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基于电能计量芯片HLW8012的应用研究


基于电能计量芯片 HLW8012 的应用研究
一、引言
HLW8012 是一款单相交流电电能计量芯片,可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流 有效值,广泛应用于智能家电、智能电能采集终端,如 WIFI 智能插座、普通计量插座、电视智 能节能插座、电脑智能节能插座,智能路灯、智能 LED 灯等应用场合。本文主要介绍 HLW8012 软硬件设计,应用场合。

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二、HLW8012 介绍
1、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 2、HLW8012 输入输出
VDD
1 8

SEL

选择CF1输出 电流/电压值 电流/电压值

VIP
Vmax_rms:±30.9mV

2

7

CF1

电流采样信号

HLW8012
CF

VIN 电压采样信号

3

6

CF

有功功率值

Vmax_rms:±495mV

V2P

4

5

GND

图 1 芯片引脚图 ? 模拟信号输入

(1)V1P,V1N 输入电流采样信号:峰峰值 VP-P:±43.75mV,最大有效值:±30.9mV。 (2)V2P 输入电压采样信号:峰峰值 VP-P:±700mV,最大有效值:±495mV。 ? 数字信号输出 (1)高频脉冲 CF(PIN6) :指示功率,计算电能;输出占空比为 1:1 的方波。 (2)高频脉冲 CF1(PIN7) :指示电流或电压有效值,SEL 选择;输出占空比为 1:1 的方波。
注:MCU 与 HLW8012 的接口不是使用协议进行读取,而是通过测量 CF、CF1 引脚输出高频脉冲的周期来计算 功率、电流、电压值。

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三、HLW8012 硬件设计
所有电能计量测量, 电压、 电流通道的采样方式有 2 种: 互感器采样方式、 电阻采样方式。 互感器采样方式成本高,本文只介绍电阻采样方式。 1、电源电路 为了配合电阻采样方式(即从电网直接采样信号,非隔离) ,电源电路必须为非隔离电源, 非隔离电源有 2 种方式:AC-DC 非隔离电源、阻容降压电源。两者的比较如下: 序 1 2 3 4 5 6 项目 驱动电流(5V 时) 体积 成本 可靠性 输入电压影响驱动能力 零负载功耗 AC-DC 非隔离电源 最大可达到 150mA 小 高 高 基本不影响 基本为零 阻容降压电源 约 35mA(电容为 0.68uF 时) 大 低 低 电压下降,驱动能力下降 与驱动电流一致

用户可根据产品的不同要求,选用不同的电源电路。 (1)AC-DC 非隔离电源 下图是其中一种 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 设计得到电压为 5V,驱动电流大约 50mA,根据产品需求可以增加元器件提高驱动能力。

图 2 AC-DC 非隔离电源 (2)阻容降压电源 下图是低成本的阻容降压电源,以零线作为地线:

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图 3 阻容降压电源 经安规电容 C1 降压, 二极管整流后, 采用 1N4738 将电源降压至 8.2V, 再经过稳压芯片 78L05 将输出电源稳定在 5V,给 HLW8012 提供电源。选用 0.68uF 的安规电容,电源电路大约可以提 供 20mA-30mA 的驱动电流;如果需要设计更小体积的系统,可以选用 0.47uF 的小体积的安规 电容,驱动电流约在 15mA。如果需要驱动继电器,建议使用更大的电容,比如 1uF。 2、电能计量电路 HLW8012 集成内置振荡器、参考电源,外围电路简单,主要包括电流、电压的采样。电流 信号是通过锰铜电阻 (R29) 对负载电流进行采样, 电压信号是通过电阻网络 (R21, R22, R23, R24, R26)分压采样,电路设计如下:

图 4 电能计量电路 电压通道采样得到的电压信号不能超过 495mV,电流通道采样得到的电压信号不能超过 30.9mV。一般情况,电压通道采样电阻网络可以如上图比值即可。 电流通道的锰铜电阻需根据不同最大电流值选择不同阻值,建议表如下: (电流采样电阻额 定功率建议>=2W)

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序 1 2 3 4

最大电流 5A 10A 16A 20A

锰铜电阻阻值 5mΩ 2mΩ 1mΩ 1mΩ

注意锰铜电阻的接法:一端与 GND 连接,另一端与负载连接。 3、MCU 与 HLW8012 的接口 MCU 与 HLW8012 的接口有 2 种情况:MCU 与 HLW8012 直连、MCU 通过光耦与 HLW8012 连接 (1)MCU 与 HLW8012 直连 若 MCU 与 HLW8012 的工作电源为同一个,且 MCU 其它控制不需要隔离措施,那么 MCU 可以与 HLW8012 的接口直连。

图 5 MCU 与 HLW8012 直连 HLW8012 高频脉冲引脚连接 MCU 的外部中断,SEL 连接普通 IO 口。接口资源如下表: 序 1 2 3 测量参数 功率,电量 功率,电量 + 电流/电压 功率,电量 + 电流 + 电压 MCU 与 HLW8012 连接 1 个 IO 口(1 个外部中断) 2 个 IO 口(2 个外部中断) 3 个 IO 口(2 个外部中断,1 个 GPIO)

(2)MCU 通过光耦与 HLW8012 连接 若 MCU 工作电源为隔离电源,则与 HLW8012 的连接必须通过光耦隔离,再连接光耦输出 或输入。MCU 的接口资源与直接情况下的一致。 HLW8012 与光耦连接的电路如下图。

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图 6 MCU 通过光耦与 HLW8012 连接 4、HLW8012 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。

四、HLW8012 软件设计
HLW8012 的脉冲输出图如下:
1 CF、CF1 T 2 3 N-1 N

……

图 7 HLW8012 脉冲

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1、脉冲测量原理 测量 1 个脉冲周期的长短,就是测量相邻 2 个下降沿(或上升沿)的时间间隔 T。测量到周期 之后就可以根据比例关系计算功率值、电压值、电流值。所有电能计量设备,由于外围采样器 件如锰铜电阻、 分压电阻存在较大的误差,导致 MCU 实际测量到的周期与理论周期误差比较大 (最大 20%) ,所以所有电能计量设备必须对周期进行校准。 2、脉冲测量方法 为了提高测量精度,CF、CF1 与 MCU 外部中断 IO 相连,外部中断模式设置为下降沿触发 中断,使用 MCU 外部中断来确定 2 次中断间隔,使用 MCU 定时器来测量相邻 2 次外部中断的 时间间隔。 3、流程图 主要阐述测量 HLW8012 输出脉冲周期的流程图。脉冲周期的测量主要是计时、计数,运行 于中断服务子程序中。以下是外部中断、定时器中断服务子程序:
外部中断服务子程序
N 测量功率? Y 测量电压? Y 记录功率脉冲周期 电能计数器累加 记录电压脉冲周期 测量电流? Y 周期测量结束 记录电流脉冲周期 N N

End

图 9 外部中断服务子程序

定时中断服务子程序
Y 计时器超时? N

计时器加1

周期测量结束

End

图 10 定时中断服务子程序
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周期测量结束的操作
(1)保存脉冲时间 (2)保存脉冲个数

(1)清零脉冲时间 (2)清零脉冲个数

图 11 周期测量结束的操作 以上是中断服务子程序中运行的内容,多脉冲测量的周期计算、功率值、电压值、电流值 等都在大循环程序中运行。

五、应用场合
HLW8012 可以测量有功功率、 电量、 电压有效值、 电流有效值, 外围元器件少, SOP8 封装, 适合于许多电能测量场合,尤其是体积要求小的产品。 1、插座类如:计量插座、WIFI 智能插座、电视脑智能节能插座、电脑智能节能插座等; (1)普通计量插座:相当于插座转接口。 A、可以显示电器当前功率、电压、电流值、累计电量; B、显示当前时间; C、设置定时,比如多少时间之后关闭或打开电源; D、设置循环定时,比如一周中哪几天的特定时间打开或关闭电源; E、大功率保护,当功率大于某值时,关闭电源; (2)无线智能插座:如 WIFI 智能插座、433 智能插座、蓝牙智能插座、Zegbee 智能插座等。 A、是在普通计量插座的基础上增加无线控制功能,或者链接后台服务器以实现远程控制。 B、配备小插件,与智能插座结合实现如视频监控、温湿度监控、危险气体监控等功能。 (3)电视、电脑智能节能插座:对传统排插的改进。 A、此排插有 3 种插孔:1 个主插孔、多个副插孔、多个常通孔。电脑主机或电视接到主插孔, 其它设备如机顶盒、音箱、显示器、打印机等接到副插孔。 B、电脑主机或电视关闭时,主插孔通过电能计量芯片检测到功率下降到临界值,MCU 会断开 继电器,关闭副插孔的电源。电视排插会将主插孔电源也关闭。 C、电脑主机或电视打开时,主插孔检测到功率上升,MCU 会闭合继电器,打开副插孔的电源。 2、智能采集器如:智能路灯采集终端。 A、测量路灯有功功率,室内监测系统可以检测路灯用电量情况。
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B、测量路灯电压、电流值,室内监测系统可以根据有电压无电流,电压正常但电流不正常等情 况对各个路灯的运行情况做出相应的故障判断,如灯泡坏,线路坏等故障。 C、HLW8012 具有优秀的电能计量特点,监测系统可以对路灯进行准确的用电调节。 D、测量有功功率、有效电压及电流值,可以计算功率因素,反映路灯的电网状况。 3、智能家电 智能家电将会走向云智能, 家电之间进行联动, 而联动传递的信息将必然会包含电能信息: 功率、电压、电流、用电量。只有这些信息才能真正反映家电状态:是否确实在工作,工作是 否正常。比如功率为零时,表示家电确认关闭;功率较大时,表示家电仍在工作。处于工作状 态时,电压、电流是否正常,是否超出安全范围,若出现异常状态,执行相应的处理措施。

六、结语
随着智能家电的发展,内部集成的传感器越来越多,电能计量模块将会是最基本的“传感 器”之一,它可以“感知”家电的真实状态。家电越来越智慧,电能计量的应用将会更加广泛。 随着节能意识的逐步提高,各种自动节能设备会得到越来越广泛的应用,需要电能计量模 块提供节能的依据,才能实现自动节能。电能计量模块将会是许多电子设备的必备“传感器” 。

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