电流传感器

一．项目背景

随着电子技术的发展，以单片机为核心的多功能电能表已逐渐普及，这一类电能表具有较 高的测量精度和运算速度，能够对各月电能的消耗进行记录，保存电能的最大需求量，设置参数等。但这仅仅局限于计量用户全部用电器的电能消耗，并不能精确到 每个用电器。并且这一类电表在测量方法上是仅根据电网的电压电流的幅值进行电能的计量和统计，因而功能比较单一。上述电表网络的通信能力很差或者根本不具 备网络通信能力，难以实现同网络上位机的通信和数据同步。现有的用电器识别技术仅能在用户有大功率的用电器加载时进行控制继电器断电处理，并没有实现单个 用电器识别的功能。如果要检测每个用电器的用电量，现行的通用方法是在每个家用电器的电源入口安装电压、电流传感器，再根据收集到的数据进行电量测量。这 样虽然能够达到相应的目的，但是价格偏高，安装复杂，可行性较差。

 

基于上述背景的分析，我们希望能够创造出一套系统，改进现有电器识别系统，力争使用最低的成本实现最简洁最精确的电器识别，并通过一个客户端反馈给用户，实时反映家庭用各种电器的功耗指标。

 

在此，我们提出了一种基于基于阈值的加权识别算法的用电器识别算法，并通过实验验证了其可行性。

 

二．项目方案

智能电器识别系统以Xilinx Spartan 6 FPGA 为控制核心，通过对母线电流进行谐波分析，提取用电器的特征参数；以模糊识别为基础，以递归求解方程实现了对单个用电器、多个用电器的识别，并对新用电器加入数据库提供简易的解决方案。

 

三．项目详细设计

硬件设计

 

图3. 1智能电器识别系统的硬件电路结构框图

 

智 能电器识别系统硬件电路的设计主要包括电网电压电流的采样电路，以及主控制器电路。由于系统的对用电器的参数采集主要来自硬件电路，所以对电压电流的采样 必须准确。系统仅根据电线进户端的电压和电流就能识别出正处于使用状态的用电器，并记录相应的用电量，投入较低，安装简单。

 

Microblaze控制电路设计

智能电器识别子系统的硬件设计包括设计电网电压电流采样电路以及控制器电路。

 

电 器识别模块主控芯片采用Xilinx Spartan-6 ，利用片外的12位多通道高性；能ADC的数据采集系统，对电网电流信号进行采样，提取相应的特征参数。利用板载的BPI-Flash存储器，对数据进行 记录。内核是Microblaze，它是一个32位哈佛结构的处理器，其最高性能峰值高达83.3 MIPS。基于此芯片研发的系统可以方便的完成用电器的识别、电量测量、数据的传输，事件管理等工作，精度高可靠性强。

 

采样电路设计

 

图3. 2 电网侧电压采样电路

 

电网电压采样电路以电压互感器TVA1421-01为核心构成，如上图所示。此电压互感器为电流型，先将待测电压转换成电流信号输入互感器的一次侧，电阻R27将互感器二次侧的输出电流流转换为电压信号。电阻R27和并联电容C59构成低通滤波器。

 

在 输入正弦信号的正半周上升的四分之一周期内，LM311的输出三极管导通，电容两端的电压跟随输入正弦信号；当正弦信号到达峰值以后，LM311 的输出三极管截止，电容两端的电压保持为输入正弦信号的峰值，等待单片机采样；单片机采样后，输出高电平信号，Q1导通，给峰值保持电容放电。最后一路为 实时电压采样电路，将电压互感器输出的交流电压抬高2.5V，送至ADC。