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基于电能计量芯片HLW8012计量插座方案
许文工 | 2018-01-15 20:09:42    阅读:1918   发布文章

基于电能计量芯片HLW8012计量插座方案

 

【摘要】

计量插座是一种插座转换装置,可以显示电量、功率、电压、电流、时钟等参数,是针对于家庭电器节能要求而设计。

本文主要讲述计量插座的主要功能、硬件原理图等。该计量插座可以对单相交流用电的电器进行电量、功率、电压及电流等参数的测量。此方案采用HLW7031作为控制MCU,以专用电能计量芯片HLW8012为电量采集器件,HT1621LCD驱动芯片,DS1302作为时钟记录芯片。

【关键词】

计量插座,电能计量,功率计量,节能插座,智能插座,HLW8012,智能家电

【正文】

一、计量插座原理

计量插座需要测量功率、电量、电流和电压等参数,同时计量插座产品内部空间小,本次设计使用电能计量芯片HLW8012作为各个电参数的测量器件。因为HLW8012可以测量功率、电量、电流和电压值,内置晶振、参考源,SOP8封装,外围电路简单,在满足性能要求的同时,可以做到体积更小。

计量插座实际上是一个插座转接设置,电器通过计量插座之后再连接到电网。MCU从电能计量模块获取用电器的电量、功率、电压、电流等参数,从时钟模块获取当前时钟,MCU将这些数据通过LCD驱动芯片显示在LCD屏上。MCU可以打开或关闭插座孔的电源,通过按键直接操作或设置定时自动操作,电源的打开与关闭是通过MCU控制继电器的闭合与切断实现。

时钟设置是通过按键进行设置,可以设置日期、小时、分、秒,自动设置星期。可以设置一星期内哪几天定时打开或关闭插座孔的电源,实现无人自动控制插座孔的电源。一般在出厂前会设置好时间。计量插座结构框图如图2所示。

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计量插座方案结构框图

二、计量插座硬件设计

         计量插座硬件设计相对应于结构框图,有6部分模块电路:电源管理电路、电能计量电路、显示模块电路、继电器控制电路、时钟电路及按键。

所有电能计量测量,电压、电流通道的采样方式有2种:互感器采样方式(隔离采样)、电阻采样方式(非隔离采样)。互感器采样方式成本高,本设计使用电阻采样方式。

1电源管理电路

使用LNK304设计的AC-DC非隔离电源,LN分别是交流火线与零线,以零线作为地线。此电路无需变压器,稳压5V,可以提供150mA左右的电流,能够保证在AC85V~265V的交流范围内,实现稳定的电压输出,纹波也很小,在50mV左右。此电源为所有模块提供工作电压。

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3  AC-DC非隔离电源

2、电能计量电路

电能计量电路使用HLW8012实现,功率、电压、电流等数据通过CFCF1引脚以脉冲的方式输出。CF脚输出的脉冲频率大小即表示有功功率值,CF输出的脉冲个数表示的是用电量的信息。当SEL为高电平时,CF1输出的脉冲频率表示电压有效值,当SEL为低电平时,CF1输出的是电流有效值。HLW8012集成内置振荡器、参考电源,外围简单,包括电流、电压的采样。

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电能计量电路

电流信号是通过锰铜电阻(R292mΩ)对负载的电流进行采样,信号量小于30.9mV;电压信号是通过电阻网络(R21, R22, R23, R24, R26)对交流电压进行分压采样,信号量小于495mV。锰铜电阻的接法:一端与GND连接,另一端与负载连接。

MCU使用HLW7031CFCF1引脚连接HLW7031外部中断引脚,SEL引脚连接普通IO口。CF引脚用于测量功率,电量值,CF1引脚配合SEL引脚用于测量电压、电流有效值。MCU通过测量CFCF1引脚的脉冲周期,计算功率、电压、电流、电量等参数。

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5  MCU与电能计量芯片连接

3、显示模块电路

         显示模块使用HT1621作为显示驱动,HT1621可以驱动4*32段,工作电压为5V,可以满足不同屏的要求,同时HT1621可以驱动无源蜂鸣器,用于提示按键或者警告。MCU将需要显示的数据发送到HT1621完成显示。

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显示驱动电路

4、时钟模块电路

         时钟模块选用实时时钟芯片DS1302,一种高性能、低功耗、带RAM的电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能。采用三线接口与CPU进行同步通信。使用5V供电,DS1302VCC1端接3V锂电池,在断电时也能正确记录时间。

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实时时钟电路

5、继电器控制电路

         为了方便电源电路的设计,选用5V的继电器,控制负载的火线闭合与关断。继电器的闭合与关断通过MCU控制三极管来实现。二极管D4防止继电器反向电动势对三极管Q1的损坏。

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继电器控制电路

6、按键电路

         按键电路部分一共有3个按键:开/关键,向上,向下键。开/关键可以控制继电器的闭合与关断;向上,向下键主要用于设置日期、小时、分、秒,设置定时时间。

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按键电路

7PCB Layout注意事项

1)芯片电源引脚处的去耦电容尽量靠近芯片的引脚。

2)电压通道电阻分压网络,应呈阶梯式分布,逐渐降压,从输入端高压直至计量芯片的取样电压,注意电阻之间的爬电距离。

3)电流采样电阻的地线应和其它地线分开布线,以最短路径走线到主板参考地线输入端(如零线),减少对采样信号的干扰。

4)采样信号线走线要平行且靠近,尽量缩短布线,减小对采样信号的干扰。

5)芯片的地线要能够快速回到电源输入端压敏电阻的地上,减小地线对计量芯片的干扰。

6)电源走线不要走成环形,环形的电源走线容易受外界的电磁场干扰。

7)电压取样布线要和锰铜取样布线隔一定距离,以免相互干扰。

8)所有引线不宜太长,尤其是PCB装配固定后,所有引线不能直接接触计量芯片及其它外围电路。确实无法避免时,所有导线应分组加黄蜡套管,提高绝缘度。

三、计量插座软件设计

1、计量插座主流程图

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10  基于HLW8012的计量插座主流程图

上电初始化之后,开始功率、电流、电压脉冲的周期测量,如果测量完成之后,进行功率、电流、电压计算;如果是正在校准,需要将校准数据保存到EEPROM;按键处理主要包括开或关电源,设置定时自动操作时间;定时处理在定时到设置时间时自动操作;显示处理在LCD屏上显示功率、电量、电流、电压、时钟等数据。

2中断服务子程序流程图:测量脉冲周期的程序。

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11  外部中断服务子程序

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12  定时中断服务子程序

以上是中断服务子程序中运行的内容,多脉冲测量的周期计算、功率值、电压值、电流值等都在大循环程序中运行。

四、结束语

计量插座设计可以在提高电器使用方便性的同时,减少了电器的待机功率,实现节能目的。随后出现的WIFI智能插座、433无线插座、蓝牙智能插座、Zegbee智能插座等都是在此计量插座的基础上衍变而来,随着智能硬件的发展,计量插座衍变出的产品将会更多。



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合力为小默  2018-01-22 10:10:32 

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