基于STM32的家用电器状态监测装置

基于stm32的家用电器状态监测装置
技术领域
1.本实用新型涉及智能检测领域，具体涉及一种基于stm32的家用电器状态监测装置。


背景技术：

2.日常生活中使用的电器，有些使用后会习惯性断电，有些则因习惯或者插座位置插拔不方便，而没有进行断电处理，使其处于待机状态。这些待机状态下的家电电量消耗在短时间内很小，但时间一长，也会消耗相当大的电量，所以，家电不使用时，应注意将电源关闭，尤其是长时间无人在家时，未关闭电源的电器将带来极大的消防隐患。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于stm32的家用电器状态监测装置，采用电能测量芯片+mcu+wifi的组合方式，实现了低成本、低功耗的电器状态监测装置设计。
4.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种基于stm32的家用电器状态监测装置，包括微控制器模块、系统供电模块、电能监测模块、显示模块，无线通信模块以及客户端；所述微控制器模块与系统供电模块、电能监测模块、lcd显示模块，无线通信模块分别连接；所述电能监测模块获取电网的数据并处理后传输至微控制器模块；所述无线通信模块与客户端连接，将微处理器处理后的数据传送至客户端。
6.进一步的，所述微控制器模块采用stm32f103c8t6作为主控制器，包括时钟电路、复位电路和启动电路。
7.进一步的，所述系统供电模块通过usb实现5v供电，通过 ams1117得到3.3v电压。
8.进一步的，所述电能监测模块包括测量芯片、电压互感器和电流互感器。
9.进一步的，所述电能监测模块采用cs5463测量芯片，zmpt107 型电压互感器和zmct103b型电流互感器。
10.进一步的，所述无线通信模块采用esp8266芯片，与微控制器模块通过usart接口双向通信。
11.进一步的，所述显示模块采用lcd12864，与微控制器模块通过并行连接方式连接。
12.本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：
13.1、本实用新型实现对家用电器上电状态的电压、电流、功率因数和有功功率进行采集和显示；
14.2、本实用新型通过通信单元与移动端连接，实现远程监控。
附图说明
15.图1是本实用新型总体结构框图；
16.图2是本实用新型一实施例中电器状态监测示意图；
17.图3是本实用新型一实施例中装置电路原理图；
18.图4是本实用新型一实施例中微控制器模块电路原理图；
19.图5是本实用新型一实施例中电源模块电路原理图；
20.图6是本实用新型一实施例中cs5463引脚图
21.图7是本实用新型一实施例中cs5463基本结构框图
22.图8是本实用新型一实施例中cs5463芯片及其外围电路图；
23.图9是本实用新型一实施例中lcd显示模块电路图；
24.图10是本实用新型一实施例中wifi模块电路图。
具体实施方式
25.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
26.请参照图1，本实用新型提供一种基于stm32的家用电器状态监测装置，包括微控制器模块、系统供电模块、电能监测模块、显示模块，无线通信模块以及客户端；所述微控制器模块与系统供电模块、电能监测模块、lcd显示模块，无线通信模块分别连接；微控制器部分实现整个系统的协调运转；电源模块给整个系统供电，包括5v和 3.3v的供电；电能监测模块cs5463采集电器的各个电参数，微控制器处理后由lcd显示电路将数据呈现；无线通信模块esp8266是微控制器模块和app之间数据发送与接收的桥梁。
27.参考图2，在本实施例中，微控制器模块采用stm32f103c8t6 作为主控制器，stm32f103c8t6作为主控制器，与显示电路 lcd12864通过并行连接方式连接，cs5463将电网的数据处理后送入微控制器，esp8266与微控制器间通过usart接口双向通信。
28.优选的，参考图4，主控制器包括时钟电路、复位电路和启动电路。时钟电路部分有两个晶体振荡器，一个是8mhz，另一个为 32.768khz。本系统驱动程序使用swd接口下载，使用到的引脚少，下载速度也完全可以达到要求。复位电路使用一个电容与按键并联，通过电容进行充电与放电实现电路的复位功能。stm32的启动模式采用内部flash启动，将boot0通过一个10k电阻接地，boot1 可为任意值，但应避免悬空。
29.优选的，参考图5，主控芯片stm32需要的3.3v、电参数测量模块需要的5v和3.3v，系统供电模块通过usb实现5v供电，通过 ams1117得到3.3v电压。
30.在本实施例中，电能监测模块包括测量芯片、电压互感器和电流互感器。
31.优选的，测量芯片采用cs5463测量芯片，cs5463内部基本结构如图7所示。在芯片的电压输入通道两端输入一个电压交流信号，此电压交流信号经过电压输入通道将模拟信号送入十倍增益放大器放大，放大后的信号通过二阶δσ调制器以一定速率采样，采样的结果再经过数字滤波器的滤波后就得到了符合要求的数字信号
12.。同时，芯片的电流输入通道两端输入电压交流信号，电流输入通道还集成一个可编程增益放大器pga。当pga增益设为10x时，如果输入信号是具有零相移的纯正弦波，则最大峰值差分信号为
±
250 mvp；为50x时，最大峰值差分信号为
±
50mvp。放大后的信号通过四阶δσ调制器和数字滤波器。电压输入通道和电流输入通道经过数字滤波器后都提供了一个hpf，目的是消除电压信号和电流信号中直流成分带来的误差。通过软件配置相应寄存器可以选择打开或者不使用。
32.经滤波器输出的电压和电流，一起送入功率计算引擎，经过直流偏移量寄存器和
增益寄存器进行校准，校准后的24位瞬时电压和电流采样数据可通过串口从对应的寄存器读取。每对瞬时电压和瞬时电流经过乘法器，即可得到瞬时有功功率采样值，n次转换的瞬时功率为一组，每组求和取平均值计算出有功功率，驱动能量脉冲输出功率因数为视在功率与有功功率的比值。
33.利用电阻分压将大电压转换成测量芯片所能承受的电压，另一个是使用电压互感器进行采样。由于电压互感器能够较好实现芯片与电网的隔离，安全性更好，所以本设计使用电压互感器进行采样。同样的，电流采样方式也有多种，例如：串联分压电阻进行直接采样、使用霍尔传感器、利用电容衰减等，综合考虑，本设计采用电流互感器实现与高压的隔离，价格适中，稳定性符合要求。
34.cs5463测量电路原理如图8所示。220v市电经过zmpt107型电压互感器和zmct103b型电流互感器变成小的交流信号，经电路把此交流小信号送到cs5463进行模数转换。
35.电压输入通道r4、r5为限流电阻，当输入额定电压为220v及以上时，工作电流要求为1ma～2ma，故电阻取值200kω。为提高可靠性，所选用的限流电阻器一般大于其额定功率的4倍，一般采用高温系数的金属薄膜电阻器。r7为取样电阻，取样电阻的取值由最大输出均方根电压、限流电阻和输入电压决定。在电流采样电路中，对电流的检测实际是对电压进行检测，所以用电阻将电流互感器输出的互感电流转换为电压，经过限流电阻和滤波电容，再以差分电压的方式将信号送至cs5463芯片的iin+、iin-引脚。
36.参考图9，在本实施例中，显示模块采用lcd12864，与微控制器模块通过并行连接方式连接，
37.参考图10，在本实施例中，无线通信模块采用esp8266芯片，与微控制器模块通过usart接口双向通信。esp8266通过串口方式与mcu只需要两根信号线即可进行通信，分别是串口的发送和接收。 rst引脚电平为低时复位，可以让此引脚悬空，本实用新型通过一个 0欧姆电阻接到stm32。ch-pd为芯片使能引脚，处于高电平状态时芯片使能，因此通过与电源连接将电平拉高。
38.实施例1：
39.本实施例中采用usb供电，方便插拔，同时兼顾美观，进行pcb 制版。进行pcb设计前，需要根据电路要求的功能确定布线层、接地层和电源平面层的层数。本系统功能较简单，安装到板上的器件多为接插件，所以本系统使用两层板设计。市电经过电路的电压电流较大，故将走线加粗。lcd与stm32的数据线走线长度基本保持一致。正面和背面走线避免平行，避免走线的开环和闭环，其他低速对信号走线要求不大，使走线长度尽可能短即可。电源电路部分，滤波电容的放置遵循先大后小的原则，加粗电源线和地线以增强电路抗干扰能力。
40.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。