一、系统方案

1.1、系统的概述

本系统主要由用电器分析监测模块、数据采集模块、主控模块、电源模块组成。其中，用电器分析监测装置模块中通过STM32单片机控制工作模式设置、用电器类别及状态分析、结果显示等，主回路模块用于将监测装置的取电和监测隔离。系统主框架如图1、图2所示。

我们采用分析用电器频率响应的方法作为区分不同电器的一个度量。在学习模式下，记录并存储不同电器插电后瞬间信号的频谱，从而在分析监测模式下，通过比较待测电器插电后信号的频谱与已记录的各电器的频谱，识别出电器种类等。FFT算法通过蝶形运算将DFT从4N² 次实数乘法及 次实数加法精简至log₂次复数乘法和次复数加法，故可借助FFT算法

快速分析信号的频谱。此方法借助频谱，容易区别出较多电器设备。不同的电器具有不同的工作功率、工作电流等电气特征，可以通过比较这些特征将不同的电器设备加以区别。将频谱分析和电气特征进行结合，分别赋予频谱和电气特征这两个因素以一定的权重，最终量化出待测电器与已经记录的电器的相似度。此方法在分析监测上较为全面综合，误判率低，识别数量多。

1.2、单片机的论证与选择

方案一:选择用MSP430F247作为主控制核心板。MSP430具有处理能力强、运算速度快、超低功耗等特点，配置有两个内置16位定时器，一个快速12位模数（A/D）转换器，但是12位采样对于10A来说分辨率仅有2.44mA难以完成题目要求，精度不够。而且运行速度较慢，故不用此方案。

方案二:选择用STM32作为主控制核心板。STM32具有自身高性能、低成本、低硬件功耗的特点，且运行速度快，队员对芯片熟悉度更高，容易操作。

通过比较我们选择方案二。

1.3、电参数测量芯片的论证与选择

方案一：采用ADE7755芯片

ADE7755适用于各种单相交流配电控制系统，是一种高度准确的电能自动测量的集成电路。它可同时提供输电线上的瞬时和平均有功功率，不仅对ADC用模拟电路而且基准源也同样使用模拟电路，但是，对除ADC和基准源外的信号仅使用数字电路。但是，对外界温度的变化敏感度低。

方案二：采用AD7606芯片

AD7606它不仅可以使用低功耗成本的稳压分流器或可变电流电压互感器来直接测量输出电流,并可以用分流稳压整流电阻或可变电压电流互感器来直接测量交流电压,具有与其他微控制器进行通讯的双向控制串口,其控制芯片的输入脉冲量和输出能量频率与其所有功率的能量频率成正比。具有方便的片上应用AC/DC系统校准操作功能。

通过比较我们选择方案二。

1.4、系统电路的论证与选择

方案一:利用辅助电源供电给隔离电路，接口电路将接收到的220V家用电进行降压，再由AD模块进行交流信号采样和处理传送数据给单片机，同时反馈数据由单片机定时器中断调控AD采样频率，确定其精度能符合题目要求，但因为家用交流电220V直接的接入，危险系数高，不易操作。故不采用此方案。

方案二:采用电流电压互感器对220V交流电压和电流进行降压和降流，自制一个符合题目要求的电路板，再安装上准备好的电流和电压互感器，使其电路能对220V的家用交流电进行降压处理，AD模块采样降压后的交流电压信号数据能保持在一个周期内,通过STM32存储采样到的不同电器的交流信号数值，而且电流互感器能使电路维持额定电流，安全系数更高。

通过比较我们选择方案二。

二、分析与论证

2.1、AD收集模块的分析与论证

题目要求之一是用电器的电流范围为5到50mA的可识别的电器工作状态数不低于5，该装置用STM32F103为主控芯片，其内置12位AD转换器的测量精度为10A/4096=2.5mA若要满足题目要求，难度很大。故采用扩展采样芯片AD7606,16位高精度数模转换器，其16位AD转换器的测量精度为10A/65536=0.15mA，且其采样频率为200KHz，故将

AD7606作为扩展采样芯片接在单片机上，测量才比较精确。

2.2、检测电路模块的分析

检测电路中采用三个电流互感器串联的形式，使测量的电流能分档位，利于提高整个电路中对负载接入时电流测量的精度，能更准确的录入测量不同电器后的数据。

2.3、电气分析与论证

(1)采用AD7606芯片可测量电器的功率、电流等电气特征值，从而区分各电器。由于该芯片对输入电压有限制，因此需要先通过电压互感器将220V市电转换为5V电压，再经调理，将电压减小为150mV以内。最后单片机通过SPI读取AD7606计量出的数据。

(2）借助FFT分析电流信号频谱可区分电器,可让电流流过1欧姆的大功率电阻，从而将电流信号转换为电压信号。由于原始电流过大，不能直接用于分析，需要先经电流互感器减小电流，再过1欧姆的大功率电阻转换为电压信号。由于不同电器的电流相差较大，为精确起见，对于转换后相对小的电压信号，采用仪表将其放大，相对大的信号无需进行放大。

2.4、FFT相关计算

离散傅里叶变换DFT满足下式，可依据该式将AD转换后的x(n)变换至频域X(k)。

根据奈奎斯特采样定理，采样频率应满足f_s≥2f_H=2x50Hz=100Hz。理论上一个周期采样点数为谐波最高次数的2倍。综合考虑，我们选取采样点数为N=256。

三、电路与程序设计

3.1、电路的设计

（1）电参数测量模块。该模块采集负载的电压和电流，通过高精度A/D转换器测量出负载的电压值、电流值、有功功率和功率因数等特性参数，以数字量的形式发送到主控模块中，并保存在单片机存储器当中，原理图如图3。

图3

（2）STM32单片机系统电路设计（如图4）

图4

（3）一号负载的设计电路（如图5）

图5

3.2、程序的设计

(1)通过按键进入学习模式,在该模式下，首先将不同电器的信号经AD转换后的256点序列x(n)存入数组，利用FFT的蝶形算法和式1进行傅里叶变换，得出变换后的频谱X(k)，将其记录，再记录电感互感器和霍尔电流传感器得出的功率、电流等电气特征值，将这些已记录的频谱和电气特征值作为模板库。

(2)插上用电器后，对待测电器进行频谱分析和功率、电流等电气值的测量，将结果加权，与已记录的模板进行对比，从而判别出电器类别。

(3）实时显示电器的种类、工作状态、参量。

(4)当接收到按键的中断后，清除已存储的所有特征参数。

程序流程图如图6、图7、图8

四、测试方案与测试结果 

4.1、测试方案

在学习模式下，将每个所需要的用电器逐个进行插入读取不同电器的状态和类别数据；然后按照题目的要求，在检测模式下，逐个完成题目所示的要求。

4.2、测试条件与仪器

测试条件：注意总电流和负载电流的连接，总电流不要超出量程，注意安全

测试仪器：高精度的毫安电流表，模拟示波器，数字示波器，指针式万用表，多种不同状态的负载用电器

4.3、测试结果

用电器编号	1	2	3	4	5	6	7
电流（mA）	15.9	15.9	23.9	37.2	50.8	178.7	8500
电压值（V）	232	232	233	232	232	232	221
功率（W）	3.22	0.57	0.68	8.43	0.69	41.4	1717
功率因数	0.8659	0.1565	0.1240	0.9771	0.0587	0.9991	1

编号从1到7的用电器依次为：

1： 用电阻、电容、二极管自制的用电器；

2:  功率为0.5W的小夜灯；

3： 功率为0.6W的小夜灯；

4： 功率为8W的用电器

5： 功率为0.7W的LED灯；

6:  功率为40W的白炽灯；

7： 功率为 1700W的电热水壶

显示值表示的是控制电路并发送信号的AD7606芯片实时采集量，显示电流值为每个用电器的工作电流。测试过程中，插上用电器后能够显示该用电器的各项数据，拔掉用电器时，被拔用电器显示为无，其他用电器数据不变。

4.4、测试结论

按照设计好的电路，能完成题目中的部分要求，在大功率和小功率的用电器上能较好的区本类别和状态，但因为用电器的不同状态测量的特征参数可能比较接近，所以使得测量的结果存在一定的误差，而且同时将一个大功率的与一个小功率同时接入电路时，更难以区分出这个小功率电器，因为变化不是太明显。正常执行学习与识别功能，且一号自制负载满

足与剩下其中一个负载电流大小相同，但是相位不同，产生谐波。

五、总结

本次的全国大学生电子设计大赛，不仅考验了我们对于电参数测量芯片的使用能力，还考验了我们的程序设计能力，机械组装能力等。在电参数测量模块中，我们对比两种芯片，根据分辨率与精度，选择更为贴合贴和题目的AD7606；因为采样回来的数据只有电流值与功率因数两个值，无法很好地区分开每个用电器和用电器组合，于是我们采用分析用电器

频率响应的方法作为区分不同电器的一个度量。四天三夜的备战过程中，实验室里不分白天黑夜，灯火通明。我们认识到了自身的缺点，不管是硬件部分还是软件部分都有着很多的不足，也学会了如何在团队合作中寻找适合自己的定位以及明白了团队协作的重要性。各个团队成员之间分工合作，发现问题，解决问题，共同进步。过程虽然辛苦，但我们受益匪浅。