功率显示表是一种用于显示电量数据的仪表，是针对电力系统、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的。本文主要讲述功率显示表的主要功能、硬件原理图等。该功率显示表可以对单相交流电路中的用电设备进行功率、电压和电流等参数的检测。仪表采用HLW7021作为控制MCU,以专用电能计量集成电路芯片HLW8012为电量采集的核心器件，显示电路由芯片SM1642驱动4位数码管显示。
一、功率显示表原理
为了能够测量单相电路中的电流、电压、功率、电量和功率因系素等有效值，本次设计的采样电路以电能计量芯片HLW8012为主，不需使用复杂的设计电路和编写复杂的软件。因为HLW8012内置了晶振和参考电源，所以外围电路非常简单。
HLW8012主要特性
(1)高频脉冲CF，指示有功功率，在1000:1范围内达到±0.3%的精度
(2)高频脉冲CF1，指示电流或电压有效值，使用SEL选择，在500:1范围内达到±0.5%的精度
(3)内置晶振、2.43V电压参考源及电源监控电路
(4)5V单电源供电，工作电流小于3mA
HLW8012输入输出
图1 芯片引脚图
功率显示表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，并通过4位数码管进行显示。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，主控制器模块和显示模块。
功率显示表的原理框图如下:
图2 功能显示表原理框图
二、功率显示表硬件设计
电能检测有两种方法，一是隔离采样，二是非隔离采用。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，此电路设计简单，无需变压器器件，就可以输出稳定的5V电源。
图3 AC-DC电路原理图
此电路可以提供150mA左右的电流，具有较宽的电源输入范围，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。
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，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R11,C9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4 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为低电平时，CF1输出的是电流有效值。
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5 MCU外围电路
4、显示模块
显示模块采用具有串行接口的数码管驱动芯片SM1642,SM1642是一款基于LED数码驱动控制的集成电路，内部集成了18位的移位寄存器、上电复位等电路模块。SM1642具有超强的输入端口抗干扰能力，且在输入端口内置上拉电阻，显示模式为4位8段。
图6 显示驱动电路
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