基于STM32的单相用电器分析监测系统

张广林，吕英俊，于佩伶，刘玉亮

（山东科技大学，山东济南，250031）

0 引言

在电能使用更加普及、用电器更加多样和对电参数要求越来越高的这样一个大背景下，为了安全、节能地用电，我们急需要设计一种可以直接并入单向网络的用电器分析监测装置。用以实时监测用电器的用电参数，为更安全、节能地用电和二次开发打下基础。

1 系统结构设计

本系统以STM32单片机作为核心处理芯片，采用CT103电流互感器、DL-PT202H1电压互感器作为基本电参数采集模块、由STM32内部寄存器及扩展口功能，加上无线模块、采集模块、LCD液晶显示模块设计并制作用于分析检测单相用电器的装置，实现对用电器的类型、工作状态识别的功能。系统方案设计框图如图1所示。

图1 系统方案设计框图

2 电量采集与检测

2.1 检测电路设计

电压电流信号经过取样、滤波、AD转换后获得了处理器能够处理的数字信号,本系统采用均方根算法计算单相电路的电压U、电流I、功率P、功率因数cosφ。均方根算法：

其中：N为每周期等间隔采样次数：Uk为第k次采样值。同理，有功功率，视在功率，无功功率及功率因数分别为

其中：U(t)：t时刻电压瞬时值；I(t)：t时刻电流瞬时值；φ：电压与电流夹角(相位差)；ω:角频率；Um：电压最大值(峰值电压)；Im：电流最大值(峰值电流)

系统的检测电路框图如下图2所示，利用电压采样电路如图3所示，电流采样电路如图4所示对各个单相用电器的电压、电流进行采样，再由滤波网络稳定信号，然后经模数转换将得到所需的数字量。最后由均方根法得到我们所需要的各个特征参量的值。

2.2 特征参量设计和筛选

负载识别理论依据：用电器识别和工作状态的判断是本系统的主要功能，所以反应用电器性能特征参量的选取是至关重要的一步。反映用电器性能的参量。

图3 电压检测电路

图4 电流检测电路

主要有电压、电流、功率、频率、周期、温度等。(1)用电器有效功率可作为电器识别初步筛选的一个条件,例电水壶相较于其他几种用电器有着差别度很高的大功率值，所以根据功率可以较为快速准确地识别出来，减少了时间复杂度;(2)功率因数:如热水器等纯阻性电器的功率因数接近1，而非阻性电器的功率因数通常小于1；(3)启动电流：如电机类的电风扇等，在启动瞬间电流很大,电压很小，正常工作时，电流变得很小，电压恢复到220V。根据实际情况和实验测量数据，最终选定电压、电流、功率、频率、功率因数这五个用电器为基本的指标作为评测的特征量。

图2 检测电路框图

3 程序设计

程序设计思路及流程图：插上用电器2S中内，本系统采用电压采样电路，电流采样电路进行取样、滤波、AD转换后获得了处理器能够处理的数字信号,并将数字信号传输到下位机（核心板）采用均方根算法对数据进行处理，，得到单相电路的电压U、电流I、功率P、功率因数cosφ,频率，并将5种特征参量通过无线通信模块传输到上位机的液晶显示屏且完成分析监测其类别和工作状态。并通过软件设计完成装置的学习功能，当进入学习模式后，上位机清除缓存信息，分析电器特征量并记录储存。程序流程图如图5所示。

图5 程序设计流程图

4 测试结果

系统硬件各模块焊接、检测完毕，连线无误，逐步对各模块进行测试。进而算法测试。将AD转化的数据通过串口调试工具显示。测试一组数据如表1所示。

表1 测试数据表

5 结论

本系统具有实时指示用电器类别和状态的功能。并且可同时显示所有可识别电器的工作状态，另外，系统具有学习功能，能够在清除作品存储的所有特征参数后，在一分钟内重新测试并存储指定电器的特征参数且装置在检测模式下的工作电流不大于15mA。

参考文献

[1]赵靖.基于STM32的具有谐波分析功能的智能电表设计[D].上海交通大学,2012.

[2]肖曹志辉.高中压新型电子式电压互感器的研究与设计[D].湖南大学,2009.

[3]张洋.原子教你玩STM32-库函数版[M].北京:北京航空航天大学.2015.11.

[4]张红.电力系统常用交流采样方法比较[J].华北电力技术.1999.