1、基于電能計量芯片HLW8012計量插座方案【摘要】計量插座是一種插座轉換裝置,可以顯示電量、功率、電壓、電流、時鐘等參數,是針對于家庭電器節能要求而設計。本文主要講述計量插座的主要功能、硬件原理圖等。該計量插座可以對單相交流用電的電器進行電量、功率、電壓及電流等參數的測量。此方案采用HLW7031作為控制MCU,以專用電能計量芯片HLW8012為電量采集器件,HT1621為LCD驅動芯片,DS1302作為時鐘記錄芯片。【關鍵詞】計量插座,電能計量,功率計量,節能插座,智能插座,HLW8012,智能家電【正文】一、計量插座原理計量插座需要測量功率、電量、電流和電壓等參數,同時計量插座產品內部空間

2、小,本次設計使用電能計量芯片HLW8012作為各個電參數的測量器件。因為HLW8012可以測量功率、電量、電流和電壓值,內置晶振、參考源,SOP8封裝,外圍電路簡單,在滿足性能要求的同時,可以做到體積更小。HLW8012主要特性(1高頻脈沖CF,指示有功功率,在1000:1范圍內達到±0.3%的精度(2高頻脈沖CF1,指示電流或電壓有效值,使用SEL選擇,在500:1范圍內達到±0.5%的精度(3內置晶振、2.43V電壓參考源及電源監控電路(45V單電源供電,工作電流小于3mAHLW8012輸入輸出 VIP SEL CFCF1輸出電流/電壓值/電壓值圖1 HLW8012芯片

3、引腳圖(1V1P,V1N輸入電流采樣信號:峰峰值V P-P:±43.75mV,最大有效值:±30.9mV。 (2V2P輸入電壓采樣信號:峰峰值V P-P:±700mV,最大有效值:±495mV。(3高頻脈沖CF(PIN6:指示功率,計算電能;輸出占空比為1:1的方波。(4高頻脈沖CF1(PIN7:指示電流或電壓有效值,SEL選擇;輸出占空比為1:1的方波。計量插座實際上是一個插座轉接設置,電器通過計量插座之后再連接到電網。MCU從電能計量模塊獲取用電器的電量、功率、電壓、電流等參數,從時鐘模塊獲取當前時鐘,MCU將這些數據通過LCD驅動芯片顯示在LCD屏

4、上。MCU可以打開或關閉插座孔的電源,通過按鍵直接操作或設置定時自動操作,電源的打開與關閉是通過MCU控制繼電器的閉合與切斷實現。時鐘設置是通過按鍵進行設置,可以設置日期、小時、分、秒,自動設置星期。可以設置一星期內哪幾天定時打開或關閉插座孔的電源,實現無人自動控制插座孔的電源。一般在出廠前會設置好時間。計量插座結構框圖如圖2所示。 圖2 計量插座方案結構框圖二、計量插座硬件設計計量插座硬件設計相對應于結構框圖,有6部分模塊電路:電源管理電路、電能計量電路、顯示模塊電路、繼電器控制電路、時鐘電路及按鍵。所有電能計量測量,電壓、電流通道的采樣方式有2種:互感器采樣方式(隔離采樣、電阻采樣方式(非

5、隔離采樣。互感器采樣方式成本高,本設計使用電阻采樣方式。1、電源管理電路使用LNK304設計的AC-DC非隔離電源,L與N分別是交流火線與零線,以零線作為地線。此電路無需變壓器,穩壓5V,可以提供150mA左右的電流,能夠保證在AC85V265V的交流范圍內,實現穩定的電壓輸出,紋波也很小,在50mV左右。此電源為所有模塊提供工作電壓。 圖3 AC-DC 非隔離電源2、電能計量電路電能計量電路使用HLW8012實現,功率、電壓、電流等數據通過CF 、CF1引腳以脈沖的方式輸出。CF 腳輸出的脈沖頻率大小即表示有功功率值,CF 輸出的脈沖個數表示的是用電量的信息。當SEL 為高電平時,CF1輸出

6、的脈沖頻率表示電壓有效值,當SEL 為低電平時,CF1輸出的是電流有效值。HLW8012集成內置振蕩器、參考電源,外圍簡單,包括電流、電壓的采樣。圖4 電能計量電路電流信號是通過錳銅電阻(R29,2m 對負載的電流進行采樣,信號量小于30.9mV ;電壓信號是通過電阻網絡(R21, R22, R23, R24, R26對交流電壓進行分壓采樣,信號量小于495mV 。錳銅電阻的接法:一端與GND 連接,另一端與負載連接。MCU 使用HLW7031,CF 、CF1引腳連接HLW7031外部中斷引腳,SEL 引腳連接普通IO 口。CF 引腳用于測量功率,電量值, CF1引腳配合SEL 引腳用于測量電

7、壓、電流有效值。MCU 通過測量CF 、CF1引腳的脈沖周期,計算功率、電壓、電流、電量等參數。 圖5 MCU 與電能計量芯片連接3、顯示模塊電路顯示模塊使用HT1621作為顯示驅動,HT1621可以驅動4*32段,工作電壓為5V ,可以滿足不同屏的要求,同時HT1621可以驅動無源蜂鳴器,用于提示按鍵或者警告。MCU 將需要顯示的數據發送到HT1621完成顯示。圖6 顯示驅動電路4、時鐘模塊電路時鐘模塊選用實時時鐘芯片DS1302,一種高性能、低功耗、帶RAM 的電路,它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時,具有閏年補償功能。采用三線接口與CPU 進行同步通信。使用5V 供電, DS1

8、302 的VCC1端接3V 鋰電池,在斷電時也能正確記錄時間。圖7 實時時鐘電路 5、繼電器控制電路為了方便電源電路的設計,選用5V 的繼電器,控制負載的火線閉合與關斷。繼電器的閉合與關斷通過MCU 控制三極管來實現。二極管D4防止繼電器反向電動勢對三極管Q1的損壞。圖8 繼電器控制電路6、按鍵電路按鍵電路部分一共有3個按鍵:開/關鍵,向上,向下鍵。開/關鍵可以控制繼電器的閉合與關斷;向上,向下鍵主要用于設置日期、小時、分、秒,設置定時時間。圖9 按鍵電路7、PCB Layout 注意事項(1芯片電源引腳處的去耦電容盡量靠近芯片的引腳。(2電壓通道電阻分壓網絡,應呈階梯式分布,逐漸降壓,從輸入

9、端高壓直至計量芯片的取樣電壓,注意電阻之間的爬電距離。(3電流采樣電阻的地線應和其它地線分開布線,以最短路徑走線到主板參考地線輸入端(如零線,減少對采樣信號的干擾。 ( 4采樣信號線走線要平行且靠近,盡量縮短布線,減小對采樣信號的干擾。(5芯片的地線要能夠快速回到電源輸入端壓敏電阻的地上,減小地線對計量芯片的干擾。(6電源走線不要走成環形,環形的電源走線容易受外界的電磁場干擾。（7）電壓取樣布線要和錳銅取樣布線隔一定距離，以免相互干擾。 （8）所有引線不宜太長，尤其是 PCB 裝配固定后，所有引線不能直接接觸計量芯片及其它外圍 電路。確實無法避免時，所有導線應分組加黃蠟套管，提高絕緣度。 三、

10、計量插座軟件設計 1、計量插座主流程圖 開始 上電初始化 功率/電流/電壓 測量完成？ Y 計算功率/電流/電壓 N N 校準程序？ Y 記錄校準數據 按鍵處理 定時處理 模式處理 顯示處理 圖 10 基于 HLW8012 的計量插座主流程圖 上電初始化之后，開始功率、電流、電壓脈沖的周期測量，如果測量完成之后，進行功率、 電流、電壓計算；如果是正在校準，需要將校準數據保存到 EEPROM；按鍵處理主要包括開或 關電源，設置定時自動操作時間；定時處理在定時到設置時間時自動操作；顯示處理在 LCD 屏 上顯示功率、電量、電流、電壓、時鐘等數據。 6/7 2、中斷服務子程序流程圖：測量脈沖周期的程序。 外部中斷服務子程序 N 測量功率？ Y 測量電壓？ Y 記錄功率脈沖周期 電能計數器累加 記錄電壓脈沖周期 測量電流？ Y 周期測量結束 記錄電流脈沖周期 N N End 圖 11 外部中斷服務子程序 定時中斷服務子程序 Y 計時器超時？ N 計時器加1 周期測量結束 End 圖 12 定時中斷服務子程序 以上是中斷服務子程序中運行的內容，多脈沖測量的周期計算