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基于功率計量芯片HLW8012電視節(jié)能插座方案

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發(fā)布時間：2014-12-26 00:00

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電視節(jié)能插座是一種對傳統(tǒng)排插的改進(jìn)排插，可以測量功率，根據(jù)電視的工作狀態(tài)，自動控制周邊設(shè)備電源的開關(guān)。本文主要講述電視節(jié)能插座的主要功能、硬件原理圖等。此方案采用HLW7021作為控制MCU，以專用功率計量芯片HLW8012為電量采集器件?！　∫?、電視節(jié)能插座原理　　電視節(jié)能插座需要測量功率，同時電視節(jié)能插座產(chǎn)品內(nèi)部空間小，本次設(shè)計使用功率計量芯片HLW8012作為測量器件。因?yàn)镠LW8012內(nèi)置

　　一、電視節(jié)能插座原理

　　電視節(jié)能插座需要測量功率，同時電視節(jié)能插座產(chǎn)品內(nèi)部空間小，本次設(shè)計使用功率計量芯片HLW8012作為測量器件。因?yàn)镠LW8012內(nèi)置晶振、參考源，SOP8封裝，外圍電路簡單，在滿足性能要求的同時，可以做到體積更小。

　　HLW8012主要特性

　　(1)高頻脈沖CF，指示有功功率，在1000:1范圍內(nèi)達(dá)到±0.3%的精度

　　(2)高頻脈沖CF1，指示電流或電壓有效值，使用SEL選擇，在500:1范圍內(nèi)達(dá)到±0.5%的精度

　　(3)內(nèi)置晶振、2.43V電壓參考源及電源監(jiān)控電路

　　(4)5V單電源供電，工作電流小于3mA

　　HLW8012輸入輸出

　　圖1 HLW8012芯片引腳圖

　　(1)V1P，V1N輸入電流采樣信號：峰峰值VP-P：±43.75mV，最大有效值：±30.9mV。

　　(2)V2P輸入電壓采樣信號：峰峰值VP-P：±700mV，最大有效值：±495mV。

　　(3)高頻脈沖CF(PIN6)：指示功率，計算電能;輸出占空比為1:1的方波。

　　(4)高頻脈沖CF1(PIN7)：指示電流或電壓有效值，SEL選擇;輸出占空比為1:1的方波。

　　電視節(jié)能插座實(shí)際上是對傳統(tǒng)排插的改進(jìn)，連接電視及與電視相關(guān)的周邊設(shè)備，如機(jī)頂盒、音箱、功放等。MCU從功率計量模塊獲取電視機(jī)的功率，判斷電視是否正在使用。如果電視正在使用，功率值較大，此時閉合繼電器，打開周邊設(shè)備電源;如果電視正在待機(jī)，功率值較低，些時切斷繼電器，關(guān)閉周邊設(shè)備電源及電視電源。圖2中，紅色插孔為主機(jī)插孔，連接電視機(jī);綠色插孔為副孔，連接周邊設(shè)備;黑色插孔為常通孔，連接不需要被控制的電器。繼電器控制主機(jī)插孔、副孔。用戶需要看電視時，只需按下遙控器2次，直接觀看電視，不需要手動去打開各個周邊設(shè)備的電源;需要關(guān)閉電視，只需按下遙控器1次即可，不需要手動去關(guān)閉各個周邊設(shè)備的電源。電視節(jié)能插座方案結(jié)構(gòu)框圖如下：

　　圖2 電視節(jié)能插座方案結(jié)構(gòu)框圖

　　二、電視節(jié)能插座硬件設(shè)計

　　電視節(jié)能插座硬件設(shè)計相對應(yīng)于結(jié)構(gòu)框圖，有5部分模塊電路：電源管理電路、功率計量電路、紅外接收模塊電路、繼電器控制電路及按鍵。

　　電壓、電流通道的采樣方式有2種：互感器采樣、電阻采樣。本設(shè)計使用電阻采樣方式。

　　1、電源管理電路

　　為了配合電阻采樣方式(即從電網(wǎng)直接采樣信號，非隔離)，電源電路必須為非隔離電源，非隔離電源有2種方式：AC-DC非隔離電源、阻容降壓電源。兩者的比較如下：

　　使用LNK304設(shè)計的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。

　　(1)AC-DC非隔離電源

　　圖3 AC-DC非隔離電源

　　(2)阻容降壓電源

　　下圖是低成本的阻容降壓電源，以零線作為地線：

　　圖4 阻容降壓電源

　　經(jīng)安規(guī)電容C1降壓，二極管整流后，采用1N4749將電源降壓至24V，再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片78L05將輸出電源穩(wěn)定在5V，給HLW8012提供電源，24V用于驅(qū)動繼電器。如果選用12V的繼電器，那么1N4749需改成1N4742，但是安規(guī)電容C1需更改為1uF的電容，以提高驅(qū)動電流。

　　2、紅外接收模塊電路及LED指示

　　紅外接收頭使用KS1838，工作電壓2.7V~5V，工作電流0.8mV，載波頻率38KHz。本文案中使用5V電源，MCU判斷到起始信號之后，將波形的脈沖記錄下來。

　　圖5 紅外接收模塊電路

　　3、功率計量電路

　　功率計量電路使用HLW8012實(shí)現(xiàn)，功率數(shù)據(jù)通過CF引腳以脈沖的方式輸出，脈沖頻率大小表示有功功率值。功率計量電路主要包括電流、電壓的采樣。

　　圖6 功率計量電路

　　電流信號是通過錳銅電阻(R29，2mΩ)對主機(jī)孔的電流進(jìn)行采樣，信號量小于30.9mV;電壓信號是通過電阻網(wǎng)絡(luò)(R21, R22, R23, R24, R26)對交流電壓進(jìn)行分壓采樣，信號量小于495mV。錳銅電阻的接法：一端與GND連接，另一端與負(fù)載連接。

　　MCU使用HLW7021，CF引腳連接HLW7021外部中斷引腳。MCU通過測量CF引腳的脈沖周期，計算功率。

　　圖7 MCU與功率計量芯片連接

　　4、按鍵電路

　　按鍵電路部分只有1個按鍵?？梢杂糜陉P(guān)閉插孔電源;長按按鍵進(jìn)入紅外學(xué)習(xí)模式;在紅外學(xué)習(xí)模式長按進(jìn)入功率學(xué)習(xí)模式。

　　圖8 按鍵電路

　　5、繼電器控制電路

　　如果選用AC-DC電源，可選用5V的繼電器;如果選用阻容降壓電容，可選用12V/24V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MCU控制三極管來實(shí)現(xiàn)。二極管D4防止繼電器反向電動勢對三極管Q1的損壞。

　　圖9 繼電器控制電路

　　6、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)，減少對采樣信號的干擾。

　　(4)采樣信號線走線要平行且靠近，盡量縮短布線，減小對采樣信號的干擾。

　　(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，減小地線對計量芯片的干擾。

　　(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，尤其是PCB裝配固定后，所有引線不能直接接觸計量芯片及其它外圍電路。確實(shí)無法避免時，所有導(dǎo)線應(yīng)分組加黃蠟套管，提高絕緣度。

　　三、電視節(jié)能插座軟件設(shè)計

　　1、電視節(jié)能插座主流程圖

　　圖10 基于HLW8012的電視節(jié)能插座主流程圖

　　上電初始化之后，開始功率脈沖的周期測量。功率測量成功之后，根據(jù)模式進(jìn)行相應(yīng)處理。紅外接收成功之后，根據(jù)模式進(jìn)行相應(yīng)處理。按鍵處理主要包括開或關(guān)電源，進(jìn)入紅外學(xué)習(xí)模式，進(jìn)入功率學(xué)習(xí)模式;模式處理根據(jù)相應(yīng)的模式控制繼電器的閉合與切斷、LED指示燈。

　　2、中斷服務(wù)子程序流程圖：測量脈沖周期的程序。

　　圖11 外部中斷服務(wù)子程序

　　圖12 定時中斷服務(wù)子程序

　　以上是中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行的內(nèi)容。

　　四、結(jié)束語

　　電視節(jié)能插座設(shè)計可以在提高電視使用方便性的同時，減少了周邊設(shè)備的待機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。隨著現(xiàn)在電器使用越來越多，待機(jī)能耗浪費(fèi)越來越多，如電視節(jié)能插座來的節(jié)能配件將會越來越多，如電腦節(jié)能插座，WIFI智能插座，藍(lán)牙無線插座等。

　　鏈接：www.ekxox.cn

關(guān)鍵詞：

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