深圳市合力為科技有限公司
基于電能計量芯片HLW8012的應(yīng)用研究
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發(fā)布時間：2014-12-05 00:00
HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，廣泛應(yīng)用于智能家電、智能電能采集終端，如WIFI智能插座、普通計量插座、電視智能節(jié)能插座、電腦智能節(jié)能插座，智能路燈、智能LED燈等應(yīng)用場合。本文主要介紹HLW8012軟硬件設(shè)計，應(yīng)用場合?！ ∫?、引言 HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值
HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，廣泛應(yīng)用于智能家電、智能電能采集終端，如WIFI智能插座、普通計量插座、電視智能節(jié)能插座、電腦智能節(jié)能插座，智能路燈、智能LED燈等應(yīng)用場合。本文主要介紹HLW8012軟硬件設(shè)計，應(yīng)用場合。
一、引言
HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，廣泛應(yīng)用于智能家電、智能電能采集終端，如WIFI智能插座、普通計量插座、電視智能節(jié)能插座、電腦智能節(jié)能插座，智能路燈、智能LED燈等應(yīng)用場合。本文主要介紹HLW8012軟硬件設(shè)計，應(yīng)用場合。
二、HLW8012介紹
1、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
2、HLW8012輸入輸出
圖1 芯片引腳圖
模擬信號輸入
(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。
數(shù)字信號輸出
(1)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。
(2)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。
注：MCU與HLW8012的接口不是使用協(xié)議進行讀取，而是通過測量CF、CF1引腳輸出高頻脈沖的周期來計算功率、電流、電壓值。
三、HLW8012硬件設(shè)計
所有電能計量測量，電壓、電流通道的采樣方式有2種：互感器采樣方式、電阻采樣方式?；ジ衅鞑蓸臃绞匠杀靖?，本文只介紹電阻采樣方式。
1、電源電路
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：
用戶可根據(jù)產(chǎn)品的不同要求，選用不同的電源電路。
(1)AC-DC非隔離電源
下圖是其中一種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。此設(shè)計得到電壓為5V，驅(qū)動電流大約50mA，根據(jù)產(chǎn)品需求可以增加元器件提高驅(qū)動能力。
圖2 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3 阻容降壓電源
經(jīng)安規(guī)電容C1降壓，二極管整流后，采用1N4738將電源降壓至8.2V，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。選用0.68uF的安規(guī)電容，電源電路大約可以提供20mA-30mA的驅(qū)動電流;如果需要設(shè)計更小體積的系統(tǒng)，可以選用0.47uF的小體積的安規(guī)電容，驅(qū)動電流約在15mA。如果需要驅(qū)動繼電器，建議使用更大的電容，比如1uF。
2、電能計量電路
HLW8012集成內(nèi)置振蕩器、參考電源，外圍電路簡單，主要包括電流、電壓的采樣。電流信號是通過錳銅電阻(R29)對負載電流進行采樣，電壓信號是通過電阻網(wǎng)絡(luò)(R21, R22, R23, R24, R26)分壓采樣，電路設(shè)計如下：
圖4 電能計量電路
電壓通道采樣得到的電壓信號不能超過495mV，電流通道采樣得到的電壓信號不能超過30.9mV。一般情況，電壓通道采樣電阻網(wǎng)絡(luò)可以如上圖比值即可。
電流通道的錳銅電阻需根據(jù)不同最大電流值選擇不同阻值，建議表如下：(電流采樣電阻額定功率建議>=2W)
注意錳銅電阻的接法：一端與GND連接，另一端與負載連接。
3、MCU與HLW8012的接口
MCU與HLW8012的接口有2種情況：MCU與HLW8012直連、MCU通過光耦與HLW8012連接
(1)MCU與HLW8012直連
若MCU與HLW8012的工作電源為同一個，且MCU其它控制不需要隔離措施，那么MCU可以與HLW8012的接口直連。
圖5 MCU與HLW8012直連
HLW8012高頻脈沖引腳連接MCU的外部中斷，SEL連接普通IO口。接口資源如下表：
(2)MCU通過光耦與HLW8012連接
若MCU工作電源為隔離電源，則與HLW8012的連接必須通過光耦隔離，再連接光耦輸出或輸入。MCU的接口資源與直接情況下的一致。
HLW8012與光耦連接的電路如下圖。
圖6 MCU通過光耦與HLW8012連接
4、HLW8012部分PCB Layout注意事項
(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。確實無法避免時，所有導(dǎo)線應(yīng)分組加黃蠟套管，提高絕緣度。
四、HLW8012軟件設(shè)計
HLW8012的脈沖輸出圖如下：
圖7 HLW8012脈沖
1、脈沖測量原理
測量1個脈沖周期的長短，就是測量相鄰2個下降沿(或上升沿)的時間間隔T。測量到周期之后就可以根據(jù)比例關(guān)系計算功率值、電壓值、電流值。所有電能計量設(shè)備，由于外圍采樣器件如錳銅電阻、分壓電阻存在較大的誤差，導(dǎo)致MCU實際測量到的周期與理論周期誤差比較大(最大20%)，所以所有電能計量設(shè)備必須對周期進行校準。
2、脈沖測量方法
為了提高測量精度，CF、CF1與MCU外部中斷IO相連，外部中斷模式設(shè)置為下降沿觸發(fā)中斷，使用MCU外部中斷來確定2次中斷間隔，使用MCU定時器來測量相鄰2次外部中斷的時間間隔。
3、流程圖
主要闡述測量HLW8012輸出脈沖周期的流程圖。脈沖周期的測量主要是計時、計數(shù)，運行于中斷服務(wù)子程序中。以下是外部中斷、定時器中斷服務(wù)子程序：
圖9 外部中斷服務(wù)子程序
圖10 定時中斷服務(wù)子程序
圖11 周期測量結(jié)束的操作
以上是中斷服務(wù)子程序中運行的內(nèi)容，多脈沖測量的周期計算、功率值、電壓值、電流值等都在大循環(huán)程序中運行。
五、應(yīng)用場合
HLW8012可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，外圍元器件少，SOP8封裝，適合于許多電能測量場合，尤其是體積要求小的產(chǎn)品。
1、插座類如：計量插座、WIFI智能插座、電視腦智能節(jié)能插座、電腦智能節(jié)能插座等;
(1)普通計量插座：相當于插座轉(zhuǎn)接口。
A、可以顯示電器當前功率、電壓、電流值、累計電量;
B、顯示當前時間;
C、設(shè)置定時，比如多少時間之后關(guān)閉或打開電源;
D、設(shè)置循環(huán)定時，比如一周中哪幾天的特定時間打開或關(guān)閉電源;
E、大功率保護，當功率大于某值時，關(guān)閉電源;
(2)無線智能插座：如WIFI智能插座、433智能插座、藍牙智能插座、Zegbee智能插座等。
A、是在普通計量插座的基礎(chǔ)上增加無線控制功能，或者鏈接后臺服務(wù)器以實現(xiàn)遠程控制。
B、配備小插件，與智能插座結(jié)合實現(xiàn)如視頻監(jiān)控、溫濕度監(jiān)控、危險氣體監(jiān)控等功能。
(3)電視、電腦智能節(jié)能插座：對傳統(tǒng)排插的改進。
A、此排插有3種插孔：1個主插孔、多個副插孔、多個常通孔。電腦主機或電視接到主插孔，其它設(shè)備如機頂盒、音箱、顯示器、打印機等接到副插孔。
B、電腦主機或電視關(guān)閉時，主插孔通過電能計量芯片檢測到功率下降到臨界值，MCU會斷開繼電器，關(guān)閉副插孔的電源。電視排插會將主插孔電源也關(guān)閉。
C、電腦主機或電視打開時，主插孔檢測到功率上升，MCU會閉合繼電器，打開副插孔的電源。
2、智能采集器如：智能路燈采集終端。
A、測量路燈有功功率，室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測路燈用電量情況。
B、測量路燈電壓、電流值，室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)有電壓無電流，電壓正常但電流不正常等情況對各個路燈的運行情況做出相應(yīng)的故障判斷，如燈泡壞，線路壞等故障。
C、HLW8012具有優(yōu)秀的電能計量特點，監(jiān)測系統(tǒng)可以對路燈進行準確的用電調(diào)節(jié)。
D、測量有功功率、有效電壓及電流值，可以計算功率因素，反映路燈的電網(wǎng)狀況。
3、智能家電如：智能空調(diào)，智能熱水器，智能電飯煲等。
智能家電將會走向云智能，家電之間進行聯(lián)動，而聯(lián)動傳遞的信息將必然會包含電能信息：功率、電壓、電流、用電量。只有這些信息才能真正反映家電狀態(tài)：是否確實在工作，工作是否正常。比如功率為零時，表示家電確認關(guān)閉;功率較大時，表示家電仍在工作。處于工作狀態(tài)時，電壓、電流是否正常，是否超出安全范圍，若出現(xiàn)異常狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的處理措施。
六、結(jié)語
隨著智能家電的發(fā)展，內(nèi)部集成的傳感器越來越多，電能計量模塊將會是最基本的“傳感器”之一，它可以“感知”家電的真實狀態(tài)。家電越來越智慧，電能計量的應(yīng)用將會更加廣泛。
隨著節(jié)能意識的逐步提高，各種自動節(jié)能設(shè)備會得到越來越廣泛的應(yīng)用，需要電能計量模塊提供節(jié)能的依據(jù)，才能實現(xiàn)自動節(jié)能。電能計量模塊將會是許多電子設(shè)備的必備“傳感器”。
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