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智能节能型插座的设计图

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  HLW8012 的内部结构

  HLW8012 的内部结构如图1 所示。它由2 个可编程增益放大器、2 个Δ-Σ调制器、配套的高速滤波器、功率计算、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。两个可编程放大器采集电压和电流数据,Δ-Σ调制器对模拟量采样处理,滤取可用电压、电流数字信号,并将计算的功率值、电压有效值和电流有效值通过脉冲指示方式对外输出。

  二、 芯片HLW8012 工作原理

  HLW8012 的V1P 和V1N 引脚输入电流信号波,电流通道集成一个固定增益放大器,允许的最大差分输入信号为±43.75mV;电压通道允许的最大输入信号是±700mV.HLW8012 可以使用低成本的锰铜采样电阻或电流互感器来测量电流,并使用分压电阻或电压互感器来测量电压,其芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。

  三、HLW8012 的主要特性

  · 高频脉冲CF,指示有功功率,满足50/60Hz IEC 687/1036 标准的准确度要求,在1000:1范围内达到±0.2%的精度。

  · 高频脉冲CF1,可配置成为输出电流有效值或者电压有效值,在500:1 范围内达到±0.5%的精度。

  · 内置电源监控电路,当电源电压低到4V 时,芯片进入复位状态。

  · 内置2.43V 的电压参考源。

  · 5V 单电源供电,工作电流小于3mA.

  · SOP8 封装

  图2 为智能节能插座的功能框图,由电源模块、主控制器模块、电能信号采集电路、无线通信模块组成。图为智能节能插座的功能框图,由电源模块、主控制器模块、电能信号采集电路、无线通信模块组成。主控器为NEC 的9234,为消除串行通讯波特率误差,晶振设为11.0592M.电源部分采用AC-DC 电路,由220V 转为12V,再经稳压芯片转换成5V 给主控MCU NEC9234,电能计量IC HLW8012 和继电器提供电源。由于现在的无线模块大多采用3.3V的工作电源,所以5V 电源需经DC-DC 降压为3.3V 后,提供给WIFI 无线模块,如定时开关,过载报警等。

  智能节能插座的功能框图

  1 电源电路

  智能插座电源电路

  电源电路有两路,一路是将交流220V 经AC-DC 转换成12V 电源,采用SY50103 芯片,可以提供1A 的电流,纹波控制在100mV 以内。开关电源的优势在于功率小、转换效益高,同时体积也小,适合放入较小体积的插座内。开关电源电路图如下图所示:继电器选用12V 10A 继电器,12V 继电器相比5V 继电器的成本要低一些。由于主控制器和电能计量IC 需提供5V 电源,而无线WIFI 模块采用是3.3V 电源供电,所以12V 电源出来之后,又分为两路,一路使用稳压芯片78L05,将电源降到5V,给MCU 和HLW8012 提供电源;另一路采用DC-DC 芯片,将12V 转为3.3V 给无线模块提供电源。

  2 计量功能电路

  采样电路包括电流信号采样和电压信号采样两部分。

  电压采样采集的是零线信号上的电压,由于电压信号较大,有效值是220V,需通过电阻网络降压的方式实现采样,通过串联6 个470K 的电阻和1 个1K 的电阻进行分压,然后接入计量芯片HLW8012 的电压输入采样端V2P 引脚。

  HLW8012 的V1P 和V1N 引脚是电流采样通道,采集锰铜电阻两端的电压降,电流流经锰铜电阻后,会产生一个压降,不同阻值的锰铜电阻电压降不同,锰铜电阻的阻值一般选用2豪欧或5 豪欧,阻值不宜过大,当有大电流通过的时候,采样电阻的阻值过大容易造成发热,就会影响到采样电阻的阻值,使测量结果不准确。

  HLW8012 的内部DSP 具有一定的增益,经过频率转换模块后,有功功率、电流有效值

  和电压有效值的输出频率可由以下公式计算:

  (1)有功功率计算公式:

  (2)电流有效值计算公式:

  (3)电压有效值计算公式:

  V1:电流通道引脚上的电压信号

  V2:电压通道引脚上的电压信号

  Fosc:内置晶振,典型频率约为3.579MHz

  Vref:内置基准源,典型电压为2.43V

  主控器为单片机NEC 9234,是整个电路的核心控制器,读取负载电流有效值、电压有效值及负载功率。并可以通过继电器,对负载的电源进行开启或关闭。控制器通过无线WIFI模块可以将继电器的开关状态、工作时间、用电量、电压有效值和电流有效值数据传输给服务器,服务器对数据进行存储和分析,以达到更加智能化的控制目的。

  四 智能插座软件设计

  主程序流程图:

  五 结语

  采用HLW8012 的智能插座方案,能够准确的实现对用电器器用电情况的计量;该方案减少了外围元器件数目,提高了系统的测量精度,具有可靠性高、精度高、成本低等优点。

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