全国一等奖，H题：用电器分析识别装置

大家好，我是张巧龙，今天继续给大家带来电赛题目：用电器分析识别装置。

01 

视频展示

02 

方案设计

2.1  系统总体方案

通过对赛题的仔细分析研究，实现此设计有以下几点需要注意：

1）用电器分析识别装置由220VAC市电供电，而单片机供电为3.3VDC直流电压。因此要给单片机供电，需要把220VAC市电经AC—DC变换后，再进行DC—DC降压，得到我们想要的电压。且整个装置的工作电流要小于15mA，需要对装置功耗有所考虑。

2）实时显示特征参数的响应速度要快，因此要求单片机对数据的处理速度要快。

3）电流电压信号检测需要精度高，功耗较低的芯片。

4）要通过无线传输把数据传输到手机上显示，可以用蓝牙模块进行数据传输。

经过上述分析，将系统分为5个基本模块，包括主控模块、电源模块、电流电压信号检测模块、蓝牙模块、显示模块。

系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统整体方案框图

2.2  电参数测量方案

采用INA114精密仪表放大器和SUI-101A电能采集模块组合使用，INA114是一种通用仪用放大器，尺寸小、精度高、价格低廉，和电流互感器配合使用，可测量相位。

只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值，内部输入保护能够长期耐受±40V，失调电压低（50μV），漂移小（0.25μV/℃），5V单电源系统，静态电流最大为3mA。

SUI-101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、功率因素等参数，提供标准通信接口（TTL异步串口），可选的标准协议（Modbus协议）及自定义协议。

其中电流和电压的变送精度可达0.2级的超高精度。采用全隔离采集方案，实现高低压完全隔离。

通信接口采用3.3VTTL异步串行接口，同时兼容5V的TTL接口。支持自定义简易协议和Modbus双协议自动识别，也可以自动输出。

03 

理论分析与计算

3.1 理论分析与计算

如图2所示，电参数检测模块是采用电流型电压互感器和电流互感器将高压大功率端和低压信号处理端完美隔离，通过采样电阻后将采集到的电压和电流值接入HLW8032。

PF和TX直接接入到CPU的输入端，通过公计算出电压有效值、电压流效值和有功功率值的大小。

图2 电参数检测模块

电压有效值计算：

电压系数：根据以上电路图中左侧电压采集电路，电流型电压互感器一次侧为R8=150k电阻，则一次侧电流为Vin/R8，二次侧电流等于一次侧电流，VP = Vin/R8 × R7；故电压系数 = Vin/(Vp * 100) = R8/(R7 * 1000) = 3.006

电流有效值计算：

电流系数∶根据以上电路图中右侧电流采集电路，电流互感器一次侧电流Iin，互感器匝数比为N=1000:1，二次侧电流等于Iin/N，IP - IN = Iin /N * R10；

故：

3.2  傅里叶变换公式采集信号的分析计算

我们想过了许多方案，想过从各种电信号特征的不同作为突破口，最后确定利用FFT-傅里叶变换求出信号中的谐波从而来做识别电器的主要特性。

首先我们要了解傅里叶变换：傅立叶变换，表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合。

在不同的研究领域，傅立叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。最初傅立叶分析是作为热过程的解析分析的工具被提出的。

如果单单只通过人为去利用傅里叶变换公式计算可想而知计算量是何其的庞大了，所以我们在本次设计为了更加方便的利用傅里叶去求解出信号谐波，我们运用了AD7606模块的8个数据通道，通过DMA存入PS DDR，再通FFT对8个通道的数据进行FFT傅里叶变换。这样通过单片机去求解就变得简单得多了。

理论要与实践相结合的。单片机虽然让傅里叶公式的计算一步到位，但是没有主要的公式支撑，那也不过是得出错误的结果。

本次设计一部分傅里叶变换公式的计算：

如果是周期为T的连续信号，且满足Dirichlet条件，可展成傅里叶级数：

3.3  其他参数计算

04 

程序设计

4.1  软件基本结构

软件程序由信号采集和数据处理两部分组成，顶层的控制部STM32F103VCT6单片机作为核心，采用C语言编程，执行效率高，通过ADC7606与电能模块对电能进行数据采集；

数据处理通过快速傅立叶变换程序，将采集到的电流波形进行变换与运算，可以得到电流的谐波与相位，然后通过电流、电压、阻抗、谐波参量、相位等参数对电器进行识别。

程序流程图

4.2 快速傅里叶变换分析

快速傅里叶变换,即利用计算机计算离散傅里叶变换（DFT)的高效、快速计算方法的统称。有限长序列可以通过离散傅里叶变换(DFT）将其频域也离散化成有限长序列。

但其计算量太大，很难实时地处理问题，因此引出了快速傅里叶变换(FFT). FFT的基本思想是把原始的N点序列，依次分解成一系列的短序列。

充分利用DFT计算式中指数因子 所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的DFT并进行适当组合，达到删除重复计算，减少乘法运算和简化结构的目的。

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的蝶形算法进行傅里叶变换，得出变换的频谱X（k），将其记录。

FFT流程图

05 

最后

由于篇幅有限，过多的细节在此不放了，本篇H题的设计报告以及代码，都已经放到知识星球了，星球的朋友们可以直接获取下载链接。

之前有关公众号上的所有项目以及21年电赛题目代码方案也会同步到知识星球。

顺带着推荐下知识星球，之前发了朋友圈想做个付费平台，至于为什么要做?

1. 答疑。

很多朋友都在微信上给我留言咨询一些问题，一般我都会回复，但看到一些朋友提问表达的方式：

我想学单片机该从哪里下手？

我想参加比赛，该如何学习？

我想转行硬件，但软件也不想丢，该咋办？

这些问题太大了，真的无法回答。

其次，很多都是重复性的问题，反复回答，真的累死人。

大家可能不知道我微信总共加了多少人，三个微信号，共1.6w人。可想而知，光回答问题我每天的工作量都很大了。

这也就导致为什么很多消息回复不及时，我也有自己的工作，不可能时时刻刻守着微信给大家回消息。

也正因为回复消息不及时，许多朋友会觉得我不礼貌，直接就删除好友，我也哭笑不得。

这就可以引出第二点：沉淀知识。

2. 与微信群相比，更容易沉淀知识

知识星球会更容易用来做知识沉淀，有问答、打卡、作业、文件、图片等功能。

微信群的缺点大家都知道，信息容易遗漏、分享的文件容易失效，无法积累。知识星球则弥补了这些缺点。而且微信群、QQ群加入的人形形色色，发广告的，闲聊的，乱七八糟的一大堆。

知识星球对比微信社群的好处是，它更像一个社区，每天更新的内容更容易沉淀且搜索，且价值度更高。

。。。。。。

3. 搭建一个圈子。

想做一个电子相关的圈子，付费加入的朋友，肯定都是想来提升自己，付费之后肯定会更珍惜，并且更注重知识方便的学习。

希望能在圈子里让更多的球友建立联系，内推、招聘、工作经验分享，对于学生，学校保研、比赛、等等。

同时也会邀请一些大厂的工程师、高校老师、优秀的学长学姐加入星球。

。。。

还有一些后面再说，星球刚上线，现在价格199元/年，未毕业的学生，提供学信网截图，99元/年，因为精力有限，可以维护的人数也是有限的，所以不会开放太多人。

价格贵？也就一两毛一天。

不贵？也需要199块钱。

就看大家如何去看待。

-END-

大家好，我是张巧龙，今天继续给大家带来电赛题目：用电器分析识别装置。

01 

视频展示

02 

方案设计

2.1  系统总体方案

通过对赛题的仔细分析研究，实现此设计有以下几点需要注意：

1）用电器分析识别装置由220VAC市电供电，而单片机供电为3.3VDC直流电压。因此要给单片机供电，需要把220VAC市电经AC—DC变换后，再进行DC—DC降压，得到我们想要的电压。且整个装置的工作电流要小于15mA，需要对装置功耗有所考虑。

2）实时显示特征参数的响应速度要快，因此要求单片机对数据的处理速度要快。

3）电流电压信号检测需要精度高，功耗较低的芯片。

4）要通过无线传输把数据传输到手机上显示，可以用蓝牙模块进行数据传输。

经过上述分析，将系统分为5个基本模块，包括主控模块、电源模块、电流电压信号检测模块、蓝牙模块、显示模块。

系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统整体方案框图

2.2  电参数测量方案

采用INA114精密仪表放大器和SUI-101A电能采集模块组合使用，INA114是一种通用仪用放大器，尺寸小、精度高、价格低廉，和电流互感器配合使用，可测量相位。

只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值，内部输入保护能够长期耐受±40V，失调电压低（50μV），漂移小（0.25μV/℃），5V单电源系统，静态电流最大为3mA。

SUI-101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、功率因素等参数，提供标准通信接口（TTL异步串口），可选的标准协议（Modbus协议）及自定义协议。

其中电流和电压的变送精度可达0.2级的超高精度。采用全隔离采集方案，实现高低压完全隔离。

通信接口采用3.3VTTL异步串行接口，同时兼容5V的TTL接口。支持自定义简易协议和Modbus双协议自动识别，也可以自动输出。

03 

理论分析与计算

3.1 理论分析与计算

如图2所示，电参数检测模块是采用电流型电压互感器和电流互感器将高压大功率端和低压信号处理端完美隔离，通过采样电阻后将采集到的电压和电流值接入HLW8032。

PF和TX直接接入到CPU的输入端，通过公计算出电压有效值、电压流效值和有功功率值的大小。

图2 电参数检测模块

电压有效值计算：

电压系数：根据以上电路图中左侧电压采集电路，电流型电压互感器一次侧为R8=150k电阻，则一次侧电流为Vin/R8，二次侧电流等于一次侧电流，VP = Vin/R8 × R7；故电压系数 = Vin/(Vp * 100) = R8/(R7 * 1000) = 3.006

电流有效值计算：

电流系数∶根据以上电路图中右侧电流采集电路，电流互感器一次侧电流Iin，互感器匝数比为N=1000:1，二次侧电流等于Iin/N，IP - IN = Iin /N * R10；

故：

3.2  傅里叶变换公式采集信号的分析计算

我们想过了许多方案，想过从各种电信号特征的不同作为突破口，最后确定利用FFT-傅里叶变换求出信号中的谐波从而来做识别电器的主要特性。

首先我们要了解傅里叶变换：傅立叶变换，表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合。

在不同的研究领域，傅立叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。最初傅立叶分析是作为热过程的解析分析的工具被提出的。

如果单单只通过人为去利用傅里叶变换公式计算可想而知计算量是何其的庞大了，所以我们在本次设计为了更加方便的利用傅里叶去求解出信号谐波，我们运用了AD7606模块的8个数据通道，通过DMA存入PS DDR，再通FFT对8个通道的数据进行FFT傅里叶变换。这样通过单片机去求解就变得简单得多了。

理论要与实践相结合的。单片机虽然让傅里叶公式的计算一步到位，但是没有主要的公式支撑，那也不过是得出错误的结果。

本次设计一部分傅里叶变换公式的计算：

如果是周期为T的连续信号，且满足Dirichlet条件，可展成傅里叶级数：

3.3  其他参数计算

04 

程序设计

4.1  软件基本结构

软件程序由信号采集和数据处理两部分组成，顶层的控制部STM32F103VCT6单片机作为核心，采用C语言编程，执行效率高，通过ADC7606与电能模块对电能进行数据采集；

数据处理通过快速傅立叶变换程序，将采集到的电流波形进行变换与运算，可以得到电流的谐波与相位，然后通过电流、电压、阻抗、谐波参量、相位等参数对电器进行识别。

程序流程图

4.2 快速傅里叶变换分析

快速傅里叶变换,即利用计算机计算离散傅里叶变换（DFT)的高效、快速计算方法的统称。有限长序列可以通过离散傅里叶变换(DFT）将其频域也离散化成有限长序列。

但其计算量太大，很难实时地处理问题，因此引出了快速傅里叶变换(FFT). FFT的基本思想是把原始的N点序列，依次分解成一系列的短序列。

充分利用DFT计算式中指数因子 所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的DFT并进行适当组合，达到删除重复计算，减少乘法运算和简化结构的目的。

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的蝶形算法进行傅里叶变换，得出变换的频谱X（k），将其记录。

FFT流程图

05 

最后

由于篇幅有限，过多的细节在此不放了，本篇H题的设计报告以及代码，都已经放到知识星球了，星球的朋友们可以直接获取下载链接。

之前有关公众号上的所有项目以及21年电赛题目代码方案也会同步到知识星球。

顺带着推荐下知识星球，之前发了朋友圈想做个付费平台，至于为什么要做?

1. 答疑。

很多朋友都在微信上给我留言咨询一些问题，一般我都会回复，但看到一些朋友提问表达的方式：

我想学单片机该从哪里下手？

我想参加比赛，该如何学习？

我想转行硬件，但软件也不想丢，该咋办？

这些问题太大了，真的无法回答。

其次，很多都是重复性的问题，反复回答，真的累死人。

大家可能不知道我微信总共加了多少人，三个微信号，共1.6w人。可想而知，光回答问题我每天的工作量都很大了。

这也就导致为什么很多消息回复不及时，我也有自己的工作，不可能时时刻刻守着微信给大家回消息。

也正因为回复消息不及时，许多朋友会觉得我不礼貌，直接就删除好友，我也哭笑不得。

这就可以引出第二点：沉淀知识。

2. 与微信群相比，更容易沉淀知识

知识星球会更容易用来做知识沉淀，有问答、打卡、作业、文件、图片等功能。

微信群的缺点大家都知道，信息容易遗漏、分享的文件容易失效，无法积累。知识星球则弥补了这些缺点。而且微信群、QQ群加入的人形形色色，发广告的，闲聊的，乱七八糟的一大堆。

知识星球对比微信社群的好处是，它更像一个社区，每天更新的内容更容易沉淀且搜索，且价值度更高。

。。。。。。

3. 搭建一个圈子。

想做一个电子相关的圈子，付费加入的朋友，肯定都是想来提升自己，付费之后肯定会更珍惜，并且更注重知识方便的学习。

希望能在圈子里让更多的球友建立联系，内推、招聘、工作经验分享，对于学生，学校保研、比赛、等等。

同时也会邀请一些大厂的工程师、高校老师、优秀的学长学姐加入星球。

。。。

还有一些后面再说，星球刚上线，现在价格199元/年，未毕业的学生，提供学信网截图，99元/年，因为精力有限，可以维护的人数也是有限的，所以不会开放太多人。

价格贵？也就一两毛一天。

不贵？也需要199块钱。

就看大家如何去看待。

-END-