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本帖最后由 srilri2 于 2020-12-4 13:54 编辑
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2 [& L0 t3 d h# x8 W- u( S【摘要】' z& Y+ k7 W' N& F/ e) P8 _. ~
计量插座是一种插座转换装置，可以显示电量、功率、电压、电流、时钟等参数，是针对于家庭电器节能要求而设计。3 o0 ^0 E0 h4 Z5 O
本文主要讲述计量插座的主要功能、硬件原理图等。该计量插座可以对单相交流用电的电器进行电量、功率、电压及电流等参数的测量。此方案采用HLW7031作为控制mcu，以专用功率计量芯片HLW8012为电量采集器件，HT1621为LCD驱动芯片，DS1302作为时钟记录芯片。* H4 \( d7 V2 W6 ~
【关键词】2 @6 @+ `" B/ r; _! s* y
计量插座，电能计量，功率计量，节能插座，智能插座，HLW8012，智能家电
% m1 l& S( d, m! Y( _【正文】, l+ @: q9 a' F |9 e
一、计量插座原理1 d3 m0 V7 h" L5 f; W* {
计量插座需要测量功率、电量、电流和电压等参数，同时计量插座产品内部空间小，本次设计使用功率计量芯片HLW8012作为各个电参数的测量器件。因为HLW8012可以测量功率、电量、电流和电压值，内置晶振、参考源，SOP8封装，外围电路简单，在满足性能要求的同时，可以做到体积更小。
( r+ e( s/ f/ t" g# E HLW8012主要特性2 k5 M! F2 V3 B3 x& ]
（1）高频脉冲CF，指示有功功率，在1000:1范围内达到±0.3%的精度' {( }. C/ M1 @/ \' u! q% k/ V4 ^
（2）高频脉冲CF1，指示电流或电压有效值，使用SEL选择，在500:1范围内达到±0.5%的精度
8 }; }! ]6 X) a（3）内置晶振、2.43V电压参考源及电源监控电路2 v6 W, Z Q. U
（4）5V单电源供电，工作电流小于3mA
/ C3 s8 \4 V+ |0 g4 N+ C HLW8012输入输出
+ d2 m |3 Z; H. ]4 s) @9 f图1 HLW8012芯片引脚图
0 P. B" I( `! j3 }' ?（1）V1P，V1N输入电流采样信号：峰峰值VP-P：±43.75mV，最大有效值：±30.9mV。0 N0 E3 y- q5 a' j% S0 ?$ }
（2）V2P输入电压采样信号：峰峰值VP-P：±700mV，最大有效值：±495mV。
7 A, b# \0 w( p7 B$ B（3）高频脉冲CF（PIN6）：指示功率，计算电能；输出占空比为1:1的方波。% S: L6 {1 R; g {& z/ n
（4）高频脉冲CF1（PIN7）：指示电流或电压有效值，SEL选择；输出占空比为1:1的方波。
- z* o g! [( j+ i" K6 U计量插座实际上是一个插座转接设置，电器通过计量插座之后再连接到电网。MCU从功率计量模块获取用电器的电量、功率、电压、电流等参数，从时钟模块获取当前时钟，MCU将这些数据通过LCD驱动芯片显示在LCD屏上。MCU可以打开或关闭插座孔的电源，通过按键直接操作或设置定时自动操作，电源的打开与关闭是通过MCU控制继电器的闭合与切断实现。
- h7 @2 P( `' E& L时钟设置是通过按键进行设置，可以设置日期、小时、分、秒，自动设置星期。可以设置一星期内哪几天定时打开或关闭插座孔的电源，实现无人自动控制插座孔的电源。一般在出厂前会设置好时间。计量插座结构框图如图2所示。) L/ Z3 }- L v9 Z; _% S
4 C6 v" I4 z( X1 g0 Q1 h! \) H图2 计量插座方案结构框图' q }. Y* k6 t
二、计量插座硬件设计/ i8 Y1 y% L4 g7 h
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。
! G' E0 b; ^ q& |所有功率计量测量，电压、电流通道的采样方式有2种：互感器采样方式（隔离采样）、电阻采样方式（非隔离采样）。互感器采样方式成本高，本设计使用电阻采样方式。/ k0 u4 m S; |, {
1、电源管理电路' Y. U2 r8 z& z3 q
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。
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图3 AC-DC非隔离电源! Z/ E6 _, E# y* i
2、功率计量电路
v* K c- s$ b B功率计量电路使用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。$ r8 W8 j3 q: x2 x9 d
图4 功率计量电路+ {$ M( Z% H3 h. y0 \/ c' E9 C
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。
J( J& P. f$ X: o% ]9 S+ f& a! OMCU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。MCU通过测量CF、CF1引脚的脉冲周期，计算功率、电压、电流、电量等参数。0 ~ g- p$ ?4 W
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图5 MCU与功率计量芯片连接
7 D: T. |6 v9 x) `- _3 |9 W3 Z) ]3、显示模块电路
) Y9 {2 w \2 ^5 W5 s f显示模块使用HT1621作为显示驱动，HT1621可以驱动4*32段，工作电压为5V，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。MCU将需要显示的数据发送到HT1621完成显示。
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图6 显示驱动电路
+ T0 ^& A5 Z. c" G! q/ s4、时钟模块电路
' Q7 g( y8 n0 E$ W( J$ ?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，在断电时也能正确记录时间。
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0 X5 n9 `" M/ z( n- O图7 实时时钟电路 / Q# a* y8 d6 A: @6 Y
5、继电器控制电路 / z" r) m$ Q4 G% J& }* |& V
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8 继电器控制电路
& A1 Y M) M6 p- t; f0 Q6、按键电路
3 }! Q Q! O* q7 Q' Y; V: S2 m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日期、小时、分、秒，设置定时时间。
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6 B6 Y/ r) [0 h2 x图9 按键电路 ) q0 s. Y+ s# B9 s3 `) _8 ^" i
7、PCB Layout注意事项
7 w% ]. q6 [/ r/ m（1）芯片电源引脚处的去耦电容尽量靠近芯片的引脚。
4 J9 A) v$ x, A }( i( M（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。 8 g, R( R w# s2 q0 w
（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。
5 O- [$ R7 x$ y% e6 ?+ y& q. q（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。 . a6 y7 y. M" \7 B3 j) J
（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。 8 g* ]- B6 c, {$ |6 c/ ~- A6 b
（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。 ; r+ k0 U! ^5 s' C" [4 C
（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 }6 t% P6 I. T7 v0 _- O; L! t) P（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。
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发表于 2020-12-4 13:52
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