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基于功率计量芯片HLW8012计量插座方案
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- 发布时间：2014-12-10 00:00
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【概要描述】随着家用电器使用越来越多 ，能源消耗越来越大，尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求 ，节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质 、解决节能问题的方法 ，计量插座是其中一种节能插座 。 一、引言 随着家用电器使用越来越多 ，能源消耗越来越大，尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大 。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求，节能智能插座成为现在最有
基于功率计量芯片HLW8012计量插座方案
【概要描述】随着家用电器使用越来越多，能源消耗越来越大，尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求 ，节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法，计量插座是其中一种节能插座 。 一、引言 随着家用电器使用越来越多，能源消耗越来越大，尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能 、更加节能的要求，节能智能插座成为现在最有
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随着家用电器使用越来越多，能源消耗越来越大，尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大 。面对生活更加便利、电器更加智能 、更加节能的要求，节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法 ，计量插座是其中一种节能插座。
一 、引言
随着家用电器使用越来越多，能源消耗越来越大，尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求，节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法 ，计量插座是其中一种节能插座。本方案使用深圳市冰球突破豪华版科技的功率计量芯片HLW8012设计 。本文主要介绍计量插座的原理及硬件设计。
二、计量插座原理
1、计量插座方案结构图
计量插座主要包括6个部分：电源管理模块、功率计量模块、主控制器模块、显示模块、继电器模块及按键模块 。如图1所示。
图1 计量插座方案结构框图
2、模块说明
(1)电源管理模块：非隔离电源。提供功率计量、主控制器、显示模块的工作电压;
(2)功率计量模块：计量芯片HLW8102采样电流、电压 ，计算电量 、功率、电压 、电流;
(3)主控制器模块：从功率计量模块获取功率、电量、电流、电压值;将数据送到显示模块;接收按键输入;
(4)显示模块：显示当前功率 、电量、电压 、电流，时钟等;
(5)按键模块：输入指令，设置各个定时;
(6)继电器模块：控制插座插孔电源关闭及打开;
(7)时钟模块：显示当前时钟 ，并提供时间数据给MCU ，用于定时操作继电器闭合或切断;
三、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、功率计量电路、显示模块电路 、继电器控制电路、时钟电路及按键 。
1、电源管理电路
使用LNK304设计的AC-DC非隔离电源，L与N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。
图2 AC-DC非隔离电源
2 、电能计量电路
电源计量电路使用HLW8012实现，功率 、电压、电流等数据通过CF、CF1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。
图3 电能计量电路
电流信号是通过锰铜电阻(R29，2mΩ)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 。
3、控制器与电能计量芯片连接
MCU使用HLW7031，CF 、CF1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。
图4 MCU与电能计量芯片连接
4、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，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 。
图5 显示驱动电路
5、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，DS1302的VCC1端接3V锂电池，用于保持时钟计时。
图6 实时时钟电路
6 、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。
图7 继电器控制电路
7、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时的数字调整 。
图8 按键电路
8、电能计量部分PCB 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。
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