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解析家庭用电器电能监测装置的实际应用

2020-02-13 448 上传者：管理员

摘要：本设计以STM32F103为控制芯片，采用电压、电流互感器和电能测量芯片CS5463来实现对单相用电器的信号采集和数据分析。并采用了基于Gibbs采样的机器学习算法，对陌生用电器进行了特征参数的提取和记忆，从而实时精确识别出了用电器的类型。配合按键和12864液晶屏显示，可简单直观地观察用电器的电能参数，操控界面切换工作模式，实现了对单相用电器的分析和监测功能。

关键词：
CS5463
STM32单片机
用电器分析
电能参数
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改革开放以来，我国家用电器行业发展迅速，产量和品种不断增加，极大地满足和丰富了广大消费者需求。近年来，功耗大，质量差的产品更是层出不穷，风起云涌，这也使得家用电器的安全监测方面的重要性日益突出。泄漏电流测试是小家电产品质量检测中的重要环节之一，是衡量小家电产品绝缘性能以及电气安全性能的重要指标。凡是漏电检测不合格的小家电产品，在正常工作状态下其外壳表面一旦与人体接触，很容易产生触电危险。现阶段，我国小家电生产企业往往对泄漏电流安全检测项目没有予以足够的重视，再加上专业知识、技术能力等原因的欠缺，导致小家电产品电流安全检测方面存在严重缺陷，具体实施过程中仍然存在较多困难，因此有必要对小家电产品电流安全监测进行探讨。

对用电器监测的方式有两种，分别是非入侵式负荷监测和入侵式负荷监测。非侵入式负荷监测只需要在电力供给的入口处安装监测设备就可以对整个系统内部的负荷进行监测。相较于传统的侵入式负荷监测方法，非入侵式负荷监测不需要大量的检测设备，同时节省了购买、安装和维护这些硬件设备所需要的金钱和时间，还可以进行能源监测，故障监测，故障分析等多种类型的电能质量控制分析。

设计是基于非入侵式负荷监测的用电器电能监测分析装置，很好的解决了关于用电数据这块的问题，使用户可以随时的了解家用电器的用电量、功率，以及通过这些数据了解家用电器的健康状况。

1、系统设计方案

本系统主要由电流互感模块、单相电电能参数测量模块、电参数采集模块、按键、液晶12684构成。

电流互感器的一次侧直接与用电器电能相连，二次测与电参数测量模块相连，电流互感器将高电流按比例转化成低电流供测量芯片测量。使用STM32F103对电参数进行采集，通过液晶显示出来。可用按键切换学习模式和监测模式，在学习模式下可对用电器的类型和电参数进行读取保存并显示，监测模式下可识别出已学习的用电器并将其电能特性参数显示出来，形成了良好的分析监测环境。

1.1 硬件电路设计

硬件电路设计主要是由互感器、测量芯片、单片机组成，将大电流大电压通过互感器转化后送给CS4563，CS4563测量出用电器的特征参数后送给单片机采集。

1.2 互感器电路设计

电力系统为了传输电能，往往采用交流电压、大电流回路把电力送往用户。为了测量用电器的参数，我们使用ZMCT103C电子微型交流电流互感器和精密微型电压互感器ZMPT101B，对电流电压进行处理。ZMCT103系列和ZMPT101系列互感器，具有体积小，精度高，一致性好，电压隔离能力强等优点，变比为1000：1，用于电压、电流与功率的精确测量。经实验所选用互感器在10KHz以下无明显衰减，不会对电信号50次内谐波成分有影响。电压互感器和电流互感器的结构图如图1和图2所示。

图1 电压互感器结构图

图2 电流互感器结构图

1.3 CS5463测量电路设计

CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压，电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率，用于研制开发单相、2线或3线电表。CS5463提供了数字校准。用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行那种校准。对于电压和电流通道，都有AC和DC校准。电压和电流测量：数字滤波器输出字是基于DC偏移量调整和增益校准（看系统校准部份）。校准后测量的瞬时电压，电流是有效的。RMS值是利用最近的N（N值放在周期计数寄存器中）个瞬态电压／电流采样值计算，这些值可从Vrms和Irms寄存器中读出。

功率测量：瞬态电压／电流的采样数据相乘，得到瞬时功率。N个瞬时功率平均计算出有功功率的值用来驱动电能脉冲E1输出。电能输出E2是可选的，可指示电能方向，也可输出与视在功率成正比的脉冲。电能输出E3提供一个与无功功率或视在功率成正比的脉冲输出。E3还能表示为电压通道的电压符号，或作为PFMON比较器输出。CS5463的原理图如图3所示。

图3 CS5463原理图

电流、电压信号经调理电路后直接输入CS5463集成芯片中。从信号的采集到存储、滤波调理、运算，全部由芯片自动完成，MCU通过对CS5463进行操作，即可方便地完成要求参数的测量。这样大大地减轻了单片机的负担，从而可以节省出指令周期来完成一些其他的更加实用的功能。而且外部的调理可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。因此我们选用集成芯片CS5463作为我们的测量芯片。

1.4 主控芯片的选取

方案一：采用AT89S52CMOS8位微控制器AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。它提供下列标准特征：8K字节的程序存储器，256字节的RAM，32条I／O线，2个16位定时器／计数器，一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口，片上震荡器和时钟电路。但其寻址空间有限，指令效率有限，除法运算速度慢，片内的Flash和SRAM少，时钟效率过低。

方案二：采用STM32F10332位微控制器STM32F103系列微处理器是首款基于ARMv7-M体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器，提供很高的代码效率，在通常8位和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能。该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM，具有丰富的通用I／O端口。STM32F103的运算速度是51单片机的几十倍，同时还具有内存大，引脚资源丰富，片上外设多等优点。

综合以上考虑，本设计采用TI公司STM32F10332位微控制器，作为系统设计的控制器。

2、软件设计

系统控制流程图如图4所示。STM32单片机每隔一段时间读取CS5463采集的电源线上电参数数据，计算出电压值、电流值、有功功率值、功率因数，根据采集到的数据进行电器种类和状态。

图4 系统控制流程图

3、测试方式及数据

所需要的测试设备：万用表、常规家电用电器（台灯、吹风机、风扇等等）。

3.1 测试方法

(1)首先接上不同用电器后，观察显示器能否正确显示用电器的种类和状态。(2)测量数据，接入220V电压并取不同电流值接入采集模块后，CS5463测量得到数据，以此计算出电压、电流、有功功率等电能参数。

3.2 测试数据

在市电220V条件下，接入不同用电器后，各用电器关键特征参数如表1所示。通过实验测试数据，系统可以正确的识别用电器的工作状态，并且在大电流用电器工作时，能正确识别小电流用电器的工作状态。

4、结论

本文设计的家庭用电器电能监测装置，可对接入系统的单相用电器进行学习、识别和监测，选用的CS5463电能计量芯片，可精确的测量瞬时电压和瞬时电流，实时地计算出用电器的电能参数并显示在液晶屏上。在此基础上可选用价格低廉的互感器，降低了成本，并且系统稳定性很好，对于大电流用电器也能进行稳定的学习与识别。本系统通过对用电器电能数据的监测可知用电器的用电情况和质量安全状况，响应了节约用电的号召，也帮助了人们实现高质量的生活需求，可在家庭、公司、学校等地投入使用，是当下的热潮，具有很强的实用性。

参考文献：

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