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基于功率计量芯片HLW8012计量插座方案

基于功率计量芯片HLW8012计量插座方案

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  • 发布时间:2014-12-10 00:00
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【概要描述】随着家用电器使用越来越多,能源消耗越来越大,尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求,节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法,计量插座是其中一种节能插座。  一、引言  随着家用电器使用越来越多,能源消耗越来越大,尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求,节能智能插座成为现在最有

基于功率计量芯片HLW8012计量插座方案

【概要描述】随着家用电器使用越来越多,能源消耗越来越大,尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求,节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法,计量插座是其中一种节能插座。  一、引言  随着家用电器使用越来越多,能源消耗越来越大,尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求,节能智能插座成为现在最有

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  随着家用电器使用越来越多,能源消耗越来越大,尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求,节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法,计量插座是其中一种节能插座。

  一、引言

  随着家用电器使用越来越多,能源消耗越来越大,尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利、电器更加智能、更加节能的要求,节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法,计量插座是其中一种节能插座。本方案使用深圳市合力为科技的功率计量芯片HLW8012设计。本文主要介绍计量插座的原理及硬件设计。

  二、计量插座原理

  1、计量插座方案结构图

  计量插座主要包括6个部分:电源管理模块、功率计量模块、主控制器模块、显示模块、继电器模块及按键模块。如图1所示。

  

  图1 计量插座方案结构框图

  2、模块说明

  (1)电源管理模块:非隔离电源。提供功率计量、主控制器、显示模块的工作电压;

  (2)功率计量模块:计量芯片HLW8102采样电流、电压,计算电量、功率、电压、电流;

  (3)主控制器模块:从功率计量模块获取功率、电量、电流、电压值;将数据送到显示模块;接收按键输入;

  (4)显示模块:显示当前功率、电量、电压、电流,时钟等;

  (5)按键模块:输入指令,设置各个定时;

  (6)继电器模块:控制插座插孔电源关闭及打开;

  (7)时钟模块:显示当前时钟,并提供时间数据给MCU,用于定时操作继电器闭合或切断;

  三、计量插座硬件设计

  计量插座硬件设计相对应于结构框图,有6部分模块电路:电源管理电路、功率计量电路、显示模块电路、继电器控制电路、时钟电路及按键。

  1、电源管理电路

  使用LNK304设计的AC-DC非隔离电源,L与N分别是交流火线与零线,以零线作为地线。此电路无需变压器,稳压5V,可以提供150mA左右的电流,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。此电源为所有模块提供工作电压。

  

  图2 AC-DC非隔离电源

  2、电能计量电路

  电源计量电路使用HLW8012实现,功率、电压、电流等数据通过CF、CF1引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,当SEL为低电平时,CF1输出的是电流有效值。HLW8012集成内置振荡器、参考电源,外围简单,包括电流、电压的采样。

  

  图3 电能计量电路

  电流信号是通过锰铜电阻(R29,2mΩ)对负载的电流进行采样,信号量小于30.9mV;电压信号是通过电阻网络(R21, R22, R23, R24, R26)对交流电压进行分压采样,信号量小于495mV。锰铜电阻的接法:一端与GND连接,另一端与负载连接。

  3、控制器与电能计量芯片连接

  MCU使用HLW7031,CF、CF1引脚连接HLW7031外部中断引脚,SEL引脚连接普通IO口。CF引脚用于测量功率,电量值,CF1引脚配合SEL引脚用于测量电压、电流有效值。

  

  图4 MCU与电能计量芯片连接

  4、显示模块电路

  显示模块使用HT1621作为显示驱动,HT1621可以驱动4*32段,可以满足不同屏的要求,同时HT1621可以驱动无源蜂鸣器,用于提示按键或者警告。

  

  图5 显示驱动电路

  5、时钟模块电路

  时钟模块选用实时时钟芯片DS1302,一种高性能、低功耗、带RAM的电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能。采用三线接口与CPU进行同步通信。使用5V供电,DS1302的VCC1端接3V锂电池,用于保持时钟计时。

  

  图6 实时时钟电路

  6、继电器控制电路

  为了方便电源电路的设计,选用5V的继电器,控制负载的火线闭合与关断。继电器的闭合与关断通过MCU控制三极管来实现。二极管D4防止继电器反向电动势对三极管Q1的损坏。

  

  图7 继电器控制电路

  7、按键电路

  按键电路部分一共有3个按键:开/关键,向上,向下键。开/关键可以控制继电器的闭合与关断;向上,向下键主要用于设置时的数字调整。

  

  图8 按键电路

  8、电能计量部分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。

  (2)电压通道电阻分压网络,应呈阶梯式分布,逐渐降压,从输入端高压直至计量芯片的取样电压,注意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布线,以最短路径走线到主板参考地线输入端(如零线),减少对采样信号的干扰。

  (4)采样信号线走线要平行且靠近,尽量缩短布线,减小对采样信号的干扰。

  (5)芯片的地线要能够快速回到电源输入端压敏电阻的地上,减小地线对计量芯片的干扰。

  (6)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。

  (7)电压取样布线要和锰铜取样布线隔一定距离,以免相互干扰。

  (8)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。

  链接:www.hiliwi.com

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