一、 系统方案比较与选择

1.1 比较与选择

本系统主要由单片机 STM32F103RCT6、TFT 彩屏、ADC 采样模块，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1.1 单片机的论证与选择

方案一：STC89C52 单片机为 8 位机，价格便宜，控制简单，但是片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和现实快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。

方案二：采用 STM32F103RCT6 单片机。STM32F103RCT6 使用 ARM32 位Cortex-M3CPU，最高工作频率 72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法。适合用在对计算要求较高（时钟更高），外设更多（节省成本，加快开发速度，减小 PCB 面积），程序更复杂（更多的 RAN 和 ROM）的场合。

方案三：FPGA 运用时可以同时运行多条指令，但需要进行管脚分配，进行数据处理操作复杂且价格较高。

综合以上三种方案，由于方案二功能多易使用，且满足本设计算力，选择方案二。

1.1.2 采集电路的论证与选择

方案一：CS5463 是带有串行接口和△-∑模/数转换器，能够进行高速功率(电能)计算的高度集成电路。CS5463 可以通过使用低成本的分压电阻器或电压互感器测量电压，使用分流器或电流互感器测量电流，从而计算出有功功率，CS5463 片内还带有温度传感器，有助于提高测量精度。

方案二：采用电流互感器和 STM32RCT6 内置 ADC 模块。电流互感器可将数值较大的一次电流转换为数值较小的二次电流，电压互感器可将数值较大的一次电压转换为数值较小的二次电压，将输出量通过采集电路，利用 K60 内部的ADC 模块进行采集并转换分析。

方案三：SUI-101A 是一款互感器隔离的高精度多功能交流变送器,可实时测量交流电流、电压、有功功率、累计电量、频率、功率因数等参数，其中电流和电压的变送精度可达 0.2 级的超高精度，适合本设计需求。

综合以上三种方案，根据实际测量与运用方案三更加适合，因此选用方案三。

1.2 方案描述

本系统用变压器做电流传感器和电压传感器，分别测量负载电流电流总谐波失真度，通过两级放大电路将交流小信号放大到合适幅度，用 STM32 单片机内部 ADC 采样，读取幅值，利用 FFT 计算各次谐波幅值，求总谐波失真度。不同的电器，总谐波失真度不同，由此识别用电器类型。

二、 理论分析与计算

2.1 测量原理分析计算

   FFT 特性：周期性，对称性。

   作用：用于将一个有限长的数字信号从时间域换到频率域。

   种类：时间抽取算法，频率抽取算法。

   当我们将信号变成失真信号后，我们知道这是非线性的失真，就不可避免的会产生除了基波电压后的其他多次的谐波。我们在这里用傅里叶变换的理由是可以将电信号的各波形级数一一显示出来，如下面的公式：

n 为谐波谱线序号，i 为采样点序号，n 次谐波有效值。

当线性放大器输入的正弦信号的正弦电压 且为单频率信号，含有谐波分量的放大器输出电压为：

2.3 连续计算周期

初始化定时器的时候指定我们分频系数 psc,这里是将我们的系统时钟(72MHz)进行分频* 然后指定重装载值 arr,这个重装载值的意思就是当 我们的定时器的计数值 达到这个 arr 时,定时器就会重新装载其他值.例如当我们设置定时器为向上计数时,定时器计数的值等于 arr 之后就会被清 0 重新计数* 定时器计数的值被重装载一次被就是一个更新(Update)* 计算 Update 时间公式 Tout= ((arr+1)*(psc+1))/Tclk 公式推导详解:Tclk 是定时器时钟源,在这里就是72Mhz 我们将分配的时钟进行分频,指定分频值为 psc,就将我们的 Tclk 分了psc+1,我们定时器的最终频率就是 Tclk/(psc+1) MHz

三、 电路与程序设计

3.1 硬件电路设计

图 2 两级放大电路

如图 2 运用两枚 UA741 运算放大器组成反向比例放大器，将输入的微小电压放大，送给单片机 ADC 采集

图 3 单片机最小系统板

3.2 软件程序流程设计

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。

1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。

2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。

2、程序设计思路

图 4 程序设计流程图

四、测试方案与测试结果

4.1 测试方案

系统接入用电器，系统自动分析电量参数，识别用电器类型。与标准电能表作比较。

4.2 测试结果及分析

（1）测量数据（结果）

（2）测量分析与结论

1、根据上述测试数据，可识别 7 种电器、,包括一件最小电流电器和一件电流大于 8A 的电器，

2、综上所述，本设计达到设计基本要求。

五、参考文献：

[1]童诗白、华成英.模拟电子设计基础[M]高等教育出版社

[2]郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程[M]电子工业出版社