2017年K题:单相用电器分析监测装置+630648A

简介:对2017年全国大学生电子设计大赛K题的分析与功能实现,为基础薄弱的同学提供指导

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发布时间:2021-03-28 18:52:29
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描述

 

    目录

1.1   前言                           

1.2  个人介绍                      

1.3  项目分析                       

1.4  原理图分析

1.5  PCB电路板分析                           

2.1  实物图展示                  

3.1  程序设计                                     

1.1   前言 

 
   首先感谢各界人士来指导我的工程,文章如有疏漏请斧正!本人参加过多次电子设计大赛,但是还未参加过全国大学生电子设计大赛,我想体验电赛的难度,所以我做了2013的A题DC-DC电源。现在我趁着有时间,做了一下2017年 K题:单相用电器分析监测装置     ,这一题难易程度非常适合我们基础一般的同学,在此题目中,我们可以学习到高压信号走线和电流互感器的使用方法,同时还可以学习交流电的采样与处理,希望大家能从我的工程中学到知识。
视频已上传哔哩哔哩:https://www.bilibili.com/video/BV1YZ4y1c7Qf
 
  姓名:雷超林,英文名:Mark Lei  ,笔名:复来
  2000年出生,湖南衡阳人。
  电子电气专业,主攻集成电路测试技术以及高频信号处理领域
  获奖经历(时间排序)
  2020年4月发表论文《基于STM32与PID算法探究》
  2020年7月科技创新部电子设计竞赛一等奖(主持)
  2020年8月立创物联网暑假实战训练营优秀学员
  2020年9月学院嵌入式设计竞赛一等奖(主持)
  2020年10月湖南省电子设计竞赛(TI杯)省一等奖(主持)
  2021年湖南省职业院校技能竞赛省一等奖(集成电路应用与开发)(主持)
  2021年3月立创涂鸦智能联合训练营一等奖
  2021年10月湖南省工业和信息化技术技能大赛二等奖,全国高端技术能手荣誉称号
  未完待续......
 
上图为向湖南省科技厅厅长(左一)汇报工作
 
首先我们拿到题目要进行分析
题目提醒我们是要做一个对单相用电器的用电参数分析和监测,并且可以进行学习,去识别各种电器。
同时观察图片,我们要留两个监测点来监测我们分析仪的参数是否正确,这一点我们要注意。前一级为AC交流电输入,后一级为交流输出,同时接了排插。
 
 
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在题目中我们可以得知:监测负载类型 :USB充电器(带负载)、无线路由器、电风扇、热水壶,开关电源适配器,电烙铁
学习模式下,各单件电器在各种状态下用于识别电器及其工
测试并存储作状态的特征参量;
在分析监测模式下,实时指示用电器的类别和工作状态。
装置在监测模式下的工作电流不大于15mA
 
 
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发挥部分提醒我们在学习的时候处理的时间不能超过1分钟,就是要求我们采样的速度要快,同时也要精准。
知道这些题目要求后我们解决问题的思路也越加清晰。制作交流电采样,同时用单片机进行处理,还有要用屏幕显示出来。
对于整个仪器的功耗题目也有要求,15mA就是220*0.015A=3.3W,整个仪器要在3.3W以下。
我准备使用PM01做整个系统的供电,这个模块非常适合小体积产品,AC-DC模块,价格上也能接受。
 
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查看它的数据手册,整个模块的整体功率为3W,符合我们题目要求。
 
在交流电采样部分,我准备使用HLW8032或者BL6523,它不仅仅可以采样电压电流,更重要的是可以监测电流与电压的相位角。为什么这个重要呢,因为不同的负载有不同功率因数,这样我们就很容易判断用电器类别。
 
 
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上图为HLW8032的特点,价格也不是很贵,几块钱一片。
 
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上图为非隔离的HLW0832的应用电路 我使用的是隔离采样
 
 
 
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上图为BL6523的特性与内部功能,两个芯片综合考虑,BL6523的外围电路较为复杂,不适合我们基础薄弱的同学使用,所以我采用了HLW8032
 
 
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单片机我采用STC15W4K56S4,为什么我用这款单片机呢,第一是因为现在STM32的价格暴涨,第二是因为我们无须涉及太多的功能,而且我有基于51的源程序,所以我选用了它。
 
 
主要的元件我就介绍到这里,后面我将介绍原理图和PCB。
 
 

1、主电源电路

2、MCU电路

3、采样电路

1、主电源电路

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上图为主电源电路,U3为AC-DC降压的HLK-PM01,U2为采样芯片HLW8032芯片,J1和J2为串入电流互感器的接口,P1和P2为220V电源输出与输入。
我在PM01输出处并联了一个大容量的电容,并且是固态电容,后一级采用100nF电容滤高频。同时用了一个LED作为供电指示。
有些同学可能会问为什么不采用ADC采样,我这里解答一下:我们这个电路要采样交流电路,而且涉及到220V高压,对于我们后一级单片机的安全要有考虑,所以用集成的交流电采样芯片是最方便和安全的。
也就是:“喝牛奶不需要养奶牛。”
 

2、MCU电路

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 上图为MCU电路,电路设计了四个按键和一个OLED屏幕接口,同时保留了串口下载电路,但是没有在板上集成USB-TTL电路,因为可以节省空间,同时降低成本。
此电路不需要我过多介绍,为最基础单片机最小系统。OLED的供电电流也非常的小,基本满足要求。
 

3、采样电路

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 上图为采样电路,采用了一个ZMPT107的电压互感器,以及一个ZMCT103的电流互感器,这两个互感器的精度都比较高。
 
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上图为ZMCT103电流互感器,比例是1000:1
 
 
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上图为官方给的设计图纸
1、HLW8032采样方式:隔离采样;
2、此图中电流互感器输出信号为电流信号,R2 是将电流信号转换成电压信号;
3、电流信号采端最大输入范围是30.9mV,电流互感器输出电流经R2\R3后的压差就小30.9mV;
4、电流型电压互感器,输出最大2mA,变比1000:1000,R8取到限流作用,R8的功率值P=u*u/R;
5、电流互感器,变比1000:1;
 
我们外围电路按照官方设计即可
 
 
对于布线我们可以参考HLW0832的设计指导
M8Nfbh1gNhEGvCk3A4dBoPTRdSevHG3maqClIv1V.png
 
上图为官方的设计指导,告诉我们要单点接地
 
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上图为我设计的PCB板,结构简单,上面一部分为高压部分,下面一部分为单片机处理部分,这里我们值得注意的是220V交流电那里要设置槽孔防止爬电
设置槽口的方式为画一条大概20mil的顶层线,然后右键设置为槽孔
在设计电源的PCB之前我们要先了解两件事情,首先就是电源电路一般电流很大,一般PCB敷铜是1OZ,
我们设计连接线的时候最好按100mil 5A的标准布线,我电源为2-3A,
所以我选择了80mil的电源走线,然后还有就是电流必须先过电容再进元件,这样可以大大提高我们电路的效率,我这次选择的是半圆弧布线,更加美观!
各个模块之间最好留一点空间,这样不仅更加美观,还抗干扰。
增加过孔和大面积敷铜来提高电流和增加散热
 
 
 
 
 
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上图为电路板的3D模型
 
 
 
 
在程序设计上,我们要理清程序思路和程序框架
下图为程序流程图
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首先我们先分析一下HLW0832的寄存器
 
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下面是部分关于HLW0832寄存器源程序

#define u8     unsigned char
#define u16    unsigned int
#define u32    unsigned long

u8 Receive_Data[24];   //接收数据缓存,HLW8032每隔100ms发送24字节数据
u16 Data=0;               //当前接收到的数据
u8 Receive_Flag=0;       //接收数据的状态
u8 SumCheck=0;           //校验和
u32 VParam=0;           //电压寄存器
u32 VReg=0;               //电压参数寄存器
float Cur_Voltage=0;       //当前电压值
u32 IParam=0;           //电流寄存器
u32 IReg=0;               //电流参数寄存器
float Cur_Current=0;    //当前电流值
u32 PParam=0;           //功率寄存器
u32 PReg=0;               //功率参数寄存器
float Cur_WATT=0;       //当前功率值
float Cur_VA=0;           //当前视在功率
float  Cur_PF=0;           //当前PF
u8  DUR7=0;            //数据更新寄存器第七位, PF 寄存器溢出时,bit7 取反一次
float  Acc_electricity=0;     //累计电量
u8 Vol_Flag=0;
u8 CUR_Flag=0;
u8 POW_Flag=0;
u8 Err_Flag=0;
u32 PF_Num=0;
u8 StateREGData=0;

static unsigned char Test1[10],Test2[10];

 

采样到电压电流之后进行显示,输出到OLED屏幕,使用模拟IIC。

按下学习按键之后,自动保存当前的信息到单片机

再按开始监测按钮的时候,程序会自动寻找参数匹配的用电器

由于程序篇幅过长,我将把源程序放在下方附件处

上图为工作功率,只有0.856W符合我们题目要求
 
 
 
 
设计图
ID Name Designator Footprint Quantity BOM_Supplier
1 100nF C1,C4,C13,C14 C0805 4 LCSC
2 33nF C3,C6,C7 C0805 3 LCSC
3 10uF C5,C12 C0805 2 LCSC
4 470uF C11 CAP-TH_BD8.0-P3.50-D1.0-FD 1 LCSC
5 XH-4A CN4 CONN-TH_4P-P2.50_XH-4A 1 LCSC
6 ZMPT107 CT1 PT107 1 LCSC
7 ZMCT103 CT2 CT103 1 LCSC
8 GREEN LED2 LED_0805_GRN 1 LCSC
9 0.96OLED_4P OLED1 0.96OLED_4P 1 LCSC
10 WJ500V-5.08-2P-14-00A P1,P2 CONN-TH_2P-P5.00_WJ500V-5.08-2P 2 LCSC
11 10k/1% R2 R0805 1 LCSC
12 1KΩ R5,R6,R9,R11 R0805 4 LCSC
13 49.9Ω R7 R1206 1 LCSC
14 150KΩ R8 R2512 1 LCSC
15 R10 R1206 1 LCSC
16 TS665CJ SW1,SW2,SW3,SW4,SW5 SW-TH_4P-L6.0-W6.0-P4.50-LS6.5 5 LCSC
17 HLW8032 U2 SOP8_150 1 LCSC
18 HLK-PM01 U3 PWRM-TH_HLK-PM01 1 LCSC
19 STC15W4K56S4 U8 LQFP-48_L7.0-W7.0-P0.50-LS9.0-BL 1 LCSC

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