【风采汇】+2017国赛非侵入式负荷检测装置（国一）

非侵入式负荷检测装置

本装置通过软硬件的结合，实现对插座用电器开关状态的分析监测。通过电压和电流互感器结合电参数测量芯片CS5463，测量插座电源上的电流，电压，功率，功率因素等信息。主控芯片STM32F407VET6将5种用电器一共32种组合的有功功率，无功功率送入到存储芯片AT24C02中完成学习功能，同时建立含有32项数据的功率组合表。通过求取电源线上有功功率，无功功率与功率数据组合表中功率的欧氏距离，寻找最短距离的项来识别用电器的开关状态，结果可以显示在HMI串口屏上，也可通过蓝牙透传模块发送到便携式终端。

该装置具备以下功能：

1。监测功能：插座上的用电器的开关状态可以被随机调整，用电器的开关状态和电源线上的电参数信息可以被实时指示，响应时间不超过5s。可识别的电器不低于5件，单相用电器的电流范围为 0.05A – 10.0A，用电器的范围可以是电饭锅、LED节能灯、带负载的USB 充电器、无线路由器、机顶盒、电风扇、取暖器、电吹风、电磁炉等单相用电器[2]。

2。学习功能：装置存储的所有特征参数全部清除，重新测试并存储指定用电器的电特征参数，每次学习时间不大于10s。

3.插座上用电器的开关状态和电源上的电参数信息可以无线传输到便携式终端，系统的功耗尽可能降低。

方案：选取区分度大的有功功率与无功功率来作为用电器识别的电参数特征，把有功功率作为横轴，无功功率作为纵轴，建立笛卡尔坐标系。5种用电器对应32种开关状态，对应坐标系上32个样本点。求取电源线上测量的有功功率，无功功率与各个样本有功功率，无功功率的欧式距离，寻找其最小距离所对应的样本，从而完成匹配识别功能。此种方案优点是识别速度快，对主控的计算要求低，对存储芯片的要求也低，代码简洁，即使再增加电参数特征，如电流有效值，功率因素，对主控的计算能力和系统的存储能力的要求也不会很高。缺点是只能识别功率可以长时间保持稳定的用电器，学习时需要存储所有开关状态的功率信息，学习时间长。使用数字电表芯片CS5463结合电压和电流互感器测量电参数。该电表芯片有两路ADC，支持1000:1的动态范围，将经过互感器的信号送入CS5463后，便可自动采样计算，CS5463通过SPI接口与微控制器交互，微控制器访问内部寄存器读出电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率等电器参数。此种方案硬件简单，测量准确且稳定性好。

硬件设计

系统硬件结构如图1所示，由电源模块，电压互感器，电流互感器，CS5463电参数采集芯片，HC-05主从一体蓝牙透传模块，AT24C02存储芯片，STM32F407核心板组成。

图 1 系统框架图

软件设计

系统软件总体框图如图11所示，学习程序负责将功率数据写入存储芯片，监测程序进行状态匹配与结果显示，恢复出厂程序将出厂样本信息写入存储芯片。

图 11 软件框架图

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wangkai123

LV.1

2019-09-26 15:44

1 电参数采集模块

电参数采集模块由电压互感器，电流互感器和电能计量芯片组成。其中，电压互感器，电流互感器将电源线上的电压电流转换成小电压信号送入CS5463电能计量芯片测量。

电压互感器：如图2所示使用ZMPT101K 2mA/2mA精密电流型电压互感器。

图 2 电压互感器原理图

电流互感器：如图3所示使用CT203 10A/10mA精密电流互感器，变压比1000:1，额定输入电流10A，额定输出电流10mA。

图 3 电流互感器原理图

CS5463：CS5463可以应用在家庭用户的电能测量中，它价格低廉、测量精确、安装方便。在1000:1的的动态范围内，线性度可达0.1%。功耗非常低，小于12mW。该集成芯片可精确测量瞬间电流和电压，并由此计算出瞬时功率、电流有效值、电压有效值、有功功率、视在功率、无功功率、基波功率、谐波功率、功率因数以及电压频率。CS5463的内部结构如图4所示，经过电阻分压或者电压互感器的到的小电压信号送入VIN+和VIN-引脚两端，经过10倍放大，再通过二阶 Δ － Σ 调制器数模转化来得到二进制数据[3]。经过低成本分流电阻或电流互感器相连可的到的小电压信号送入IN+和IN-引脚两端，经过10倍或50倍放大，再通过二阶 Δ － Σ 调制器模数转化来得到二进制数据。然后对数据进行低通滤波，滤除高频噪音。该芯片可以选择加入高通滤波器通路，去除信号的的直流成分。任意一个通道中的高通滤波器如果不用，则这通道将启动全通滤波器，电压和电流的信号之间的相位关系不被改变。电压有效值和电流有效值是利用最近的 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。瞬时功率是通过瞬时电压和瞬时电流的数据相乘得到，视在功率是通过电压有效值和电流有效值相乘得到，N个瞬时功率平均计算出有功功率的值，功率因素是有功功率与视在功率的比值。

图 4 CS5463内部结构图

CS5463 集成有一个简单的三线串行接口( SPI) ，包括同步时钟 SCLK 和两条数据线SDI、SDO，可以方便的与外界设备进行交流。该接口主要通过三根线以及SPI传输协议进行数据传输，通过访问内部寄存器读取数据，CS5463内部寄存器都是 24 位,电压，电流，功率数据以24位补码形式存储。

电参数采集模块原理图如下图5所示，VIN+,VIN-,IN+,IN-引脚与电压互感器，电流互感器的输出端串联接入470欧姆电阻，并且每个通道放入了三个瓷片电容，他们的目的有两个，一是限流，保护引脚不被烧坏。二是电阻电容构成RC低通滤波器，滤除信号中的高频噪声，提高测量结果的精确度。在每个电源引脚下都并联瓷片电容，滤除电源中的干扰毛刺，保证CS5463电能计量芯片稳定工作。XIN，XOUT接入4.096M晶振，为电能芯片提供时钟信号。

图 5 电参数采集模块图

电源网-璐璐

LV.10

2019-09-26 17:41

@wangkai123

1电参数采集模块电参数采集模块由电压互感器，电流互感器和电能计量芯片组成。其中，电压互感器，电流互感器将电源线上的电压电流转换成小电压信号送入CS5463电能计量芯片测量。电压互感器：如图2所示使用ZMPT101K2mA/2mA精密电流型电压互感器。[图片] 图2电压互感器原理图电流互感器：如图3所示使用CT20310A/10mA精密电流互感器，变压比1000:1，额定输入电流10A，额定输出电流10mA。[图片] 图3电流互感器原理图CS5463：CS5463可以应用在家庭用户的电能测量中，它价格低廉、测量精确、安装方便。在1000:1的的动态范围内，线性度可达0.1%。功耗非常低，小于12mW。该集成芯片可精确测量瞬间电流和电压，并由此计算出瞬时功率、电流有效值、电压有效值、有功功率、视在功率、无功功率、基波功率、谐波功率、功率因数以及电压频率。CS5463的内部结构如图4所示，经过电阻分压或者电压互感器的到的小电压信号送入VIN+和VIN-引脚两端，经过10倍放大，再通过二阶Δ－Σ调制器数模转化来得到二进制数据[3]。经过低成本分流电阻或电流互感器相连可的到的小电压信号送入IN+和IN-引脚两端，经过10倍或50倍放大，再通过二阶Δ－Σ调制器模数转化来得到二进制数据。然后对数据进行低通滤波，滤除高频噪音。该芯片可以选择加入高通滤波器通路，去除信号的的直流成分。任意一个通道中的高通滤波器如果不用，则这通道将启动全通滤波器，电压和电流的信号之间的相位关系不被改变。电压有效值和电流有效值是利用最近的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。瞬时功率是通过瞬时电压和瞬时电流的数据相乘得到，视在功率是通过电压有效值和电流有效值相乘得到，N个瞬时功率平均计算出有功功率的值，功率因素是有功功率与视在功率的比值。[图片] 图4CS5463内部结构图CS5463集成有一个简单的三线串行接口(SPI)，包括同步时钟SCLK和两条数据线SDI、SDO，可以方便的与外界设备进行交流。该接口主要通过三根线以及SPI传输协议进行数据传输，通过访问内部寄存器读取数据，CS5463内部寄存器都是24位,电压，电流，功率数据以24位补码形式存储。电参数采集模块原理图如下图5所示，VIN+,VIN-,IN+,IN-引脚与电压互感器，电流互感器的输出端串联接入470欧姆电阻，并且每个通道放入了三个瓷片电容，他们的目的有两个，一是限流，保护引脚不被烧坏。二是电阻电容构成RC低通滤波器，滤除信号中的高频噪声，提高测量结果的精确度。在每个电源引脚下都并联瓷片电容，滤除电源中的干扰毛刺，保证CS5463电能计量芯片稳定工作。XIN，XOUT接入4.096M晶振，为电能芯片提供时钟信号。[图片] 图5电参数采集模块图

期待后续更新

wangkai123

LV.1

2019-10-08 15:13

@wangkai123

主控模块

主控模块使用了STM32F407VET6核心板，在电路中涉及到的引脚及作用：VDD：电源正端输入，接3.3V；GND：电源地端；PD0/OSCIN、PD1/OSCOUT: 接的是晶振；NRST: 复位电路；D0：接CS5463上SCLK；引脚D1：接CS5463上SDI引脚；D4：接CS5463上CS引脚；D5：接CS5463RST引脚; 引脚A9、A10：接蓝牙模块TX，RX端；引脚A2、A3：接HMI串口屏TX，RX端；引脚B8、B9：接AT24C02的SCL，SDA端。

STM32F407VET6芯片特点是：使用了高性能ARM的CortexM4 32位内核，可以在1.8V~3.6V电压下工作，工作频率高达168兆赫。芯片内部包含12KB FLASH，4KB SRAM的存储空间，包含3路12位AD，2路12位DA，含有SPI，IIC,USART等接口，含有两个用于电机控制的PWM定时器、两个通用32位定时器。真随机数发生器（RNG）。同时它的引脚可以实现复用，功能齐全，使用方便。

正是由于里面有丰富的外设配置，超强的信号运算能力，相对低廉的价钱，较低的功耗，丰富的开发工具，使得STM32单片机经常应用于智能家居、医疗电子、汽车电子、工业设备。STM32F407完全满足了装置的计算要求，功耗要求。

数据存储模块

如图6所示，AT24C02是一个CMOS E2PROM，可以存储256个字节，可以工作在2.7V至7V宽电压范围内，具有100万次擦写周期，掉电不丢失数据，数据保存可达100年，结构简单，可靠便宜。使用数据传送协议I2C与单片机通信，考虑到本装置最大支持5种用电器，共32种状态组合，每种组合包括有功功率，无功功率共八个字节数据，一共256个字节，AT24C02完全满足了存储的要求。

图六

电源模块

如图7所示，系统供电使用了HLK-PM01开关电源220V转5V模块，在100-240V宽输入电压下，稳定输出5V电压，最大提供1A输出电流，满载效率>=70%,如果在输出端并联10微法电解电容，0.1微法瓷片电容，输出纹波小于等于50mv，可以可靠的对此装置供电。

图七

wangkai123

LV.1

2019-10-08 15:18

@wangkai123

如图8所示，STM32F407核心板搭载了AMS1117-3.3，将5V转化成3.3v，输入输出两端并联了滤波电容，降低了纹波，可靠的向芯片供电。

图八

无线通信模块

如图9所示，无线通信模块使用HC-05主从一体化蓝牙透传模块，此模块既可当主机也可当从机，配对以后当全双工串口使用，无需了解复杂的蓝牙通信协议，它的通信格式是固定的，数据位8位，停止位1位，没有奇偶校验位。配对之前，只需使用简单AT指示对蓝牙名称，串口波特率，密钥进行设置，设置好的参数掉电保存，蓝牙链接以后自动切换成透传模式，通过单片机以固定的波特率向串口发送数据，在10米的范围内，便可直接发给其它蓝牙接收设备。使用简单，功耗较低。

图九

显示模块

显示模块使用HMI串口屏，HMI是Human Machine Interface的缩写，即人机界面，是系统和用户进行交互的媒介。这种显示屏如图10所示可以通过自带开发工具USART HMI开发GUI，并可以可通过微控制器的串口发送数据对控件上的参数进行修改，通过发送不同的指示实现不同的功能，任何具备串口的微控制器都可以流畅运行。通过模拟器运行，在电脑上观察模拟串口的输入输出，以及控件值的变化，这无疑大大加快了电子工程师的开发效率。

此装置具体使用了陶金池2.4寸USART HMI串口触摸屏。具体来说，有以下特点：

1.使用字符串指示，例如t0.txt=“南京晓庄学院”，字符串指示比十六进制指示更方便开发，代码简单易读，从而提升开发速率。

2.数据结构简洁，使用字符串指示+结束符的数据格式。

3.产品使用“C语言”风格指示。

4.控件属性赋值支持简易运算，比如运算方式可以这么写：j0.val=j0.val+10。

5.具有触控功能，人机交互方便。

6.屏幕固件自动升级，功能可以随厂家的更新而增加。