单相用电器分析监测装置——2017年江苏省大学生电子设计竞K题解析

马亦男

（江苏省南京工程高等职业学校，南京 211135）

0 引言

江苏省大学生电子设计竞赛为江苏省级赛事，是年级电类同学们可以参加的最高级别学科竞赛（根据传统，每届单数年级参加省电子设计竞赛，双数年级参加全国电子设计竞赛），对于同学们未来的保研、出国及就业都有至关重要的作用。竞赛题目包括“理论设计”和“实际制作”，以电子电路设计应用为基础，涉及信号采集与处理、信号发生与信息传输、测量与控制、电源及变流技术等方面知识技术方法。

1 任务要求

1.1 任务

设计并制作一个可根据电源线的电参数信息分析用电器类别和工作状态的装置。该装置具有学习和分析监测两种工作模式。在学习模式下，测试并存储各单件电器在各种状态下用于识别电器及其工作状态的特征参量；在分析监测模式下，实时指示用电器的类别和工作状态。

图1 单相电参数监控结构Figure 1 single-phase electrical parameters monitoring and control structure

1.2 要求

1.2.1 基本要求

（1）电器电流范围 0.005A ～10.0A，可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、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 50mA 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。自定可识别的电器种类,包括一件最小电流电器和一件电流大于 8A 的电器，并完成其学习过程。

（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 2s。特征参量包括电流和其他参量，自定义其他特征参量的种类、性质、数量自定。电器的种类及其工作状态、参量种类可用序号表示。

（4）随机增减用电器或改变使用状态，能实时指示用电器的类别和状态。（5）用电阻自制一件可识别的最小电流电器。

1.2.2 发挥部分

（1）具有学习功能。清除作品存储的所有特征参数，重新测试并存储指定电器的特征参数。一种电器一种工作状态的学习时间不大于1分钟。

（2）随机增减用电器或改变使用状态，能实时指示用电器的类别和状态。

（3）提高识别电流相同，其他特性不同的电器的能力和大、小电流电器共用时识别小电流电器的能力。

（4）装置在监测模式下的工作电流不大于 15mA，可以选用无线传输到便携终端上显示的方式，显示终端可为任何符合竞赛要求的通用或专用的便 携设备，便携显示终端功耗不计入装置的功耗。

（5）其他

1.3 说明

图中 A 点和 B 点预留装置电流和用电器电流测量插入接口。测试基本要求的电器自带，并安全连接电源插头。具有多种工作状态的要带多件，以便所有工作状态同时出现。最小电流电器序号为1；序号1-5电器电流不大于50mA；最大电流电器序号为7，可由赛区提供（例如1800W热水壶）。交作品之前完成学习过程，赛区测试时直接演示基本要求的功能。

2 难点分析

本设计中的关键基础知识需求表现为对电路基础中视在功率、有功功率、无功功率、功率因素、电流及电压的有效值、最大值、谐波等需要有清晰的理解，并对如何获取以及他们之间的相互关系推导需要熟练；其次是单片机的测控显示等基础知识。难点主要集中在以下几个方面：（1）对于流经电路的相关电参数的实时读取与存储。这个模块建议选用电能表芯片，对于在校大学生而言，短时间内熟悉并设计好电路是一个挑战，尤其是对于仪表的校准参数、校准算法的设计。（2）对于在市电不稳定的情况下，读取的参数如何进行波动范围的设计。（3）对于部分特性相同的电器如何进行有效鉴别。（4）组合鉴定。如何鉴别出此次打开的诸多用电器是由哪些构成的，需要进行相应的算法，并进行修正处理。尤其对于学习环节，需要学习老师现场随机给定的电器，随机性比较大，要求相对较高，需要擦除原先保存的产品信息，再进行学习，并在内部构建存储模块，存储好相关信息，这就给编程加大了难度，对于用电器特性的学习需要准确可靠。

图2 系统整体框图Figure 2 system block diagram

3 硬件系统电路设计

本次设计依据考核内容设计，硬件构成如下：

本设计的工作原理：采用电流互感器、电压互感器采集相关信号，通过前置处理电路进行处理，将信号送入ATT7022参数处理模块；单片机STM32从单片机读取ATT7022寄存器相关数据，经过软件处理和修正；将相关信息进行记录并对用电器进行编号；在进行器件识别时主要从几个方面，一是电流；二是功率因素；如果经过上述两个部分还不能区分可以通过谐波信息进行鉴别；此次课题的用电器选择自主性比较大，我们选择的用电器采用前两个就能进行简单区分。

硬件部分采用单片机STM32单片机为控制核心，实现数据存储及加工显示等基本控制功能。信号采集部分包括电流互感器TA1016-1M和电压互感器 TV1013-1H。

采集的模拟信号送入前段处理电路处理后送给单片机处理，并利用液晶显示模块完成显示，功能调整部分设计按键实现人机对话，利用键盘进行人机交互，输入数据，操作简单方便。利用液晶屏显示各种界面，包括选择界面：当前用电器特性界面；目前在用用电器类别等。

3.1 互感器电路及前置电路

电流互感器采用立式穿芯式微型精密交流电流互感器TA1016-1M，其工作频段为20Hz～20KHz[1]；电压互感器采用电压互感器TV1013-1H，如图3、图4是其工作测量电路图。采用该系列传感器具有体积小、精度高、全封闭、机械环境特性好等特点，电压隔离能力强，安全可靠。电流互感器和电压互感器其典型应用电路有两种，一种是电阻法直接获得采样电压；另一种是IC法获得采样电压，该方法的线性度较好，相移较小。

实际电路设计如图5所示，左边为电压互感器链接，右边为电流型互感器；

从电流互感器、电压互感器输出的信号进入前置处理电路，具体电路如图6、图7所示。

图3 TV1013-1H电阻法测量电路Fig.3 TV1013-1H resistance measurement circuit

图4 TA1016-1M的电阻法测量电路Fig. 4 TA1016-1M electrical resistance measurement circuit

3.2 ATT7022测量电路

ATT7022是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用[2]。ATT7022 集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。ATT7022 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率 等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求[3]。详细数据定义请参考§2.4 参数输出部分。

ATT7022 支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出 CF1、CF2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正[4]。

ATT7022 提供一个SPI 接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递[5]。SPI 具体规格参见后面的详细说明。所有计量参数都可以通过 SPI 接口读出,其主电路如图图8所示。

图5 电流互感器、电压互感器电路Fig. 5 current transformer and voltage transformer circuit

图6 电流检测前置处理电路Fig. 6 current detection preprocessing circuit

图7 电压检测前置处理电路Fig. 7 voltage detection preprocessing circuit

图8 ATT7022测量电路Fig. 8 ATT7022 measurement circuit

3.3 ESP8266网络同步电路

ESP8266EX 是业内集成度最高的 Wi-Fi 芯片，ESP8266EX 高度集成了天线开关、射频、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块，仅需很少的外围电路，本项目采用ESP8266进行网络数据的同步，采用该模块，可以在微信端、手机app端、网页端查看相关的测试数据及结果。

图9 ESP8266的相关电路图Fig. 9 ESP8266 related circuit diagram

3.3 STM32主控电路

主控电路采用STM32模块，系统采用最小系统，包括了电源电路、复位电路、时钟电路等，并因为电源电压为5V；所以加入了3.3的变压电路。主控电路结构如下图10所示。

图10 STM32的主控电路图Fig. 10 STM32 main control circuit diagram

4 软件系统设计

软件工作思路：单片机进入工作状态后首先显示“1、分析；2、学习”表示按键1就是进入分析环节；按键2是进入学习环节。学习和分析的共同点在于都需要对用电器的特性进行读取、加工和存储；在分析环节因为可以选择自己给定的用电器，相对简单；只需要在某个特定的用电器打开时，能读到相关信息并分析出ID号，然后进行显示就可以；而对于学习环节，需要擦出原先保存的产品信息；再进行学习，并在内部构建存储模块；存储好相关信息，对于用电器特性的学习需要准确可靠[6]。

为理解方便，系统的软件编写采用主程序加子程序方式进行，主要包括：主程序、参数读取子程序、分析子程序、学习子程序、特性存储子程序、按键子程序、显示子程序等。

主程序：控制单片机初始化、调用按键识别程序，判断按键功能，调用ATT7022模块数据并调用显示子程序等。

分析子程序：完成ATT7022数据读取，并根据多次实验测量结果对数据进行校准、修正补偿等，利用有功功率的信息分析出组合电路。分析子程序主要的作用是分析电路的组合情况，这里，主要采用的分析思路如下：利用有功功率进行测算，因为前面已经完成了电路参数的学习，每个ID电器在工作的时候其有功功率是确定的，当电器打开后，电路中就会产生这类有功功率的消耗。

显示子程序：执行写显示数据的命令，将显示得内容进行更新。

按键子程序：完成按键识别，执行按键相应功能。

液晶显示程序实现思路如下：初始化之后判断是否忙碌?也就是是否写完了，如果没有写完等待直到写完之后再写入命令，并初始化。

图11 软件系统主程序流程图Fig. 11 main program flow chart of software system

5 测试结果及误差分析

5.1 测试方案

在通电之前，先根据硬件逻辑设计图，仔细检查线路是否连接正确，核对元器件的安装是否符合要求，检查电源和系统总线，防止短路和极性错误。加电后检查主要引脚的电位，测量电平是否正常。排除一些明显的静态故障。选取不同的用电器，测试检测装置的特性读取能力，并进行校准、显示等各种实验。本项目在制作时选用的测试仪器为杭州远方 PF310功率计，精度达到0.05%高精度[6]。

5.2 测试数据及误差分析

测试数据如表1所示。参数响应时间小于2s，用电器学习时间小于2分钟，测量精度达到1mA;范围5mA～10A，满足赛题任务要求，系统达到了低成本、低功耗、高精度和实用性的统一，并在省级比赛中获得良好成绩。

测试结果对比图如图12、13所示。图12、13反映出，本系统达到了高线性度，测量范围可达1mA～10A，本系统的测试精度在1%以内，虽然传感器的非线性、放大电路非线性、电源稳定度等影响存在，但是我们设计的电路还是满足了系统要求。

图12 显示子程序流程图Fig. 12 shows a subroutine flowchart

表1 测试数据

图12 设备0-2的参数对比图表Fig. 12 parameter comparison chart of device 0-2

图13 设备3-5的参数对比表Fig.13 device 3-5 parameter comparison table

6 结论

本系统通过两个基本单元信号采集单元和控制单元，实现电流电压实时采集到电能测量芯片ATT7022中各电参量的转换，完成数据处理、参数设置和读数等功能。通过采用电源滤波抗噪声和抗干扰、零点漂移抑制和线性化数据处理等技术，进一步提高了测量精度。

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[2] 王章宽.专变采集终端的系统硬件实现方案[J].电子世界,2016,(23):129-130.WANG Zhang-kuan. System hardware implementation of special variable acquisition terminal [J]. electronic world, 2016, (23): 129-130.

[3] 曹文娟,潘从亮.基于ATT7022B电能计量芯片的研究与应用[J].移动电源与车辆, 2013,(4):31-34.CAO Wen-juan, PAN Cong-liang. Research and application based on ATT7022B electric energy metering chip [J]. mobile power and vehicle,2013, (4): 31-34.

[4] 庞涛,陈晓燕.ATT7022及其在交流模拟量采集中的应用[J].农业网络信息,2006,(8):103-104.PANG Tao, CHEN Xiao-yan.ATT7022 and its application in the acquisition of AC analog quantity [J]. agricultural network information, 2006,(8): 103-104.

[5] 任晓莉,杨建卫.基于ARM和ATT7022B芯片的电能量采集[J].工业仪表与自动化装置, 2009,(4):69-71.REN Xiao-li, YANG Jian-wei. Electrical energy acquisition based on ARM and ATT7022B chip [J]. industrial instruments and automation devices, 2009, (4): 69-71.

[6] 刘磊,余丰,凌文韶,刘清闯,顾斌,袁迎春.简易电子秤——2016年江苏省大学生电子设计竞G题解析[J].电子测试, 2016 (21) :1-3 LIU Lei, YU Feng, LING Wen-shao, LIU Qing-chuang, GU Bin, YUAN Ying-Chun. Simple electronic scale -- 2016 Jiangsu college student electronic design competition G problem analysis [J]. electronic test, 2016 (21): 1-3.