基于功率計(jì)量芯片HLW8012計(jì)量插座方案
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發(fā)布時(shí)間：2014-12-10 00:00
隨著家用電器使用越來(lái)越多，能源消耗越來(lái)越大，尤其是由于人為習(xí)慣造成的待機(jī)功耗浪費(fèi)更大。面對(duì)生活更加便利、電器更加智能、更加節(jié)能的要求，節(jié)能智能插座成為現(xiàn)在最有效提高人們生活品質(zhì)、解決節(jié)能問(wèn)題的方法，計(jì)量插座是其中一種節(jié)能插座?！ ∫?、引言 隨著家用電器使用越來(lái)越多，能源消耗越來(lái)越大，尤其是由于人為習(xí)慣造成的待機(jī)功耗浪費(fèi)更大。面對(duì)生活更加便利、電器更加智能、更加節(jié)能的要求，節(jié)能智能插座成為現(xiàn)在最有
隨著家用電器使用越來(lái)越多，能源消耗越來(lái)越大，尤其是由于人為習(xí)慣造成的待機(jī)功耗浪費(fèi)更大。面對(duì)生活更加便利、電器更加智能、更加節(jié)能的要求，節(jié)能智能插座成為現(xiàn)在最有效提高人們生活品質(zhì)、解決節(jié)能問(wèn)題的方法，計(jì)量插座是其中一種節(jié)能插座。
一、引言
隨著家用電器使用越來(lái)越多，能源消耗越來(lái)越大，尤其是由于人為習(xí)慣造成的待機(jī)功耗浪費(fèi)更大。面對(duì)生活更加便利、電器更加智能、更加節(jié)能的要求，節(jié)能智能插座成為現(xiàn)在最有效提高人們生活品質(zhì)、解決節(jié)能問(wèn)題的方法，計(jì)量插座是其中一種節(jié)能插座。本方案使用深圳市合力為科技的功率計(jì)量芯片HLW8012設(shè)計(jì)。本文主要介紹計(jì)量插座的原理及硬件設(shè)計(jì)。
二、計(jì)量插座原理
1、計(jì)量插座方案結(jié)構(gòu)圖
計(jì)量插座主要包括6個(gè)部分：電源管理模塊、功率計(jì)量模塊、主控制器模塊、顯示模塊、繼電器模塊及按鍵模塊。如圖1所示。
圖1 計(jì)量插座方案結(jié)構(gòu)框圖
2、模塊說(shuō)明
(1)電源管理模塊：非隔離電源。提供功率計(jì)量、主控制器、顯示模塊的工作電壓;
(2)功率計(jì)量模塊：計(jì)量芯片HLW8102采樣電流、電壓，計(jì)算電量、功率、電壓、電流;
(3)主控制器模塊：從功率計(jì)量模塊獲取功率、電量、電流、電壓值;將數(shù)據(jù)送到顯示模塊;接收按鍵輸入;
(4)顯示模塊：顯示當(dāng)前功率、電量、電壓、電流，時(shí)鐘等;
(5)按鍵模塊：輸入指令，設(shè)置各個(gè)定時(shí);
(6)繼電器模塊：控制插座插孔電源關(guān)閉及打開(kāi);
(7)時(shí)鐘模塊：顯示當(dāng)前時(shí)鐘，并提供時(shí)間數(shù)據(jù)給MCU，用于定時(shí)操作繼電器閉合或切斷;
三、計(jì)量插座硬件設(shè)計(jì)
計(jì)量插座硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)框圖，有6部分模塊電路：電源管理電路、功率計(jì)量電路、顯示模塊電路、繼電器控制電路、時(shí)鐘電路及按鍵。
1、電源管理電路
使用LNK304設(shè)計(jì)的AC-DC非隔離電源，L與N分別是交流火線與零線，以零線作為地線。此電路無(wú)需變壓器，穩(wěn)壓5V，可以提供150mA左右的電流，能夠保證在AC85V~265V的交流范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，紋波也很小，在50mV左右。此電源為所有模塊提供工作電壓。
圖2 AC-DC非隔離電源
2、電能計(jì)量電路
電源計(jì)量電路使用HLW8012實(shí)現(xiàn)，功率、電壓、電流等數(shù)據(jù)通過(guò)CF、CF1引腳以脈沖的方式輸出。CF腳輸出的脈沖頻率大小即表示有功功率值，CF輸出的脈沖個(gè)數(shù)表示的是用電量的信息。當(dāng)SEL為高電平時(shí)，CF1輸出的脈沖頻率表示電壓有效值，當(dāng)SEL為低電平時(shí)，CF1輸出的是電流有效值。HLW8012集成內(nèi)置振蕩器、參考電源，外圍簡(jiǎn)單，包括電流、電壓的采樣。
圖3 電能計(jì)量電路
電流信號(hào)是通過(guò)錳銅電阻(R29，2mΩ)對(duì)負(fù)載的電流進(jìn)行采樣，信號(hào)量小于30.9mV;電壓信號(hào)是通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)(R21, R22, R23, R24, R26)對(duì)交流電壓進(jìn)行分壓采樣，信號(hào)量小于495mV。錳銅電阻的接法：一端與GND連接，另一端與負(fù)載連接。
3、控制器與電能計(jì)量芯片連接
MCU使用HLW7031，CF、CF1引腳連接HLW7031外部中斷引腳，SEL引腳連接普通IO口。CF引腳用于測(cè)量功率，電量值，CF1引腳配合SEL引腳用于測(cè)量電壓、電流有效值。
圖4 MCU與電能計(jì)量芯片連接
4、顯示模塊電路
顯示模塊使用HT1621作為顯示驅(qū)動(dòng)，HT1621可以驅(qū)動(dòng)4*32段，可以滿(mǎn)足不同屏的要求，同時(shí)HT1621可以驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器，用于提示按鍵或者警告。
圖5 顯示驅(qū)動(dòng)電路
5、時(shí)鐘模塊電路
時(shí)鐘模塊選用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，一種高性能、低功耗、帶RAM的電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信。使用5V供電，DS1302的VCC1端接3V鋰電池，用于保持時(shí)鐘計(jì)時(shí)。
圖6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
6、繼電器控制電路
為了方便電源電路的設(shè)計(jì)，選用5V的繼電器，控制負(fù)載的火線閉合與關(guān)斷。繼電器的閉合與關(guān)斷通過(guò)MCU控制三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。二極管D4防止繼電器反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)三極管Q1的損壞。
圖7 繼電器控制電路
7、按鍵電路
按鍵電路部分一共有3個(gè)按鍵：開(kāi)/關(guān)鍵，向上，向下鍵。開(kāi)/關(guān)鍵可以控制繼電器的閉合與關(guān)斷;向上，向下鍵主要用于設(shè)置時(shí)的數(shù)字調(diào)整。
圖8 按鍵電路
8、電能計(jì)量部分PCB Layout注意事項(xiàng)
(1)芯片電源引腳處的去耦電容盡量靠近芯片的引腳。
(2)電壓通道電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)呈階梯式分布，逐漸降壓，從輸入端高壓直至計(jì)量芯片的取樣電壓，注意電阻之間的爬電距離。
(3)電流采樣電阻的地線應(yīng)和其它地線分開(kāi)布線，以最短路徑走線到主板參考地線輸入端(如零線)，減少對(duì)采樣信號(hào)的干擾。
(4)采樣信號(hào)線走線要平行且靠近，盡量縮短布線，減小對(duì)采樣信號(hào)的干擾。
(5)芯片的地線要能夠快速回到電源輸入端壓敏電阻的地上，減小地線對(duì)計(jì)量芯片的干擾。
(6)電源走線不要走成環(huán)形，環(huán)形的電源走線容易受外界的電磁場(chǎng)干擾。
(7)電壓取樣布線要和錳銅取樣布線隔一定距離，以免相互干擾。
(8)所有引線不宜太長(zhǎng)，尤其是PCB裝配固定后，所有引線不能直接接觸計(jì)量芯片及其它外圍電路。確實(shí)無(wú)法避免時(shí)，所有導(dǎo)線應(yīng)分組加黃蠟套管，提高絕緣度。
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