智能節(jié)能插座的方案原理與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，使節(jié)能插座產(chǎn)品延伸到智能家居領(lǐng)域，節(jié)能插座朝著智能化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了智能節(jié)能插座，智能插座與普通節(jié)能插座相比，多出了一個(gè) WIFI 模塊，通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)能接收開(kāi)啟和關(guān)閉指令，通過(guò)切斷電源來(lái)實(shí)現(xiàn)與之接駁電器的開(kāi)關(guān)，不僅能幫助你遠(yuǎn)程關(guān)閉家中的電器，還能夠提前開(kāi)啟。

　　一、智能插座方案主芯片HLW8012 介紹

　　HLW8012 為插座廠家和智能家居廠家提供了一個(gè)高度精確且成本低廉的電能測(cè)量解決方案。該集成芯片專(zhuān)為住宅用單相電能表或智能插座設(shè)計(jì)，可精確測(cè)量電流有效值IRMS 和電壓有效值VRMS、有功功率和電量。

　　HLW8012 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　HLW8012 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它由2 個(gè)可編程增益放大器、2 個(gè)Δ－Σ調(diào)制器、配套的高速濾波器、功率計(jì)算、功率監(jiān)測(cè)、串行接口及相應(yīng)功能寄存器等組成。兩個(gè)可編程放大器采集電壓和電流數(shù)據(jù)，Δ－Σ調(diào)制器對(duì)模擬量采樣處理，濾取可用電壓、電流數(shù)字信號(hào)，并將計(jì)算的功率值、電壓有效值和電流有效值通過(guò)脈沖指示方式對(duì)外輸出。

　　二、 芯片HLW8012 工作原理

　　HLW8012 的V1P 和V1N 引腳輸入電流信號(hào)波，電流通道集成一個(gè)固定增益放大器，允許的最大差分輸入信號(hào)為±43.75mV；電壓通道允許的最大輸入信號(hào)是±700mV。 HLW8012 可以使用低成本的錳銅采樣電阻或電流互感器來(lái)測(cè)量電流，并使用分壓電阻或電壓互感器來(lái)測(cè)量電壓，其芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。

　　三、HLW8012 的主要特性

　　· 高頻脈沖CF，指示有功功率，滿足50/60Hz IEC 687/1036 標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求，在1000:1范圍內(nèi)達(dá)到±0.2%的精度。

　　· 高頻脈沖CF1，可配置成為輸出電流有效值或者電壓有效值，在500:1 范圍內(nèi)達(dá)到±0.5%的精度。

　　· 內(nèi)置電源監(jiān)控電路，當(dāng)電源電壓低到4V 時(shí)，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

　　· 內(nèi)置2.43V 的電壓參考源。

　　· 5V 單電源供電，工作電流小于3mA。

　　· SOP8 封裝

　　圖2 為智能節(jié)能插座的功能框圖，由電源模塊、主控制器模塊、電能信號(hào)采集電路、無(wú)線通信模塊組成。圖為智能節(jié)能插座的功能框圖，由電源模塊、主控制器模塊、電能信號(hào)采集電路、無(wú)線通信模塊組成。主控器為NEC 的 9234，為消除串行通訊波特率誤差，晶振設(shè)為11.0592M。電源部分采用AC-DC 電路，由220V 轉(zhuǎn)為12V，再經(jīng)穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換成5V 給主控MCU NEC9234，電能計(jì)量IC HLW8012 和繼電器提供電源。由于現(xiàn)在的無(wú)線模塊大多采用3.3V的工作電源，所以5V 電源需經(jīng)DC-DC 降壓為3.3V 后，提供給WIFI 無(wú)線模塊，如定時(shí)開(kāi)關(guān)，過(guò)載報(bào)警等。

智能插座電源電路

　　1 電源電路

　　電源電路有兩路，一路是將交流220V 經(jīng)AC-DC 轉(zhuǎn)換成12V 電源，采用SY50103 芯片，可以提供1A 的電流，紋波控制在100mV 以?xún)?nèi)。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)在于功率小、轉(zhuǎn)換效益高，同時(shí)體積也小，適合放入較小體積的插座內(nèi)。開(kāi)關(guān)電源電路圖如下圖所示：繼電器選用12V 10A 繼電器，12V 繼電器相比5V 繼電器的成本要低一些。由于主控制器和電能計(jì)量IC 需提供5V 電源，而無(wú)線WIFI 模塊采用是3.3V 電源供電，所以12V 電源出來(lái)之后，又分為兩路，一路使用穩(wěn)壓芯片78L05，將電源降到5V，給MCU 和HLW8012 提供電源；另一路采用DC-DC 芯片，將12V 轉(zhuǎn)為3.3V 給無(wú)線模塊提供電源。

　　2 計(jì)量功能電路

　　采樣電路包括電流信號(hào)采樣和電壓信號(hào)采樣兩部分。

　　電壓采樣采集的是零線信號(hào)上的電壓，由于電壓信號(hào)較大，有效值是220V，需通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)降壓的方式實(shí)現(xiàn)采樣，通過(guò)串聯(lián)6 個(gè)470K 的電阻和1 個(gè)1K 的電阻進(jìn)行分壓，然后接入計(jì)量芯片HLW8012 的電壓輸入采樣端V2P 引腳。

　　HLW8012 的V1P 和V1N 引腳是電流采樣通道，采集錳銅電阻兩端的電壓降，電流流經(jīng)錳銅電阻后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，不同阻值的錳銅電阻電壓降不同，錳銅電阻的阻值一般選用2豪歐或5 豪歐，阻值不宜過(guò)大，當(dāng)有大電流通過(guò)的時(shí)候，采樣電阻的阻值過(guò)大容易造成發(fā)熱，就會(huì)影響到采樣電阻的阻值，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

　　HLW8012 的內(nèi)部DSP 具有一定的增益，經(jīng)過(guò)頻率轉(zhuǎn)換模塊后，有功功率、電流有效值

　　和電壓有效值的輸出頻率可由以下公式計(jì)算：

　　
　（3）電壓有效值計(jì)算公式：

　　V1：電流通道引腳上的電壓信號(hào)

　　V2：電壓通道引腳上的電壓信號(hào)

　　Fosc：內(nèi)置晶振，典型頻率約為3.579MHz

　　Vref：內(nèi)置基準(zhǔn)源，典型電壓為2.43V

　　主控器為單片機(jī)NEC 9234，是整個(gè)電路的核心控制器，讀取負(fù)載電流有效值、電壓有效值及負(fù)載功率。并可以通過(guò)繼電器，對(duì)負(fù)載的電源進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉?？刂破魍ㄟ^(guò)無(wú)線WIFI 模塊可以將繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、工作時(shí)間、用電量、電壓有效值和電流有效值數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，以達(dá)到更加智能化的控制目的。

　　四 智能插座軟件設(shè)計(jì)

　　主程序流程圖：

　　五 總結(jié)

　　采用HLW8012 的智能插座方案，能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器器用電情況的計(jì)量;該方案減少了外圍元器件數(shù)目，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，具有可靠性高、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。