一、系统方案
1.1 系统的概述
由电源线电流的电参量信息分析在用电器类别的装置。该装置具有学习和分析识别两种工作模式。在学习模式下，测试并存储用于识别各单件 电器的特征参量；在分析识别模式下，实时指示在用电器的类别。
图 1.1 装置框图
基本要求：
- 电器电流范围 5mA ~10.0A，可包括但不限于以下电器：LED 灯泡和 220V 灯带、节能灯管、USB 充电器（带负载）、无线路由器、机顶盒、电风扇、热水壶、 电磁炉。
- 自定可识别的电器种类，总数不低于 7，用序号表示。电流不大于 50mA 的电器数不低于 5，包括一件自制电器，编号为 1~5；编号为 7 的电器电流大于 8A。
- 随机增减在用电器，实时显示可识别电器是否在用和电源线上电流的特征 独立开关 7 孔以上插排 220VAC 市电输入 A2 图 1 分析识别装置框图 A1 用电器分析 识别装置 工频 电流互感器 H- 2 / 2 参量，响应时间不大于 2s。特征参量的种类、性质自定。
- 用电阻，电容和二极管自制 1 号电器，其电流与 2 号电器相同但相位不同， 且含有谐波，两者电流差小于 1mA。
1.2采集方案的比较与选择
方案一：串电阻检测电流 可以选择一个 0.5欧的精密电阻，连接到电路中用差分放大电路采集电阻的电压差，对电压差放大求出电流，这种做法可以实现测电流但是误差比较大。 优点：电路结构清晰，成本低，实时性好，精度较高。 缺点：温漂较大，测量误差较大，无隔离效果，量程较大时，需要分多个挡来处理结果，容易受地的干扰。
方案二：霍尔电流传感器测量电流 输入为电流输出为电压，测量结果精度和线性度都比较高，测量范围有一定的限制。 使用 ACS712 芯片电路比较简单，测量的电流范围较大。相比于 ACS712 电路比较简单， MAX471 不用外加电源供电，但是电流测量范围只在 0~3A。该电流测量范围不符合监测基本要求。
方案三：利用一个互感模块，采用单片机控制，并利用一块高精度的24位ADC芯片，可以测量电流，功率，使得测量值精度很高，实测在0.1mA左右。综合考虑，决定利用方案三。
1.3主控模块
该模块在接收到电参数信息后，通过合适的算法判断接入系统电器的种类和工作状态。
方案一：采用STC89C51
STC89C51单片机是一种拥有普通系统常用的编程(SP)特性,且耗电少功能多的八位微控制器,用PC端的自带控制程序,就能够把使用的程序代码编辑到单片机的内部,将不用再购买通用的程序,而且,速度更快,但是它本身只有一个串口,不符合接收与发送两个串口的要求。
方案二:采用STM32单片机
STM32具有自身高性能、低成本低硬件功耗的三大特点它的应用程序自身具有很多模块化的工作特点,其运行接口相对简单自身也是带有好多串口功能所以程序工作运行速度特别快并且自身具有两个串口符合程序设计中的要求综合比较上诉方案,我们选择方案二用于本设计。
二、软件
2.1程序功能
根据设计要求,软件部分要实现以下功能
(1)学习模式下对检测到的电参数进行判断,判断用户是否使用用电器,并将结果存储
(2)用电器分析检测模式下,可以准确指示电器的种类和所用电器所处的正常工作环境状态。
(3)LCD显示屏上能够实时准确的显示出家用电器的工作运行状态和交流电源线上的交流电压信号等各种特征参数。
2.2参数分析
图 2.1.a 电参数之间的关系
有功功率：
无功功率：
视在功率：
功率因数：
图 2.1.b 容性负载和感性负载
感性负载降低功率因数，容性负载提升功率因数
2.3编程思路
图 2.2.a 容性负载和感性负载
各个数量的用电器组合的数量大小（不重复）
以5个用电器为例-特征表
图 2.2.b 容性负载和感性负载
此表在模式切换的时候就建立，然后进行识别的时候，等待采样然后进行表格遍历。
下面提供一种查表的思路：
图 2.2.c 容性负载和感性负载
优势点在于识别快，准确度相对较高，具备一定的抗干扰能力。
另外一种思路是利用机器学习的方法，我们尝试利用用电器的特征值作为数据集，然后利用K210来进行训练模型。但发现采样速度较慢，数据集质量偏低 。
三、 测试结果
3.1测试结果
表 3.1
结果分析由表 4.1 可知，纯电阻用电器的功率因数大，也即有功功率高；电网是有波动的，会影响判决；应从多维角度判断，单一的电参数会误判；互感器在小电流小电压的情况下会引入相位误差，从而引起测量误差。
四、总结
通过这次比赛，我们认识到了自身的缺点，不管是硬件部分还是软件部分都有着很多的不足，也学会了如何在团队合作中寻找适合自己的定位以及明白了团队协作的重要性。通过与队友的齐心协力，我们最终完成了这一作品。在此次的比赛中，让我们收益匪浅，这将是我们人生中一次永恒难忘的记忆。另附一张成品图：
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sunxindoujiao高同学