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。

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视频展示

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方案设计

2.1总体系统方案

通过对比赛问题的仔细分析和研究，需要注意以下几点：

1）用电器分析识别装置由220VAC市电供电，单片机供电3.3VDC直流电压。所以要给单片机供电，需要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。而且整个装置的工作电流小于15mA，需要考虑设备的功耗。

2)特征参数的实时显示响应速度要快，因此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、功耗低的芯片。

4)数据应通过无线传输传输到手机上，数据可以通过蓝牙模块传输。

系统分为主控模块、电源模块、电流电压信号检测模块、蓝牙模块和显示模块五个基本模块。

系统总体设计框图如图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是一种尺寸小、精度高、价格低廉的通用仪器放大器，可与电流互感器一起测量相位。

内部输入保护可以长期耐受，只需要一个外部电阻就可以设置1-1万个增益值。±40V，低失调电压(50μV），漂移小（0.25μV/℃），5V单电源系统静态电流最大为3mA。

SUI-101是一种高精度的多功能交流变送器，可实时测量交流电流、电压、有功功率、累计功率、频率、功率因素等参数，并提供标准的通信接口（TTL异步串口)，可选标准协议（Modbus协议）及自定义协议。

电流和电压的传输精度可达0.二级超高精度。采用全隔离采集方案，实现高低压全隔离。

3.通信接口.3VTTL同时兼容5个异步串行接口V的TTL支持自定义简单协议和接口。Modbus自动识别双协议，也可自动输出。

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理论分析与计算

3.1 理论分析与计算

如图2所示，电参数检测模块采用电流电压互感器和电流互感器完美隔离高压大功率端和低压信号处理端，采集到的电压和电流值通过采样电阻连接HLW8032。

PF和TX直接接入到CPU输入端通过公共计算电压有效值、电压流效值和有功功率值。

图2 电参数检测模块

电压有效值计算：

电压系数：根据上述电路图中左侧的电压采集电路，电流电压互感器的一次侧为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.因此，电压系数 = Vin/(Vp * 100) = R8/(R7 * 1000) = 3.006

电流有效值计算：

电流系数∶根据上述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=二次侧电流等于1000:1Iin/N，IP - IN = Iin /N * R10；

故：

3.2傅里叶变换公式采集信号分析计算

我们想到了很多方案，从不同的电信号特征作为突破，最终决定使用FFT-傅里叶在信号中转换谐波以识别电器的主要特性。

首先，我们需要了解傅里叶的变换：傅立叶的变换意味着它可以将符合一定条件的函数表示为三角函数（正弦和/或余弦函数）或其积分的线性组合。

在不同的研究领域，傅立叶变换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，提出了傅立叶分析作为热过程分析的工具。

如果只是通过人工使用傅里叶变换公式来计算，我们可以想象计算量有多大，所以我们使用这个设计来更方便地使用傅里叶来解决信号谐波，我们使用AD通过7606模块的8个数据通道DMA存入PS DDR，再通FFT8个通道的数据FFT傅里叶变换。这样，单片机求解就简单多了。

理论应与实践相结合。虽然单片机使傅里叶公式的计算一步到位，但没有主要公式的支持，这只是一个错误的结果。

傅里叶变换公式计算的一部分设计：

如果周期是T的连续信号，则满足Dirichlet傅里叶级数可展示为条件：

3.3计算其它参数

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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组成，顶层控制部STM32F103VCT6单片机以C语言编程为核心，执行效率高ADC7606和电能模块采集电能数据；

数据处理可以通过快速傅立叶转换程序转换和计算收集到的电流波形来获得电流的谐波和相位，然后通过电流、电压、阻抗、谐波参数、相位等参数来识别电器。

程序流程图

4.2 傅里叶快速变换分析

快速傅里叶变换，即用计算机计算离散傅里叶变换（DFT)高效快速计算方法的总称。通过离散傅里叶，可以改变有限的长序列(DFT）将其频域分散成有限的长序列。

但计算量过大，难以实时处理问题，导致傅里叶快速变换(FFT). FFT基本思想是将原始N点序列依次分解成一系列短序列。

充分利用DFT指数因指数因子 对称性和周期性，然后找出这些短序列的对应性DFT并进行适当的组合，以删除重复计算，减少乘法操作，简化结构。

通过按钮进入学习模式，在这种模式下，不同电器的信号首先通过AD转换后的256点序列x（n）存入数组，使用FFT将蝶形算法转换为傅里叶，得到转换频谱X（k），将其记录。

FFT流程图

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最后

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我想从哪里开始学单片机？

我想参加比赛，怎么学？

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这些问题太大了，无法回答。

其次，很多都是重复性问题，反复回答，真的很累。

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