智能節(jié)能插座的應(yīng)用設(shè)計

一、智能插座方案主芯片HLW8012 介紹

HLW8012 為插座廠家和智能家居廠家提供了一個高度精確且成本低廉的電能測量解決方案。該集成芯片專為住宅用單相電能表或智能插座設(shè)計，可精確測量電流有效值IRMS 和電壓有效值VRMS、有功功率和電量。

HLW8012 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

HLW8012 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它由2 個可編程增益放大器、2 個Δ-Σ調(diào)制器、配套的高速濾波器、功率計算、功率監(jiān)測、串行接口及相應(yīng)功能寄存器等組成。兩個可編程放大器采集電壓和電流數(shù)據(jù)，Δ-Σ調(diào)制器對模擬量采樣處理，濾取可用電壓、電流數(shù)字信號，并將計算的功率值、電壓有效值和電流有效值通過脈沖指示方式對外輸出。

二、 芯片HLW8012 工作原理

HLW8012 的V1P 和V1N 引腳輸入電流信號波，電流通道集成一個固定增益放大器，允許的最大差分輸入信號為±43.75mV;電壓通道允許的最大輸入信號是±700mV.HLW8012 可以使用低成本的錳銅采樣電阻或電流互感器來測量電流，并使用分壓電阻或電壓互感器來測量電壓，其芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。

三、HLW8012 的主要特性

· 高頻脈沖CF,指示有功功率，滿足50/60Hz IEC 687/1036 標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求，在1000:1范圍內(nèi)達到±0.2%的精度。

· 高頻脈沖CF1,可配置成為輸出電流有效值或者電壓有效值，在500:1 范圍內(nèi)達到±0.5%的精度。

· 內(nèi)置電源監(jiān)控電路，當(dāng)電源電壓低到4V 時，芯片進入復(fù)位狀態(tài)。

· 內(nèi)置2.43V 的電壓參考源。

· 5V 單電源供電，工作電流小于3mA.

· SOP8 封裝

圖2 為智能節(jié)能插座的功能框圖，由電源模塊、主控制器模塊、電能信號采集電路、無線通信模塊組成。圖為智能節(jié)能插座的功能框圖，由電源模塊、主控制器模塊、電能信號采集電路、無線通信模塊組成。主控器為NEC 的9234,為消除串行通訊波特率誤差，晶振設(shè)為11.0592M.電源部分采用AC-DC 電路，由220V 轉(zhuǎn)為12V,再經(jīng)穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換成5V 給主控MCU NEC9234,電能計量IC HLW8012 和繼電器提供電源。由于現(xiàn)在的無線模塊大多采用3.3V的工作電源，所以5V 電源需經(jīng)DC-DC 降壓為3.3V 后，提供給WIFI 無線模塊，如定時開關(guān)，過載報警等。

智能節(jié)能插座的功能框圖

1 電源電路

智能插座電源電路

電源電路有兩路，一路是將交流220V 經(jīng)AC-DC 轉(zhuǎn)換成12V 電源，采用SY50103 芯片，可以提供1A 的電流，紋波控制在100mV 以內(nèi)。開關(guān)電源的優(yōu)勢在于功率小、轉(zhuǎn)換效益高，同時體積也小，適合放入較小體積的插座內(nèi)。開關(guān)電源電路圖如下圖所示：繼電器選用12V 10A 繼電器，12V 繼電器相比5V 繼電器的成本要低一些。由于主控制器和電能計量IC 需提供5V 電源，而無線WIFI 模塊采用是3.3V 電源供電，所以12V 電源出來之后，又分為兩路，一路使用穩(wěn)壓芯片78L05,將電源降到5V,給MCU 和HLW8012 提供電源;另一路采用DC-DC 芯片，將12V 轉(zhuǎn)為3.3V 給無線模塊提供電源。

2 計量功能電路

采樣電路包括電流信號采樣和電壓信號采樣兩部分。

電壓采樣采集的是零線信號上的電壓，由于電壓信號較大，有效值是220V,需通過電阻網(wǎng)絡(luò)降壓的方式實現(xiàn)采樣，通過串聯(lián)6 個470K 的電阻和1 個1K 的電阻進行分壓，然后接入計量芯片HLW8012 的電壓輸入采樣端V2P 引腳。

HLW8012 的V1P 和V1N 引腳是電流采樣通道，采集錳銅電阻兩端的電壓降，電流流經(jīng)錳銅電阻后，會產(chǎn)生一個壓降，不同阻值的錳銅電阻電壓降不同，錳銅電阻的阻值一般選用2豪歐或5 豪歐，阻值不宜過大，當(dāng)有大電流通過的時候，采樣電阻的阻值過大容易造成發(fā)熱，就會影響到采樣電阻的阻值，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

HLW8012 的內(nèi)部DSP 具有一定的增益，經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換模塊后，有功功率、電流有效值

和電壓有效值的輸出頻率可由以下公式計算：

(1)有功功率計算公式：

(2)電流有效值計算公式：

(3)電壓有效值計算公式：

V1:電流通道引腳上的電壓信號

V2:電壓通道引腳上的電壓信號

Fosc:內(nèi)置晶振，典型頻率約為3.579MHz

Vref:內(nèi)置基準(zhǔn)源，典型電壓為2.43V

主控器為單片機NEC 9234,是整個電路的核心控制器，讀取負載電流有效值、電壓有效值及負載功率。并可以通過繼電器，對負載的電源進行開啟或關(guān)閉。控制器通過無線WIFI模塊可以將繼電器的開關(guān)狀態(tài)、工作時間、用電量、電壓有效值和電流有效值數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行存儲和分析，以達到更加智能化的控制目的。

四 智能插座軟件設(shè)計

主程序流程圖：

五 結(jié)語

采用HLW8012 的智能插座方案，能夠準(zhǔn)確的實現(xiàn)對用電器器用電情況的計量;該方案減少了外圍元器件數(shù)目，提高了系統(tǒng)的測量精度，具有可靠性高、精度高、成本低等優(yōu)點。