1.方案选择与工作原理

1.1 预期实现目标定位

本设计预计实现可以通过学习模式来记录多种用电器，同时可以识别接入的学习后的用电器的类别并显示其电流参量。

1.2 方案的比较与选择

(1)获取电流参量的方法

方案一：用电能计量芯片CS5463获取电流参量

CS5463利用低成本的分流器和电流互感器来测量电流，通过把火线穿过电能计量芯片的方法，可以方便的计算电压、电流、基波有功、谐波功率和功率因数。优点：低功耗，实时性好，精度较高。缺点：接线过多，操作不方便。

方案二：用电流互感器检测电流（分立式元件电路）

通过把火线穿过电流互感器的方法，可以把原边的大电流转换为副边的小电流，并且电流大小和原副边线圈匝数成反比。电流互感器的工作状态接近于短路状态，因此对电能的消耗量较小。优点：结构简单可靠，成本低，隔离高压，便于进行安全测量。缺点：有一定误差，不能用于高频检测。

方案三：利用模块SUI-101A

SUI-101A是高精度交流变送器，电路和彩屏连接完毕后，可以直接在彩屏上显示电压电流有效值、有功功率、功率因数、频率等参数。优点：精度较高，操作方便快捷，经比较三个方案，方案三更适合于本设计的用电器分析识别，故采用方案三。

(2)进行采集电压的方法

方案一：采用STM32F103板载的ADC

STM32各通道的ADC转换可以单次连续扫描或者间断模式执行，但是它是12位精度，不足以满足精度需求。

方案二：采用交流变送器内部的AD芯片

该芯片为24位高精度AD芯片，精确度更高。

考虑到本设计精度的需求，经比较两个方案，方案二更适合于本设计的用电器分析识别，故采用方案二。

(3)利用OP07获取电流参量时的接法

方案一：无源采样（电阻采样），电路图如图1所示。优点：线路简单，精度较高。缺点：输出电压有一定限制，负载电阻越大，角差越大，精度越差。

方案二：有源采样（运放采样），电路图如图2所示。优点：精度高，相位差小，输出电压高，负载能力强，且用于相位补偿的电容和电阻可省略连接，通过软件方式实现电路的简化。缺点：线路复杂。

综合考虑两种方法的性价比，方案二更适合于本设计，故采用方案二。

图1 无源接法

图2 有源接法

1.3 方案设计

本装置采用高精度交流变送器SUI-101A，并利用其内部的高精度AD芯片进行模数转换（A/D），数字信号传入单片机进行数据处理及控制，然后通过显示屏显示具体的各电流参量。

图3 系统流程图

2.核心部件电路设计

2.1 核心部件

(1)高精度交流变送器

高精度交流变送器通过互感器将测量电源和工作电源隔离，将火线、零线分别接入交流电输入、输出端口并且利用5V直流电源供电后，再将单片机相应端口与变送器相连，以实现串口通信。同时彩屏接口外接配套彩屏，从而可以较准确地显示电压电流有效值、有功功率、功率因数、频率等参数。

(2)16位模数转换器ADS1118

ADS1118是一款精密、低功耗的16位模数转化器，它集成了可编程增益放大器(PGA)、电压基准、振荡器和高精度温度传感器。这些功能以及2V至5.5V的宽电源电压范围，使得ADS1118非常适合功率受限和空间受限的传感器测量应用。

图4 ADC原理图

2.2 电路设计

(1)电流互感检测电路及运放采用电路

电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器，用来进行保护、测量等用途。它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈

阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，适用于放大本题电流互感器输出的微弱电流。电路图见图2，相关参数确定如下：

①最大有效值电压由采样回路的AD峰值电压确定，对单极性电压AD，互感器的最大有效值电压：

②采样电阻R的确定：

(2)自制电器电路图

自制电器电路由电阻、电容、二极管组成，电流与二号电器相同但相位不同，因此在电路中加入并联补偿电容器（移相电容器），它并联在线路上，提高线路功率因数，本题选用的电容大小是1uF。且自制电器含有谐波，故在电路中加入整流二极管。在电路输出端接入万用表，调整电阻R2、R4的阻值使其示数与二号电器电流差值小于1mA。经过多次调试

合适阻值如下所示：

图3 自制电器电路原理图

2.3 特征参量分析与筛选

（1）电流：因为各用电器的电流波形存在相位差，电流的大小不可直接线性叠加，在多用电器同时接入时，难以作为有效的标准。

（2）有功功率：是视在功率的余弦，该参量既包含了电流的有效值，同时也可以反映出相位对于电流的影响，故本设计选择有功功率作为特征参量。

（3）频率：各用电器的频率均为50Hz左右，不具有区分的意义。

（4）功率因数（相位余弦）：有功功率已经体现出相位的影响，功率因数即为有功功率和视在功率的比值。

（5）电能：是一个随时间而累计的参量，具有累加性，不适合作为瞬时判断用电器类别的特征参量。

3.系统软件设计分析

3.1 系统总体工作流程

本设计可实现分析模式和学习模式。在学习模式下，先进行电压采样和进制转换，并将结果显示在TFT屏上，然后进行USART通信，对单用电器的电流进行FFT变换，并存储用电器的电流参量，随后判断是否学习完毕，若未学习完毕则从电压采样的步骤开始循环，若学习完毕则模式运行结束。在分析模式下，先对插座干路电流进行FFT变换，TFT屏将显示

0~5阶幅度变量，之后计算欧式距离并与上一次计算的欧式距离比较，保留最小值，然后记录欧式距离最小的原数据值和其代表的用电器类别，将记录的内容显示在TFT屏上。

图4 系统总体工作流程图

3.2 主要模块程序设计

见附件

3.3关键模块程序清单

见附件。

4.竞赛工作环境条件

4.1 设计分析软件环境

Windows10，Multisim，Keil5等。

4.2 仪器设备硬件平台

万用表、稳压电源、示波器等。

4.3 配套加工安装条件

电烙铁、镊子、剥线钳等。

5.作品成效总结分析

5.1 系统测试性能指标

频率为50Hz

（1）基本功能测量情况

表1 电器电流测量值

表2 单个电器测量及识别情况

注：相位差α与功率因数PF的关系是：PF=cosα

表3 多个电器随机增减时的电器识别情况

数模（A / D）转换得到二进制代码，经过单片机控制响应时间不大于2s，及识别代码从而识别用电器类型。通过显示器直接显示电源线上的电流、有功功率、相位等参量，电器的种类及其工作状态，随机增加用电器可以实时指示用电器的类别和工作状态。

（2）发挥部分测量情况

学习功能：本设计可以在按下复位键之后清除数组内存，实现清零功能，再对指定电器的电流电参量进行学习，并再次存储进数组内存。

无线传输情况：对比串口屏和TFT屏，在此方案中，二者发挥功能差异小，但使用TFT屏装置工作电流为13mA，不需无线传输，实现装置显示一体化。

5.2 成效得失对比分析

本作品能够实现通过学习模式记录多种用电器，同时可以通过测量互感电流的幅度、频率和谐波成分来识别接入的已学习的用电器种类并显示该用电器是否在用以及其电流参量。系统结构简洁直观，测试方便。系统的不足之处是测量精度不够高，多个用电器接入并处于工作状态时有小概率识别错误。

5.3 创新特色总结展望

系统很好的完成了任务目标，实现了较好的分析识别和数据显示功能，在接入多种电流参量相近的用电器的情况下仍能较好的识别用电器类型，完成任务目标。展望：系统还可以进一步提高识别用电器的速度，同时提高多个用电器尤其是大功率和小功率用电器同时接入并处于工作状态时识别用电器类型的准确度。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006年.

[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京：高等教育出版社，2006年.

[3]杨百军.轻松玩转STM32Cube.北京：电子工业出版社，2017.

[4]周心源.用电器分析监测装置.南京：河海大学，2018.