鑽石舞台

大家好，我是張巧龍，今天繼續給大家帶來電賽題目：用電器分析識別裝置。

2.1系統總體方案

通過對賽題的仔細分析研究，實現此設計有以下幾點需要注意：

1）用電器分析識別裝置由220VAC市電供電，而單片機供電為3.3VDC直流電壓。因此要給單片機供電，需要把220VAC市電經AC—DC變換後，再進行DC—DC降壓，得到我們想要的電壓。且整個裝置的工作電流要小於15mA，需要對裝置功耗有所考慮。

2）實時顯示特徵參數的響應速度要快，因此要求單片機對數據的處理速度要快。

3）電流電壓信號檢測需要精度高，功耗較低的芯片。

4）要通過無線傳輸把數據傳輸到手機上顯示，可以用藍牙模塊進行數據傳輸。

經過上述分析，將系統分為5個基本模塊，包括主控模塊、電源模塊、電流電壓信號檢測模塊、藍牙模塊、顯示模塊。

系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1系統整體方案框圖

2.2 電參數測量方案

採用INA114精密儀表放大器和SUI-101A電能採集模塊組合使用，INA114是一種通用儀用放大器，尺寸小、精度高、價格低廉，和電流互感器配合使用，可測量相位。

只需一個外部電阻就可以設置1至10000之間的任意增益值，內部輸入保護能夠長期耐受±40V，失調電壓低（50μV），漂移小（0.25μV/℃），5V單電源系統，靜態電流最大為3mA。

SUI-101是一款互感器隔離的高精度多功能交流變送器，可實時測量交流電流、電壓、有功功率、累計電量、頻率、功率因素等參數，提供標準通信接口（TTL異步串口），可選的標準協議（Modbus協議）及自定義協議。

其中電流和電壓的變送精度可達0.2級的超高精度。採用全隔離採集方案，實現高低壓完全隔離。

通信接口採用3.3VTTL異步串行接口，同時兼容5V的TTL接口。支持自定義簡易協議和Modbus雙協議自動識別，也可以自動輸出。

3.1 理論分析與計算

如圖2所示，電參數檢測模塊是採用電流型電壓互感器和電流互感器將高壓大功率端和低壓信號處理端完美隔離，通過採樣電阻後將採集到的電壓和電流值接入HLW8032。

PF和TX直接接入到CPU的輸入端，通過公計算出電壓有效值、電壓流效值和有功功率值的大小。

圖2 電參數檢測模塊

電壓有效值計算：

電壓係數：根據以上電路圖中左側電壓採集電路，電流型電壓互感器一次側為R8=150k電阻，則一次側電流為Vin/R8，二次側電流等於一次側電流，VP = Vin/R8 × R7；故電壓係數 = Vin/(Vp * 100) = R8/(R7 * 1000) = 3.006

電流有效值計算：

電流係數∶根據以上電路圖中右側電流採集電路，電流互感器一次側電流Iin，互感器匝數比為N=1000:1，二次側電流等於Iin/N，IP - IN = Iin /N * R10；

故：

3.2傅里葉變換公式採集信號的分析計算

我們想過了許多方案，想過從各種電信號特徵的不同作為突破口，最後確定利用FFT-傅里葉變換求出信號中的諧波從而來做識別電器的主要特性。

首先我們要了解傅里葉變換：傅立葉變換，表示能將滿足一定條件的某個函數表示成三角函數（正弦和/或餘弦函數）或者它們的積分的線性組合。

在不同的研究領域，傅立葉變換具有多種不同的變體形式，如連續傅立葉變換和離散傅立葉變換。最初傅立葉分析是作為熱過程的解析分析的工具被提出的。

如果單單只通過人為去利用傅里葉變換公式計算可想而知計算量是何其的龐大了，所以我們在本次設計為了更加方便的利用傅里葉去求解出信號諧波，我們運用了AD7606模塊的8個數據通道，通過DMA存入PS DDR，再通FFT對8個通道的數據進行FFT傅里葉變換。這樣通過單片機去求解就變得簡單得多了。

理論要與實踐相結合的。單片機雖然讓傅里葉公式的計算一步到位，但是沒有主要的公式支撐，那也不過是得出錯誤的結果。

本次設計一部分傅里葉變換公式的計算：

如果是周期為T的連續信號，且滿足Dirichlet條件，可展成傅里葉級數：

3.3其他參數計算

4.1 軟件基本結構

軟件程序由信號採集和數據處理兩部分組成，頂層的控制部STM32F103VCT6單片機作為核心，採用C語言編程，執行效率高，通過ADC7606與電能模塊對電能進行數據採集；

數據處理通過快速傅立葉變換程序，將採集到的電流波形進行變換與運算，可以得到電流的諧波與相位，然後通過電流、電壓、阻抗、諧波參量、相位等參數對電器進行識別。

程序流程圖

4.2 快速傅里葉變換分析

快速傅里葉變換,即利用計算機計算離散傅里葉變換（DFT)的高效、快速計算方法的統稱。有限長序列可以通過離散傅里葉變換(DFT）將其頻域也離散化成有限長序列。

但其計算量太大，很難實時地處理問題，因此引出了快速傅里葉變換(FFT). FFT的基本思想是把原始的N點序列，依次分解成一系列的短序列。

充分利用DFT計算式中指數因子 所具有的對稱性質和周期性質，進而求出這些短序列相應的DFT並進行適當組合，達到刪除重複計算，減少乘法運算和簡化結構的目的。

通過按鍵進入學習模式，在該模式下，首先將不同電器的信號經AD轉換後的256點序列x（n）存入數組，利用FFT的蝶形算法進行傅里葉變換，得出變換的頻譜X（k），將其記錄。

FFT流程圖

由於篇幅有限，過多的細節在此不放了，本篇H題的設計報告以及代碼，都已經放到知識星球了，星球的朋友們可以直接獲取下載鏈接。

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我想參加比賽，該如何學習？

我想轉行硬件，但軟件也不想丟，該咋辦？

這些問題太大了，真的無法回答。

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