一、系统方案
本系统主要由 AT89C51 单片机、SUI-101A 交流电能计量模块、LCD12864 显示屏组成，下面将通过描述、比较优缺点来论证选择这套方案的原因。
1、方案的比较与论述
1.1 控制器选用
单片机比较
方案一：采用以 STM32 系列单片机
功能强大、结构复杂、内存较大、外围接口丰富。
方案二：采用以增强型 80C51 内核的 STC 系列单片机
功能比较基础、程序逻辑简单、应用广泛。
综上所述，51 较为轻巧 ，STM32 功能强大。 其次 51 作为入门单片机，程序逻辑简单清晰，利于移植和二次开发。
因此，我们选择方案二。
1.2 控制系统方案选择
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：非侵入式负载监测
单相用电器分析监测装置是一种具有电表基本功能，可实现对单相用电器实时分析监测的装置。因此可根据不同种类用电器特征参量值(负载稳态电流、负载电压和谐波功率等)不完全相同的特点，实现这种检测方法。
方案四：测量负载的瞬态特征
本方案可以通过测量负载的瞬态特征来对种类繁多的电器进行分类，但不同的用电器数据和样本数据的匹配度较难把握，同时对测量元件的要求较高。
优点：可有效解决用电器识别精度不高，识别时间长，学习过程繁琐的问题，同时用电器电路出现异常时可对其进行保护，防止火灾的发生。
缺点：设计思路较难，对测试元件的要求较高。
方案五：电流互感器检测电流
理想电流互感器两侧的额定电流大小和它们的绕组匝数成反比。并且常数为 K。K=I1/I2=N1/N2电流互感器的一次电流取决于一次性电路的电压和阻抗。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，寿命较长，便于维护。价格较低。
缺点：不能用于高频检测，但可用于市区电检测。
综合以上五种方案，选择方案五。
2、方案描述
通过电压互感器对用电器的电压、频谱两个参量进行检测，通过电流互感器对电流值进行检测，再综合电压、电流互感器得出用电器的功率因数。将检测到的模拟信号传递到 SUI-101A 交流电能计量模块中进行模拟到数字信号的转换，再将转换后的数字信号传输到 AT89C51 单片机中进行数据的存储、识别、分析和处理。具体处理时应先通过公式从所得的电压参数中得出RMS和相位两个特征参量（例如：变压器进行取样），从频谱的变化中得出特征频率和幅度，再通过计算从测得的电流值中得到相位。
见附录 1：图一 工作流程图
二、特征参量
1、特征参量的筛选
家用电器的特征参数主要有：电压、电流、功率、频率、周期、温度等。
1.1 有效功率：
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，减少了复杂程度，也提高了效率;
1.2 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;
1.3 瞬间电流、瞬间电压：
启动电流，如电机类的电风扇等,在启动瞬间电流很大，瞬间电压很小。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最基本的指标作为评测的特征量。
2、特征参量的设计
2.1 设计要求及思路
设计要求：电路电流范围 5mA—10.0A。
设计思路：由互感器测量电流值（运用 K=I1/I2=N2/N1），运用整流电路将交流电转化为直流电，再采用大规模集成电路 SUI-101A 交流电能计量模块实现数模（A / D）转换,把模拟量信号转换成对应的数字量信号。数字信号传入单片机进行数据处理，然后通过显示屏显示具体的电压值和电流值及各电性参数。
2.2 参量设计
所使用的互感器的匝数比为 I1/I2=N2/N1=850/10。半波整流电路由于二极管的单向导电作用,使流过负载电阻的电流为脉动电流,电压也为一单向脉动电压,其电压的平均值（输出直流分量）为
流过负载的平均电流为
流过二极管 D 的平均电流（即正向电流）为
加在二极管两端的最高反向电压为
由于传入 SUI-101A 交流电能计量模块的基准电压 UREF＝5V，因此利用电阻降压到5V。
输出电压公式
其中：UIN 为输出电压；UREF 为基准电压；D 为输出二进制代码对应的十进制数，该路模拟电压转换为 8 位二进制代码。
三、电路与程序设计
1、电路的设计
1.1 系统总体框图
系统总体框图如图 1 所示，用电器的电流经过互感器，进入 SUI-101A 交流电能计量模块中进行数模转换，将数字传入单片机分析处理后通过显示屏显示。
见附录 1：图二系统总体框图
1.2 检测电路的设计
当一次绕组中有电流 1 I 通过时，一次绕组的磁动势 11 产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势 2E。如果二次绕接有负载，那么二次绕组中就有电流 2I 通过，有电流就有磁动势，所以二次绕组中由磁动势 2 2I 产生磁通，这个磁通绝大部分也是经过铁芯而闭合。因此铁芯中的磁通是由一、二次绕组的磁动势共同产生的合成磁通为主磁通。根据磁动势平衡原理可以得到I1N1+I2N2=I10N1
I10N1——励磁动势。
电流互感器两侧的额定电流大小和它们的绕组匝数成反比。并且常数为 K。K=I1/I2=N2/N1
运用电流互感器检测电路中的电流、功率和电能大小。
见附录 1：图三 检测电路
1.3 检测整流电路
互感器将一次系统的高电压，大电流变换为二次测的低电压（标准值），小电流（标准值），使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，并降低了对二次设备的绝缘要求。
采用整流电路具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电整流成为单向的脉动电，再用滤波器将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。在自动测量和控制系统中，利用滤波电路进行模拟信号的处理，用于数据传送，抑制干扰。利用电阻对直流电进行降压，稳压得到理想的直流电。
选用 SUI-101A 交流电能计量模块，单片机 AT89C51。
见附录 1：图四 整流检测电路
1.4 数模转换电路原理图
见附录 1：图五 数模（A/D）转换电路图
2、程序的设计
2.1 程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示器的显示。
1）键盘实现功能：学习功能和分析识别功能间的切换、七种用电器间的切换。
2）显示部分：显示用电器类型、电压值、电流值、学习/分析识别模式。
2.2 程序流程图
1）主程序流程图 见附录 1：图六 主程序流程图
2）特征参量子程序流程图 见附录 1：图七 特征参量子程序流程图
3）判断电器是否存在的程序流程图 见附录 1：图八 判断电器是否存在的程序 流程图
四、测试方案与测试结果
1、测试方案
1.1 硬件测试
通过高精度的数字毫伏表、示波器、万用表，先检测各用电器的特征参数。再将分析识别装置与排插相连，将用电器插入排插，打开分析识别装置，记录数据。
1.2 软件仿真测试
见附录 1：图九 软件仿真测试结果
2、测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
3、测试结果及分析
3.1 测试数据
测量列表:频率为 5.5KHZ
存在测量误差：由于使用不同的测量电器其内阻不同。因此所得到的电压值范围有所偏移。
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 2，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特征参数，电器的种类及其工作状态。
随机增加用电器（电风扇，USB 充电器（带负载）和热水壶同时使用），可以实时指示用电器的类别和工作状态。
用电阻自制一件最小电流的用电器，可以识别的最小电流值为 0.001mA。
综上所述，本设计达到设计要求。
五、参考文献
[1]谭浩强.C 语言程序设计[M].北京：清华大学出版社,2012.
[2]袁泽宇，杨念零.基于 WiFi 的远程单相用电器分析监测装置[J].中国战略新兴产业，2018（20）：125.
[3]郑兴远，李跃伟.基于芯片 ECH1209 的单相用电器分析监测装置设计[J].科技经济市场，2018（04）：25-26.
[4]张洁，胡丹妮.一种单相用电器分析监测装置设计[J].电工技术，20021（14）：120-121.
附录 1：
图六 主程序流程图 图七 特征参量子程序流程图 图八 判断电器是否存在的程序流程图
图九 软件仿真测试结果
附录 2：源程序
见附件
你影如风浮心头
南昌大学高同学