摘  要：本系统（用电器分析识别装置）是一个根据电源线电流的电参量信息（幅值、相位、谐波）来分析在用电器类别和工作状态的装置。该装置可以实时显示电流范围为0 .005A～10.0A 的用电器的工作状态并显示电源线上电流的有效值、相位、谐波以及用电器的功率。装置采用STM32F407单片机作为整个系统的主控模块，对电源线上的多项数据进行分析识别。利用电流电压互感处理成可稳定输入的交流信号，经由UAF42滤波器滤除高次谐波，再传输给电能芯片ADE7763得出电源线参数，ADS8688使用FFT变换求出十次谐波，两者转换为数字信号并发送给单片机，最后由单片机处理数据并显示到屏幕，并且可以通过ESP32 Wi-Fi模块传送到手机APP上实时显示。

关键词：单相用电器；互感器；FFT；电参数测量；ESP32

1. 设计方案工作原理

1.1预期实现目标定位

本次电赛中，我们预期设计一个根据电源线电流的电参量信息和用电器的特征参量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，实时显示可识别电器是否在用和电源线上电流的有效值、相位以及用电器的功率，响应时间不大于2s。

1.2 方案比较与选择

（1）主控模块

主控模块采用STM32F407ZGT6单片机

（2） 电流数据采集方案

方案一：电流互感器电阻采样

电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，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，即I₁/I₂=N₂/N₁ . 电流互感器的工作状态接近短路，对电能消耗较小。电阻采样法是指将电流信号转换为电压信号， A/D转换模块采样，此方法原理简单且可操作性强，但电流测量不稳定。

方案二：采用电能计量芯片ADE7763

ADE7763配备专有ADC和固定功能DSP，可在变化较大的环境条件下长期保持高精度特性。可执行有功和视在功率测量、线路电压周期测量以及电压和电流通道均方根值的计算。

方案三：使用FFT算法

对电流互感器二次侧的电流信号采样后使用FFT算法，测出电流的波形，波形上的谐波，电流的相位等特征参量。该方法测量精度较高，实现难度较大，测量大电器时采集到的波形不够稳定。

综上所述，我们把电能计量芯片ADE7763与FFT算法相结合，这样无论是对于精度的要求还是后续算法的实现更为有利，因此选择方案二三。

（3）无线模块

方案一：ESP32 Wi-Fi模块

ESP32模块是ESP8266的升级版本。除了Wi-Fi模块，该模块还包含蓝牙4.0模双核CPU工作频率为80至240 MHz，包含两个Wi-Fi和蓝牙模块以及各种输入和输出引脚，可在Arduino软件上安装ESP32使用APP与单片机进行数据的传输。该模块性能优异，传输稳定，但成本较大，学习难度较高。

方案二：Hc05蓝牙模块

HC-05蓝牙串口通信模块是使用最广泛的蓝牙模块之一，连接到微控制器的串行端口，允许微控制器通过蓝牙连接与其他设备通信。模块本身可以在主模式和从模式下运行，并且可以用于各种应用，例如，智能家居应用，远程控制，数据记录应用，机器人，监控系统等。该模块使用简单，操作方便，但传输数据限制较大，无法传输图像信息。

综上所述，为了数据的准确性和稳定性，采用ESP32 Wi-Fi模块是最好的选择，因此选择方案一。

（4）ADC模块

方案一：使用STM32自带的ADC模块，STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。多达19个复用通道，可以测量来自16个外部源、2个内部源和Vbat通道的信号。这些通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。缺点是无法对负电压进行采样

方案二：使用ADS8688模块。ADS8688是8通道集成数据采集系统，它们基于 16 位逐次逼近 (SAR) 模数转换器（ADC），支持自动和手动两种扫描模式的4通道和8通道多路复用器（MUX），以及低温度漂移的片上4.096V基准电压。

综上所述，电信号具有负电压，为了电路更加简洁，数据更加准确，我们采用ADS8688模块，故采用方案二。

（5）滤波模块

方案一：无源滤波器。无源滤波器又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻旁路。缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，在低频段范围不适用。

方案二：UAF42滤波器。UAF42芯片一款有源滤波器芯片，可由单芯片实现低通，高通，带通滤波器，可选其一进行输出，并可通过改变电路中滑变阻值，轻松调节其滤波器中心频率，Q值，通带增益等，也可方便实现Butterworth、Bessel、Chebyshev1等款式滤波器。

综上所述，电信号处于低频段，适用UAF42滤波器采用低通模式，故采用方案二。

1.3 总体方案设计

电源线上的220V交流电经过电流互感器与电压互感器后变成可稳定输入的交流信号，，经由UAF42滤波器滤除高次谐波，再传输给电能芯片ADE7763得出电源线参数，ADS8688使用FFT变换求出十次谐波，两者转换为数字信号并发送给单片机，最后由单片机处理数据并显示到屏幕，并且可以通过ESP32 Wi-Fi模块传送到手机APP上实时显示。能达到理想的数值结果。系统框图如图1所示：

图 1 总体方案设计

2. 核心部件电路设计

2.1关键器件原理分析

（1）电流，电压互感器

电流互感器（1000:1）工作原理: 当互感器初级输入大的交流电流时，互感器次级按固定比例感应出一个小的交流电流，然后在互感器次级端并联采样电阻或接运放采样,将交流电流转换成交流电压信号再输入给后续负载电路进行测量或保护，从而实现了从大电流到小电流的隔离与转换测量。

电压互感器（2mA：2mA）工作原理: 在闭合的铁芯上，绕有两个不同匝数、相互绝缘的绕组，接入电源侧的是一次绕组N1，输出侧是二次绕组N2。 当一次绕组加有电压时，绕组就会有交流电流通过，铁芯中就会产生与电源频率相同的交变磁通1，由于一次绕组和二次绕组在一个铁芯上，根据电磁感应定律，在二次绕组会产生频率相同到数值不同的感应电动势E2

（2） 信号处理电路

ADE7763配备专有ADC和固定功能DSP，可在变化较大的环境条件下长期保持高精度特性。ADE7763引脚如图2所示，芯片内置两个二阶16位Σ-Δ型ADC、一个数字积分器（在通道1上）、基准电压源电路、一个温度传感器及所有必需的信号处理电路，可执行有功和视在功率测量、线路电压周期测量以及电压和电流通道均方根值的计算。可选片内数字积分器可以直接与罗氏线圈等di/dt电流传感器接口，因而无需外部模拟积分器，并且可提供出色的长期稳定性以及电流和电压通道之间的精密相位匹配。

图 2 ADE7763引脚图

（3） 自制电器电路分析 

采用如图3所示电路自制电器，电源线电流有效值为10mA

图 3 自制电器电路图

（4）正负5V电压转换电路

为了降低装置电流，放弃使用电压源，转而使用正负5V电压转换电路将单片机上的5V转换为-5V给装置供电。

图 4 电压转换电路

2.2 系统电路设计

（1）总体框图

系统总体框图如图4所示，其中ESP32 Wi-Fi模块由电源适配器接220VAC市电供电。A1、A2测试点分别用于测量装置电流和在用电器电流。

图 5系统总体框图

（2）信号采样与信息处理电路

电源线上的220V交流电经过电流互感器与电压互感器后变成可稳定输入的交流信号，再由芯片ADE7763与ADS8688实现数模转换功能，电路框图如图5所示

图 6信号采样与信息处理电路框图

3. 系统软件设计分析

3.1程序流程图

 

图 7 程序流程图

3.2 程序功能描述与设计思路

软件部分主要实现算法部分和对TFT屏与ESP32 Wi-Fi模块的数据传输。

设计思路为不断采集数据并定义多个参数，将前后采集的数据不断对比，通过判断前后差值是否大于正常电路中该参数的波动幅度，来确定该用电器的工作状态，并输出其状态和参数。通过判断电源线参数的大小来确定开启用电器的数目。

 4、竞赛工作环境条件

4.1设计分析软件环境

keil uvision5 ：STM32开发平台；

Altium Designer：PCB电路板设计；

Multisim：数字电路设计。

Android studio：手机app设计

4.2仪器设备硬件平台

UT230A-II功率计量插座     1台

世维十孔独立开关插座       1个

用电器                          7个

4.3实验测试环境条件

室内温度8℃；室内相对湿度47%；环境气压101.3kPA。

5、作品成效分析总结

5.1测试方案

按照整个系统搭建硬件电路，使用七孔独立开关插排插上用电器，用UT230A-II功率计量插座对电源线的参数进行测量分析。

使用Altium Designer绘制电路原理图，并使用Multisim软件进行电力路仿真测试，再将测试结果与实际电路进行对比，并记录结果。

5.2 测试结果及分析 （1）基础功能测量

识别功能：单个用电器测试

装置电流：14mA

表 1 单个用电器测试数据

负载情况	计量电流	电流值	相位	有功功率	判断情况	响应时间
自制电器	10mA	10mA	3°	2.26W	用电器1	2秒内
灯带	10mA	10mA	14°	2.08W	用电器2	2秒内
电动牙刷	17mA	18mA	65°	1.67W	用电器3	2秒内
灯管	42mA	41mA	47°	5.97W	用电器5	2秒内
灯泡	49mA	49mA	52°	6.68W	用电器4	2秒内
吹风机	585mA	593mA	34°	104.3W	用电器6	2秒内
取暖器	8343mA	8392mA	5.5°	1773W	用电器7	2秒内

识别功能：多个用电器测试数据

装置电流：14mA

表 2多个用电器测试数据

负载情况	计量电流	电流值	相位	有功功率	判断情况	响应时间
自制电器 灯带	20mA	20mA	9°	4.39W	用电器1用电器2	2秒内
灯带 电动牙刷	24mA	23mA	43.82°	23.78W	用电器2 用电器3	2秒内
灯带 自制电器 电动牙刷	32mA	31mA	31.93°	6.04W	用电器1 用电器2 用电器3	2秒内
灯带 大灯泡 电动牙刷	65mA	69mA	45.52°	10.41W	用电器2 用电器3 用电器4	2秒内

（2）发挥部分测试

①学习功能

先清除存储的参量，再拿一个电器进行学习，可成功储存并在识别模式下识别用电器。

②低功耗

经计量计测试，装置电流为14mA达到题目要求15mA以下。

③无线传输

手机App可控制按键，按下则可显示可识别电器是否在用和电源线上电流的有效值、相位以及用电器的功率。无线传输性能良好，符合要求。

④谐波显示

本装置提供电流信号的十次谐波显示功能，测量结果符合预期。

（3）系统测试性能指标

本系统成功通过STM32主控芯片设计并制作出用电器分析识别装置，并通过WiFi模块将信息传输到Android移动端上，做到了低误差，低延迟，低功耗（12mA），符合题目要求。

本系统设计能较为准确地检测电源线的电流有效值，相位，谐波和用电器的功率，在屏幕上实时显示并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，实时显示可识别电器是否在用和电源线上电流的特征参量。

（4）成效得失对比分析

本系统较为完整地完成了基础设计要求以及部分发挥要求，锻炼了小组使用单片机整合数据以及分析算法的能力。但七孔插座对本系统精度有一定影响，因为插座在空载时有一定电流，致使测试精度降低。

参考文献

[1] 郭业才.模拟电子技术（第二版）清华大学出版社2018 年7 月

[2] 张宏群.数字电子技术基础.清华大学出版社2014 年1 月

[3]梅政,官文亮,冯万晗,李刚.基于ADE7763的单相用电器检测装置设计[J].电脑迷,2018(11):25.

[4]左自强,成烨,冯军强.用电能计量芯片ADE7763测量功率因数[J].电工技术杂志,2004(11):93-96.

附 录

重要程序段清单

主函数为不同模式下判断电器函数的调用，以及不断更新串口屏数据指令。

判断用电器状态函数，将七个用电器与7位二进制数对应，用循环取余法对每个用电器状态进行判断，计算当前功率和已知电器功率进行对比，在误差范围内即可判断用电器数据。

学习模式数据存储