電參數(shù)采集模塊由電壓互感器，電流互感器和電能計(jì)量芯片組成。其中，電壓互感器，電流互感器將電源線上的電壓電流轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)送入CS5463電能計(jì)量芯片測(cè)量。

電壓互感器：如圖2所示使用ZMPT101K 2mA/2mA精密電流型電壓互感器。

                                                        圖 2 電壓互感器原理圖

電流互感器：如圖3所示使用CT203 10A/10mA精密電流互感器，變壓比1000:1，額定輸入電流10A，額定輸出電流10mA。

                                                    圖 3 電流互感器原理圖

CS5463：CS5463可以應(yīng)用在家庭用戶的電能測(cè)量中，它價(jià)格低廉、測(cè)量精確、安裝方便。在1000:1的的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，線性度可達(dá)0.1%。功耗非常低，小于12mW。該集成芯片可精確測(cè)量瞬間電流和電壓，并由此計(jì)算出瞬時(shí)功率、電流有效值、電壓有效值、有功功率、視在功率、無功功率、基波功率、諧波功率、功率因數(shù)以及電壓頻率。CS5463的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，經(jīng)過電阻分壓或者電壓互感器的到的小電壓信號(hào)送入VIN+和VIN-引腳兩端，經(jīng)過10倍放大，再通過二階 Δ － Σ 調(diào)制器數(shù)模轉(zhuǎn)化來得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)[3]。經(jīng)過低成本分流電阻或電流互感器相連可的到的小電壓信號(hào)送入IN+和IN-引腳兩端，經(jīng)過10倍或50倍放大，再通過二階 Δ － Σ 調(diào)制器模數(shù)轉(zhuǎn)化來得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，濾除高頻噪音。該芯片可以選擇加入高通濾波器通路，去除信號(hào)的的直流成分。任意一個(gè)通道中的高通濾波器如果不用，則這通道將啟動(dòng)全通濾波器，電壓和電流的信號(hào)之間的相位關(guān)系不被改變。電壓有效值和電流有效值是利用最近的 N( N 值放在周期計(jì)數(shù)寄存器中) 個(gè)瞬態(tài)電壓/ 電流采樣值計(jì)算，這些值可從 Vrms 和 Irms 寄存器中讀出。瞬時(shí)功率是通過瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流的數(shù)據(jù)相乘得到，視在功率是通過電壓有效值和電流有效值相乘得到，N個(gè)瞬時(shí)功率平均計(jì)算出有功功率的值，功率因素是有功功率與視在功率的比值。

                                       圖 4 CS5463內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電參數(shù)采集模塊原理圖如下圖5所示，VIN+,VIN-,IN+,IN-引腳與電壓互感器，電流互感器的輸出端串聯(lián)接入470歐姆電阻，并且每個(gè)通道放入了三個(gè)瓷片電容，他們的目的有兩個(gè)，一是限流，保護(hù)引腳不被燒壞。二是電阻電容構(gòu)成RC低通濾波器，濾除信號(hào)中的高頻噪聲，提高測(cè)量結(jié)果的精確度。在每個(gè)電源引腳下都并聯(lián)瓷片電容，濾除電源中的干擾毛刺，保證CS5463電能計(jì)量芯片穩(wěn)定工作。XIN，XOUT接入4.096M晶振，為電能芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。

                                                         圖 5 電參數(shù)采集模塊圖

期待后續(xù)更新

主控模塊

主控模塊使用了STM32F407VET6核心板，在電路中涉及到的引腳及作用：VDD：電源正端輸入，接3.3V；GND：電源地端；PD0/OSCIN、PD1/OSCOUT: 接的是晶振；NRST: 復(fù)位電路；D0：接CS5463上SCLK；引腳D1：接CS5463上SDI引腳；D4：接CS5463上CS引腳；D5：接CS5463RST引腳; 引腳A9、A10：接藍(lán)牙模塊TX，RX端；引腳A2、A3：接HMI串口屏TX，RX端；引腳B8、B9：接AT24C02的SCL，SDA端。

STM32F407VET6芯片特點(diǎn)是：使用了高性能ARM的CortexM4 32位內(nèi)核，可以在1.8V~3.6V電壓下工作，工作頻率高達(dá)168兆赫。芯片內(nèi)部包含12KB FLASH，4KB SRAM的存儲(chǔ)空間，包含3路12位AD，2路12位DA，含有SPI，IIC,USART等接口，含有兩個(gè)用于電機(jī)控制的PWM定時(shí)器、兩個(gè)通用32位定時(shí)器。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（RNG）。同時(shí)它的引腳可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用，功能齊全，使用方便。

正是由于里面有豐富的外設(shè)配置，超強(qiáng)的信號(hào)運(yùn)算能力，相對(duì)低廉的價(jià)錢，較低的功耗，豐富的開發(fā)工具，使得STM32單片機(jī)經(jīng)常應(yīng)用于智能家居、醫(yī)療電子、汽車電子、工業(yè)設(shè)備。STM32F407完全滿足了裝置的計(jì)算要求，功耗要求。

如圖6所示，AT24C02是一個(gè)CMOS E2PROM，可以存儲(chǔ)256個(gè)字節(jié)，可以工作在2.7V至7V寬電壓范圍內(nèi)，具有100萬次擦寫周期，掉電不丟失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存可達(dá)100年，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠便宜。使用數(shù)據(jù)傳送協(xié)議I2C與單片機(jī)通信，考慮到本裝置最大支持5種用電器，共32種狀態(tài)組合，每種組合包括有功功率，無功功率共八個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，一共256個(gè)字節(jié)，AT24C02完全滿足了存儲(chǔ)的要求。

                                                                          圖六

電源模塊

如圖7所示，系統(tǒng)供電使用了HLK-PM01開關(guān)電源220V轉(zhuǎn)5V模塊，在100-240V寬輸入電壓下，穩(wěn)定輸出5V電壓，最大提供1A輸出電流，滿載效率>=70%,如果在輸出端并聯(lián)10微法電解電容，0.1微法瓷片電容，輸出紋波小于等于50mv，可以可靠的對(duì)此裝置供電。

                                                                      圖七

如圖8所示，STM32F407核心板搭載了AMS1117-3.3，將5V轉(zhuǎn)化成3.3v，輸入輸出兩端并聯(lián)了濾波電容，降低了紋波，可靠的向芯片供電。

                                                                          圖八

無線通信模塊

如圖9所示，無線通信模塊使用HC-05主從一體化藍(lán)牙透?jìng)髂K，此模塊既可當(dāng)主機(jī)也可當(dāng)從機(jī)，配對(duì)以后當(dāng)全雙工串口使用，無需了解復(fù)雜的藍(lán)牙通信協(xié)議，它的通信格式是固定的，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，沒有奇偶校驗(yàn)位。配對(duì)之前，只需使用簡(jiǎn)單AT指示對(duì)藍(lán)牙名稱，串口波特率，密鑰進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好的參數(shù)掉電保存，藍(lán)牙鏈接以后自動(dòng)切換成透?jìng)髂Ｊ?，通過單片機(jī)以固定的波特率向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，在10米的范圍內(nèi)，便可直接發(fā)給其它藍(lán)牙接收設(shè)備。使用簡(jiǎn)單，功耗較低。

                                                                圖九

顯示模塊

顯示模塊使用HMI串口屏，HMI是Human Machine Interface的縮寫，即人機(jī)界面，是系統(tǒng)和用戶進(jìn)行交互的媒介。這種顯示屏如圖10所示可以通過自帶開發(fā)工具USART HMI開發(fā)GUI，并可以可通過微控制器的串口發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)控件上的參數(shù)進(jìn)行修改，通過發(fā)送不同的指示實(shí)現(xiàn)不同的功能，任何具備串口的微控制器都可以流暢運(yùn)行。通過模擬器運(yùn)行，在電腦上觀察模擬串口的輸入輸出，以及控件值的變化，這無疑大大加快了電子工程師的開發(fā)效率。

此裝置具體使用了陶金池2.4寸USART HMI串口觸摸屏。具體來說，有以下特點(diǎn)：

1.使用字符串指示，例如t0.txt=“南京曉莊學(xué)院”，字符串指示比十六進(jìn)制指示更方便開發(fā)，代碼簡(jiǎn)單易讀，從而提升開發(fā)速率。

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，使用字符串指示+結(jié)束符的數(shù)據(jù)格式。

3.產(chǎn)品使用“C語言”風(fēng)格指示。

4.控件屬性賦值支持簡(jiǎn)易運(yùn)算，比如運(yùn)算方式可以這么寫：j0.val=j0.val+10。

5.具有觸控功能，人機(jī)交互方便。

6.屏幕固件自動(dòng)升級(jí)，功能可以隨廠家的更新而增加。

                                                                       圖十

感興趣的可以多多討論

這是當(dāng)時(shí)做的pcb，做的很粗糙，但是好使

當(dāng)時(shí)做的實(shí)物圖，界面啥的都有

本裝置通過軟硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)插座用電器開關(guān)狀態(tài)的分析監(jiān)測(cè)。通過電壓和電流互感器結(jié)合電參數(shù)測(cè)量芯片CS5463，測(cè)量插座電源上的電流，電壓，功率，功率因素等信息。主控芯片STM32F407VET6將5種用電器一共32種組合的有功功率，無功功率送入到存儲(chǔ)芯片AT24C02中完成學(xué)習(xí)功能，同時(shí)建立含有32項(xiàng)數(shù)據(jù)的功率組合表。通過求取電源線上有功功率，無功功率與功率數(shù)據(jù)組合表中功率的歐氏距離，尋找最短距離的項(xiàng)來識(shí)別用電器的開關(guān)狀態(tài)，結(jié)果可以顯示在HMI串口屏上，也可通過藍(lán)牙透?jìng)髂K發(fā)送到便攜式終端。

電流是如何采集的？精度有多高？