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发表于 2019-8-6 09:27:08
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作者：曾羡霖 吴格荣 朱繁
摘要
本设计基于离散傅里叶变换（DFT）对信号电参量进行测量，系统由电量传感器电路、信号调理电路、信号采集电路、单片机处理电路和供电电路五部分构成。实现了实时测量并显示用电器的电压有效值、电流有效值、功率、功率因数、阻抗等一系列电参量，并可识别7种不同用电器的不同工作状态，同时具有对任意5种用电器自身电特征参数学习的扩展功能。采用低电流霍尔传感器降低了功耗、提高了保真度，采用频率跟踪算法与电源电压频率同步，减小了杂散、提高了精度，单片机使用微功耗设计实现人机交互，使用了模式识别与匹配法对用电器工作状态进行判别。经过最终的级联和调试，本系统已实现了题目的基本要求部分和发挥部分的所有功能；系统的工作电流、可识别最小电流、判别结果的稳定时间、用电器工作状态学习时间等指标均超出题目要求。
关键词：离散傅里叶变换（DFT）；模式识别与匹配；学习功能
一、方案论证
1.方案比较与选择
1）电参数测量方案
方案一：基于电参量专用芯片，如ADE7754实现对各个电参量进行测量。该方案难度较低，但需要额外增加电路板，调试较为复杂，灵活性低。
方案二：基于硬件电路进行RMS检波，得到交流电压、电流信号的有效值，通过采集电路、信号处理电路进行计算和识别。该方案难度较大、电路复杂，不利于快速构建。
方案三：DFT信号分析法，对采集到的信号进行DT分析，得到信号的有效值、功率、相角、阻抗、各次谐波等。本方案硬件电路简单，软件算法方便快捷，易于调试。
综合考虑3个方案，本设计选择方案三
2）信号处理平台
方案一：采用DSP芯片作为信号处理平台，DSP运算性能优越、灵活性较高、外设丰富，可以实现较为复杂的算法。但是DSP开发周期长，功耗较大。
方案二：采用FPGA作为信号处理平台。FPCA处理速度最高，但灵活性较低，同时功耗也较大。
方案三：采用单片机作为信号处理平台。单片机具有体积小、功耗低、外设资源丰富、算法灵活等优点。其运算性能也满足在本系统中应用。
从运算性能、系统功耗和灵活性的角度，综合考虑，选用方案三
3）用电器状态识别方法
方案一：采用电流法识别。通过每个用电器不同的工作电流，建立各个用电器在不同工作状态下的电流模型，最终比对得到用电器当前的工作状态。此方案无法识别功率因数不同、电流相同的两种用电器。
方案二：采用功率法识别。通过测量不同用电器的功率，建立各个用电器在不同工作状态下的功率模型，最终比对得到用电器当前的工作状态。因为电网电压波动的存在，大功率用电器的功率如果略有变化，将会影响系统对小功率器件的判决。
方案三：采用电特征参量三维模型综合识别法。按照用电器的功率因数、谐波和视在功率建立3个维度，在对应的维度建立各自的参考模型，测量时在3个维度同时对比建立的参考模型，得到用电器当前的工作状态。此方案3个维度的判别结果可以互相参考，既避免了一个用电器淹没另一个用电器的情况，同时也增加判别结果的可信度。
考虑到本题用电器的功率范围比较大，故本设计选择方案三。
2.系统总体方案
系统主要由5个模块组成，即传感器电路、信号调理电路、信号采集电路和单片机处理模块及供电电路。整个系统由220V交流电源供电。系统总体框图如图1所示。
传感器模块实现了将大电流、大电压转换成易于测量的小电流，供电模块采用隔离式开关电源，信号调理电路实现信号的/-U变换和滤波等信号调理，信号采样模块通过ADC采集数据，单片机处理模块主要利用DFT变换对输入的信号进行频谱分析等参数测量，利用分析得到的数据建立参考模型，来判别用电器的工作状态。
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