Arduino平台下的单相用电器分析监测系统研究

李成勇

(重庆工程学院 电子与物联网学院，重庆 400056)

0　引言

随着电子科技的飞速发展，当今电子仪表的智能化程度与测量的精度有了进一步的提高，本系统以此为研发突破点，利用Arduino/Genuino Mega or Mega 2560为开发环境，以ATmega 2560(Mega 2560)为主控芯片[1]，设计出单相用电器分析监测系统，通过SD3004模块对采集到的用电器电参数进行分析、处理，从而得到其类别和状态，运用EEPROM库来存储数据，从而达到对电参数的记录，并将其在LCD12864液晶模块上进行显示。同时具有学习、记忆和识别等功能。最后，通过主控模块、驱动显示模块和信息采集模块在单项监测电路中检测用电器的相关特征参量，通过软硬件调控达到对精度的要求[2]。此设计主要优点在于线路简单、设计美观、操作便捷，便于推广应用。

1　系统总体设计

1.1　系统组成

根据用户要求，此系统装置具有学习功能、分析监测功能和清除功能。当一个陌生的用电器接入插座时，需要学习并能够储存和识别该用电器的种类和基本参数信息；当装置熟悉的一个用电器接入插座时，可以实时分析监测并显示该用电器的种类和基本参数信息；并且支持增加、删除原始数据，操作便利快捷。因此，系统总体方案设计构架如图1所示。

图1　系统架构

该系统装置以市电输入作为电源端，SD3004采样模块接入插座的零线和火线，在插座上连接一个负载，然后通过SD3004对该负载进行A/D采样，将采样参数发送到主控芯片进行分析和处理，同时自动生成任务模块。在学习模式下，主控芯片会将采样参数储存，利用驱动模块控制液晶显示参数。在分析监测模式下，主控芯片会将采样参数与储存参数比对，比对成功后，显示模块显示其特征参数。

1.2　主要模块比较与选择

主控芯片模块有3种方式：

① 采用主流嵌入式控制器STM32系列作为控制平台。STM32系列嵌入式芯片具有ARM Cortex-M3内核。内部资源丰富，I/O口最多可达112个，有多种通信方式，可以自由扩展外部接口电路，资源使用方便。但这类嵌入式芯片由于寄存器太多，达到100多个，对于短期开发造成资源大面积浪费，系统精度要求不高的情况下，编程相对复杂[3]。

② 采用STC89C51作为主控芯片，超强抗干扰能力；超大容量，最高4.2 K；超低功耗，正常工作模式，功耗4～7 mA；性价比高；但是STC89C51只支持8位运算，128 Byte的内部RAM，运算速度慢，精度不高，引脚数量达不到要求，虽然可以使用扩展功能，但是电路连接复杂，适用于教学使用[4]。

③ 采用Arduino Genuino Mega为控制芯片，比51系列单片机最大优势在于I/O比较多，本系统设计需要多路数字输入/输出口，而Arduino Genuino Mega适合需要大量IO接口的设计，可以实现本装置的精度[5]和运行速度要求[6]。

综合以上分析，从功能、特点和性能指标进行比较，本设计采用TMEGA-2560嵌入式芯片作为主控芯片。

监测模块可以采用2种方式：

① 采用SD3003模块，该模块主要用于电能计量在LCD/LED上显示，具有SOC解决方案，优点是降低计量插座电路设计等复杂度，但性价比不高[7]，较复杂，不能满足其精度要求[8]。

② 采用SD3004模块，该模块是SD3003模块升级版，有效简化了计量插座电路设计等复杂度与生产成本。性价比高[9]，精度符合要求[10]。

综合以上分析，本设计主要由4个模块组成：ATMEGA-2560作为主控制模块，加载12864-BLCD显示模块，同时采用由SD3004芯片构成的数据采集模块。通过USB串口将程序下载到ATMEGA-2560微处理器进行处理，通过数据采集模块采集各个用电器的电压、电流、功率和电量参数，然后用12864-BLCD显示模块进行显示。

2　理论分析与计算

2.1　理论分析

有效值计算是采样模块的核心部分，其中采样计算得出的电压有效值、电流有效值以及功率有效值是运算的关键。实际的电流、电压的瞬时值都随时间而改变，为一个连续的波形，经过系统装置的AD转换模块后变换成一连串的数值，该过程为离散化处理流程，是本装置采集参数的第一个步骤。

电压、电流的有效值表达式为[11]：

(1)

(2)

其中第1步表现为连续变量的积分形式，第2步为实际的离散化后的累加和形式。N为采样点个数。

有功功率是电能转换为其他形式能力的电功率。平均有功功率定义[12]如下：

(3)

有功功率离散化公式[13]为：

(4)

用电量计算公式[14]为：

W=UIt，

(5)

式中，W为用电量；U为额定电压；I为额定电流；t为工作时间，适用于任何电路。

2.2　检测电路设计

采用SD3004为检测芯片，主要为了得到用电器的有效电压和电流，此芯片具有校表功能，同时累计计量电能，支持提供高速输出，检测电路如图2所示。

图2　检测电路原理

2.3　特征参量设计

系统选用功率差别较大的几种用电器进行实验，功率是指物体在单位时间内所做的功的多少，即用来描述做功快慢的物理量[15]。有助于装置判断用电器类别，利用程序计算此参数。

电流的大小是反映在单位时间里通过导体任一横截面的电量大小，电流之所以能够在导线中流动，也是因为在电流中有着高电势和低电势之间的差别，选用此参数也是保证实验的重要原因[16]。

电压是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量，电压是推动电荷定向移动形成电流的原因，它反映了电路中能量差的大小[17]。

电量指用电设备(用电器)所需用电能的数量，根据电量的显示可以看出该用电器的用电总和情况，特别是大功率电器，更能够反映出其用电器用电量，此参数可利用程序计算实现[18]。

3　电路与程序设计

3.1　电路设计

电流检测电路如图3所示。采用电流互感器检测电流，以差分信号的方式输入SD3004；电压检测电路如图4所示。采用直接与负载并联的方式拾取电压，经信号处理后送入SD3004第45脚。

图3　电流检测电路

图4　电压检测电路

3.2　程序设计

系统的程序主要由主控通信程序、学习模式程序和分析监测模式程序组成。

利用MEGA2560为主控芯片，提取监测模块采集的参数，利用储存功能，记录其参数。此芯片在数据处理过程中不允许采集参数，为了保证其参数的一致性，采样过程必须初始化，其主控通信模块程序流程图如图5所示。

图5　主程序流程

首先进行初始化，然后进行模式选择，若进入学习模式，则通过电感线圈进行数据采样，然后通过SD3004芯片对数据进行处理，将其存储在EEPROM库中，并通过LCD12864完成数据显示；若进入监测模式，则从EEPROM库读取数据，并通过LCD12864完成数据显示。子程序流程框图如图6和图7所示，主要完成电流、功率和电压等参数的监测功能。

图6　学习模式程序流程

图7　分析监测模式程序流程

利用线圈采集电路参数，当有交流电经过线圈时，周围将出现随时间而变化的磁力线，根据法拉第电磁感应原理，线圈两端会产生感应电动势，相当于一个新的供能系统，当形成闭合的回路时，此感应电动势会通过线圈的数量计算感应电流，最后可根据电压和电流求出功率和电量值。

4　测试结果与分析

系统装置制作完成，将准备的用电器接入到插座上，并提前记录用电器的额定特征参数信息。分别以学习模式和分析监测模式对用电器的参数进行识别，在学习模式下，观察装置是否能够成功学习并储存。在分析监测模式下，随机增加或减少用电器数量，观察并对比HMI屏上显示情况。将2种模式下显示在HMI屏幕上的识别信息记录备用，对比分析用电器的识别参数信息、记录，系统测试效果界面如图8所示。

图8　系统测试效果界面

根据测试要求，用不同的用电器采集对应的电流、电压、功率和电量等值，其中学习模式测试数据如表1所示，分析检测模式测试数据如表2所示。用电器测试数据及测试过程满足下列条件，测量数据有效。

① 用电器电流范围在0.002～10 A间都可以检测到，包括但不限于以下电器：LED灯、节能灯、USB充电器(带负载)、无线路由器、机顶盒、电风扇和热水壶。

② 可识别的电器工作状态总数不低于7，电流不大于50 mA的工作状态数不低于5，同时显示所有可识别电器的工作状态。

③ 实时指示用电器的工作状态并显示电源线上的电特征参数，响应时间不大于2 s。特征参量包括电流和其他参量。电器的种类及其工作状态、参量种类用序号表示。

在学习模式下，系统装置可以学习一种新的用电器参数，并储存数据，待该用电器与插座再次接入时，可以准确地完成对该用电器的类型识别和特征参量显示，并且支持删除原始数功能。

在分析监测模式下，该装置可以随机接入用电器类型，通过液晶屏幕显示特征参数信息，尽管与额定参数有一定误差，由于考虑到用电器在使用时参数在不断变化，因此可忽略此误差。

根据测试结果，可实现工业化生产要求的功能，同时满足精度要求，利用这样的装置不仅把电特征参量以科学的方式显示出来，而且还符合智能生活的发展需求。

由上述测试分析结果可知，实际数据与显示数据存在一定的误差，但是误差都在规定的误差范围之内，主要误差来源于传感器的灵敏度和工艺差异问题。

表1学习模式测试数据

用电器类别(学习模式)额定功率/测试值/W额定电流/测试值/A额定电压/测试值/V电量值(累加)/(W/h)学习与判定电钻500/494．002．2/2．123220/232．72596．00成功/正确电烙铁35/34．000．16/0．156220/223．973120．00k成功/正确手机充电器6/5．000．027/0．022220/225．696183．00k成功/正确

表2分监模式测试数据

用电器类别(分监模式)额定功率/测试值/W额定电流/测试值/A额定电压/测试值/V电量值(累加)/(kW/h)判定正误热水壶1350/1347．006/5．885220/232．983276．00正确电吹风1200/1169．005．5/5．321220/218．123389．00正确剃须刀8/7．000．03/0．033220/226．568406．00正确电蚊香5/4．000．02/0．018220/243．365415．00正确小电机6/6．000．03/0．268220/240．214436．00正确电动牙刷2/1．000．01/0．013220/226．872493．00正确床头小灯0．4/0．400．002/0．002220/218．412572．00正确

5　结束语

根据系统装置性能指标的需要，进行了电路硬件设计，采用了模块设计方法，将系统分成多个模块，再分别以模块的不同功能设计程序。通过比较当前工程领域对这些模块电路的不同设计思想，根据实际需要，选择最优的方案进行制作系统模型。

在实验室条件下，对设计的装置进行多次调试和分析，参数达到了工业生产所提出的各项指标。在以后的系统优化中，将会对其采用更加先进的嵌入式控制器系统，使误差范围进一步变小，争取发挥本分析检测系统的优势，将其完善得更好。

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