1、智能家电的功率检测模块引言随着信息技术的发展,日常生活使用的家电产品也朝着网络化、信息化、智能化方向发展,网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术设计改进的家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络,同时又可以与 Internet 相连接。目前认为比较可行的网络家电包括网络冰箱、网络空调、网络洗衣、网络微波炉等。目前家用电器能够采集到的数据比较有限,尤其是对用户产生价值的数据。电能监测模块很好的解决了关于用电数据这块的问题,使用户可以随时的了解家用电器的用电量、功率,以及通过这些数据了解家用电器的健康状况。摘要基于 HLW8012 设计的电能计量模块,可以有效的检测家用电器的负载
2、功率、用电量、当前电压、电流及功率因素。基于功率测量芯片 HLW8012 的电能信息采集模块,采集的电能数据通过脉冲的方式传输给单片机。单片机采用 STC15F102 作为主控制器,对采集到的数据进行分析和处理后,将用电数据进行保存,并通过 UART 或 SPI 通讯方式,传送给信息处理终端,信息处理终端通过采集得到的数据,可以清楚的了解到家用电器的用电状况及使用状态是否良好,同时也可以将这些数据实时的反馈给用户,让用户也可以实时了解家用电器的使用情况。关键词功率计量,功率检测,功率计量模块,功率计量芯片,功率计量方案,HLW8012,智能家电,功率监测模块正文一、功率检测模块原理功率检测模块
3、是对负载设备的用电情况进行实时的检测,将负载设备的用电数据进行收集,提供给控制终端。使用 HLW8012 设计的功率检测模块的测量精度 0.3%,可以准确的测量功率、用电量等信息,具有性能稳定、设计简单等特点。功率检测模块的原理框图如下:电 源 功 能 模 块功 率 采 集模 块数 据 输 出模 块主 控 制 器模 块A C 8 5 V 2 6 5 V信 号 采 集隔 离模 块U A R TI 2 CS P I图 1 功率检测模块原理框图功率检测模块主要包含以下几个系统模块:电源模块,功率采集模块,主控制器模块和系统隔离模块。二、功率检测模块硬件设计电能检测有两种方法,一是隔离采样,二是非隔离
4、采用。隔离采用是指采用互感器的方法进行采用,前端的电量信号使用电压互感器和电流互感器进行隔离并采样,此方法的缺点是造成模块的体积大且成本高。我们使用第二种方法进行采样。1、电源模块由于 HLW8012 的供电电压是 5V,所以需要使用单独的电源供电,可以采用非隔离的AC-DC 电源芯片输出 5V。图 2 AC-DC 电路原理图此电路可以提供 50mA 以内的电流,具有较宽的电源输入范围,能够保证在AC85V265V 的交流范围内,实现稳定的电压输出,纹波也很小,在 50mV 左右。2、功率检测模块HLW8012 内置了晶振及参考电源,所以外围采样电路非常精简,外围只需要 12 个电阻电容器件,
5、即组成了对电量信息的采集电路。电压采样通过电阻分压的方法进行测量,将市电上的电压经 5 个电阻进行分压,降至 100mV 左右进行采样。电流采样部分由 0.002欧姆的鏮铜电阻,及 R28,C11 等滤滤阻容件组成。负载电流从鏮铜电阻流过,使得电流信号转换成电压信号,再通过 HLW8012 进行采集。图 3 是功率检测模块的原理图。 图 3 功率检测原理图HLW8012 将功率、电压、电流等数据通过 CF、CF1 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上,当 SEL
6、为低电平时,CF1 输出的是电流有效值。HLW8012 的 CF 脚输出的脉冲频率的周期表示功率值 P,功率越大,CF 脚输出的脉冲频率越大,且成比例变化。即: ;所以,己知 Pref、fref 和 F,就可以计算出当前负载=的功率值。同理,电压及电流也适用于此公式。3、主控制器模块由于受到体积及成本控制因系的影响,我们选用 STC 的 15F102 单片机作为主控MCU。STC15F102 具有体积小, SOP8 封装,可靠性高等优点。 MCU 对 HLW8012 的输出信号进行采集,将 HLW8012 的脉冲信号转化为数据信号以及统计负载电器的用电量,通过模拟串口的方式将数据发送出去。图
7、4 MCU 外围电路4、隔离模块因为是采用的非隔离方法进行采样,所以模块需要对强电进行隔离,这里采用光藕的方法对采样部分进行隔离,并通过光藕将数据传送给控制模块。图 5 光藕电路四、 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,这样才能起到比较好的滤波效果。2、电压通道电阻分压网络,应呈阶梯式分布,逐渐降压(从输入端强压直至计量芯片的取样电压) ,应注意电阻与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走线,减少其它信号对采样信号的干扰。如下图所示,采样电阻信号线 I-和 N 从输入端分两条线布线。4、采样信号线走线要平行且靠近,尽量缩短他们的走线,这样可以减小外界对计量芯片的干扰。5、芯片的地线要让它能够快速的回到电源输入端压敏电阻的地上,这样可以减小地线上对计量芯片的干扰。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。电压取样连接线要和锰铜取样连接线分隔一定距离,以免相互干扰。6、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。