智能家庭用電分析控制儀的設(shè)計(jì)

張萃珍

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌，330013）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和人均收入的提高，人們的生活質(zhì)量的要求也逐漸提高，與之相伴的是每個(gè)家庭的用電量也逐年遞增。隨著家庭用電的普及率上升，導(dǎo)致供電需求越來(lái)越多，負(fù)荷急劇上升，因此合理的利用控制能源才能減少能源損耗，減少污染，保護(hù)環(huán)境，人人有責(zé)。在現(xiàn)代能源節(jié)約型社會(huì)，降低能源消耗是非常重要的。并且家庭電費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)，這關(guān)系到人們的切身利益。我們可以通過(guò)對(duì)各種用電設(shè)備工作狀態(tài)的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電的管理，從而減少資源的浪費(fèi)并能提高各種設(shè)備的使用壽命。

原始的家庭用電管理，只能看到一天或一個(gè)月使用了多少電，而不清楚用電的具體情況；每個(gè)家庭用戶都是通過(guò)與電網(wǎng)公司月結(jié)時(shí)才能知道本月總共使用了多少電花費(fèi)多少錢(qián)，而這些費(fèi)用是怎么構(gòu)成的卻沒(méi)有清楚的認(rèn)識(shí)，大多數(shù)居民只能大概的根據(jù)平時(shí)的用電的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷來(lái)管理家庭用電，沒(méi)有合理的用電方案，缺乏科學(xué)性。其次，隨著各種家庭用電設(shè)備的出現(xiàn)，用戶根本無(wú)法判斷每個(gè)設(shè)備的集體消費(fèi)情況從而無(wú)法建立一個(gè)家庭用電的管理方案。另外，現(xiàn)在的用電設(shè)備只能近距離操作而不能遠(yuǎn)程控制，也給用戶用電管理帶來(lái)了困擾。因此加強(qiáng)各用戶家庭的用電智能管理是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，家庭智能用電管理分析儀是未來(lái)新的發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分析

■1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的智能家庭用電分析控制儀，以STM32作為主控MCU，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流數(shù)據(jù)的采集并且，實(shí)時(shí)顯示用電數(shù)據(jù)包括電流、電壓、功率等，并存儲(chǔ)在SD中。通過(guò)wifi模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，接收安卓APP的指令，根據(jù)指令控制繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的用電控制，通過(guò)安卓APP設(shè)置做插座定時(shí)控制，并且斷電保存。同時(shí)帶有TFT液晶顯示屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家庭用電分析控制儀的狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示。

■1.2 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家庭用電分析控制儀設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)主要由STM32F103RCT6主控芯片、電流采集電路、電壓采集電路、WIFI模塊接口電路、繼電器控制電路、SD卡接口電路、TFT液晶接口電路以及電源電路組成。智能家庭用電分析控制儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

各模塊電路及作用如下：

(1)STM32主控模塊：包括STM32F103RCT6，晶振電路，復(fù)位電路，SWD程序下載接口等。STM32主控模塊是控制系統(tǒng)的核心部分，工作電壓基本保持在2.0~3.6伏的范圍內(nèi)，芯片內(nèi)部集成電壓調(diào)節(jié)器，將外部供電電壓轉(zhuǎn)換為1.8V低壓供給芯片電壓使用。STM32的作用是控制系統(tǒng)的其它部分電路實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

(2)存儲(chǔ)芯片電路：SD卡接口電路，作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)用電數(shù)據(jù)包括電流、電壓、功率數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。SD卡有兩種操作模式，一種是SD模式，一種是SPI模式。在本設(shè)計(jì)中采用了SPI模式，連接在STM32的SPI1口上，SD卡的供電電壓為3.3V，直接與STM32接在同一個(gè)電源下即可。

(3)電壓電流采集電路：利用電流采集電路和電壓采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電器用電電壓和電流的采集。其中電壓和電流數(shù)據(jù)都是交流電壓和交流電流，交流電壓數(shù)據(jù)的采集采用了先整流再分壓然后濾波的方式進(jìn)行交流電壓的采集檢測(cè)。電流采集部分采用了ACS712電流采集芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的采集，ACS712是利用霍爾感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的一款交流電流信號(hào)采集芯片，當(dāng)電流流過(guò)ACS712的信號(hào)采集端時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，其內(nèi)部通過(guò)放大濾波以及校正斬波實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的采集。

(4)WIFI模塊接口電路：利用WIFI模塊實(shí)現(xiàn)智能家庭用電分析控制儀和安卓APP的數(shù)據(jù)交互傳輸，實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)顯示的功能。本設(shè)計(jì)中利用ESP8266-12F WIFI 模塊實(shí)現(xiàn)WIFI數(shù)據(jù)交互傳輸控制的功能實(shí)現(xiàn)，ESP8266-12F WIFI 模塊是安信可公司生產(chǎn)的高性能的串口 WIFI 模塊，其使用串口通信的方式顯示W(wǎng)IFI數(shù)據(jù)的傳輸，而配置方式則采用常用的AT指令實(shí)現(xiàn)，工作電壓為3.3V，通過(guò)串口通信完成數(shù)據(jù)交互。

(5)TFT液晶接口電路：實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家庭用電分析控制儀的狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示。采用了2.4寸的TFT液晶屏，利用ILI9341 控制器進(jìn)行液晶驅(qū)動(dòng)顯示，只需要利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制即可。

(6)繼電器控制電路：開(kāi)關(guān)控制器采用了繼電器對(duì)外部電器設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，繼電器使用三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)就可以很好的完成通電以及斷電的功能完成，通過(guò)通斷電完成對(duì)外部電器設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制，一次達(dá)到控制電器設(shè)備開(kāi)關(guān)的功能。

系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

■1.3 軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用STM32F103RCT6單片機(jī)為主控芯片，利用ILI9341 對(duì)TFTLCD液晶屏進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制顯示，利用STM32內(nèi)置的ADC采集電壓電流信號(hào)并通過(guò)液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并且將電壓、電流和功率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在SD內(nèi)部，并通過(guò)WIFI上傳至安卓APP中進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)等待WIFI傳輸?shù)目刂浦噶钔瓿砂刂朴秒娫O(shè)備，定時(shí)控制用電設(shè)備等指令操作，具體程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2 測(cè)試結(jié)果與分析

將本文設(shè)計(jì)的智能家庭用電分析控制儀上電,液晶顯示屏顯示當(dāng)前所采集用電器的實(shí)時(shí)電壓值、電流值、功率值、SD卡容量和可用容量。當(dāng)沒(méi)有連接用電器時(shí)，也就沒(méi)有電壓電流功率值。當(dāng)輸入指令DIANLIK時(shí)，繼電器打開(kāi)，并開(kāi)始采集用電器數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)有專門(mén)的電壓采集電路和電流采集電路部分，所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，并每隔一分鐘通過(guò)WiFi部分實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)控制端，手機(jī)APP處可顯示數(shù)據(jù)。輸入指令DIANLIG時(shí)，繼電器關(guān)閉。發(fā)送指令MODE0，設(shè)定時(shí)間TIMESET012600，接著發(fā)送指令比如MODE1O0127X0128，繼電器會(huì)在01時(shí)27分打開(kāi)，28分關(guān)閉，進(jìn)而達(dá)到控制用電器開(kāi)關(guān)的目的，演示效果如圖4所示。

圖4 雨滴傳感器原理圖

圖4 定時(shí)開(kāi)關(guān)電路演示圖

手機(jī)APP控制端實(shí)時(shí)顯示用電器當(dāng)前用電數(shù)據(jù)，電壓值、電流值、功率值。我們通過(guò)APP就可以知道當(dāng)前用電器的用電情況，可以了解到用電器的耗電情況，進(jìn)而我們可以對(duì)用電器定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉，可以有效地避免電力的浪費(fèi)。APP控制端顯示如圖5所示。

圖5 光敏傳感器原理

圖5 APP控制端數(shù)據(jù)顯示圖

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的智能家庭用電分析控制儀主要針對(duì)家用電器所產(chǎn)生的用電數(shù)據(jù)以及開(kāi)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)以及控制。減少了資源的浪費(fèi)并能提高各種設(shè)備的使用壽命。設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)小巧，成本較低，所選用元器件價(jià)格相對(duì)較便宜，操作方便靈活，具有一定的可推廣性。