)庫。

3.2" 負載的識別模式

本裝置上電后默認為學(xué)習(xí)模式，通過鍵盤按鍵可切換為識別模式。進入識別模式后，插入用電器，IM1281B電能計量模塊可以傳輸有功功率，與功率因數(shù)至DSP。DSP經(jīng)過計算，得到無功功率數(shù)值，進行數(shù)據(jù)查表，找出對應(yīng)的用電器使用情況，并通過LCD12864顯示屏，顯示結(jié)果。

4" 測試結(jié)果分析

4.1" 測試用電器

以下為測試用電器：熱風(fēng)機（一檔）、電烙鐵、一加8手機充電器、大型電風(fēng)扇、手持小風(fēng)扇、自制RC串聯(lián)負載、公牛節(jié)能燈[5]。

4.2" 測試流程

測試流程：將拖線板電源線引出，分別并聯(lián)電壓互感器與電能計量模塊的交流接口，火線通過電能計量模塊線圈。上電后通過插拔用電器，觀察顯示屏情況。使用RAM模式對DSP進行燒錄，通過CCS軟件對DSP的數(shù)據(jù)記錄情況進行監(jiān)視。學(xué)習(xí)模式對用電器的參數(shù)記錄情況見表3。

實驗發(fā)現(xiàn)，插入用電器后識別出穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)所需的時間是不同的，其中，自制負載、小風(fēng)扇、節(jié)能燈、電烙鐵可以迅速達到額定功率，大風(fēng)扇與熱風(fēng)機能較快速達到，而手機充電器由于快充協(xié)議的原因，所需的時間最長，大約需要2 s。

5" 結(jié)束語

本文以2021年全國電賽H題為目標，設(shè)計了一種基于DSP28335的用電器監(jiān)測裝置，該裝置能根據(jù)用電器的功率來識別用電器種類，較好地實現(xiàn)了電賽目標，并在用電器進入穩(wěn)態(tài)之后快速識別，具有判斷感性負載和容性負載的能力。

參考文獻：

[1] 榮海林，姜萬里，孫廣博，等.基于STM32的用電器分析識別裝置[J].電子技術(shù)與軟件工程，2022（5）：113-117.

[2] 程春雨，劉正龍，顏科宇，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用電器識別系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2021，19（2）：11-16.

[3] 李興毅，胡玉安.正弦交流電壓激勵下RL電路瞬態(tài)響應(yīng)的研究[J].河南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（2）：156-158.

[4] 汪金山.正弦激勵下的RC電路的暫態(tài)過程[J].大學(xué)物理，1997（10）：25-26，28.

[5] 高禁，郝星星，封岸松.用電器分析識別裝置的設(shè)計與測試[J].光源與照明，2021（10）：60-62.