智能家电的功率检测模块.docx

智能家电的功率检测模块引言随着信息技术的发展，日常生活使用的家电产品也朝着网络化、信息化、智能化方向发展，网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术设计改进的家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络，同时又可以与Internet相连接。目前认为比较可行的网络家电包括网络冰箱、网络空调、网络洗衣、网络微波炉等。目前家用电器能够采集到的数据比较有限，尤其是对用户产生价值的数据。电能监测模块很好的解决了关于用电数据这块的问题，使用户可以随时的了解家用电器的用电量、功率，以及通过这些数据了解家用电器的健康状况。摘要基于HLW8012设计的电能计量模块，可以有效的检测家用电器的负载功率、用电量、当前电压、电流及功率因素。基于功率测量芯片HLW8012的电能信息采集模块，采集的电能数据通过脉冲的方式传输给单片机。单片机采用STC15F102作为主控制器，对采集到的数据进行分析和处理后，将用电数据进行保存，并通过UART或SPI通讯方式，传送给信息处理终端，信息处理终端通过采集得到的数据，可以清楚的了解到家用电器的用电状况及使用状态是否良好，同时也可以将这些数据实时的反馈给用户，让用户也可以实时了解家用电器的使用情况。关键词功率计量，功率检测，功率计量模块，功率计量芯片，功率计量方案，HLW8012，智能家电，功率监测模块正文一、功率检测模块原理功率检测模块是对负载设备的用电情况进行实时的检测，将负载设备的用电数据进行收集，提供给控制终端。使用HLW8012设计的功率检测模块的测量精度0.3%,可以准确的测量功率、用电量等信息，具有性能稳定、设计简单等特点。功率检测模块的原理框图如下:图1 功率检测模块原理框图功率检测模块主要包含以下几个系统模块:电源模块，功率采集模块，主控制器模块和系统隔离模块。二、功率检测模块硬件设计电能检测有两种方法，一是隔离采样，二是非隔离采用。隔离采用是指采用互感器的方法进行采用，前端的电量信号使用电压互感器和电流互感器进行隔离并采样，此方法的缺点是造成模块的体积大且成本高。我们使用第二种方法进行采样。1、电源模块由于HLW8012的供电电压是5V，所以需要使用单独的电源供电，可以采用非隔离的AC-DC电源芯片输出5V。图2 AC-DC电路原理图此电路可以提供50mA以内的电流，具有较宽的电源输入范围，能够保证在AC85V265V的交流范围内，实现稳定的电压输出，纹波也很小，在50mV左右。2、功率检测模块HLW8012内置了晶振及参考电源，所以外围采样电路非常精简，外围只需要12个电阻电容器件，即组成了对电量信息的采集电路。电压采样通过电阻分压的方法进行测量，将市电上的电压经5个电阻进行分压，降至100mV左右进行采样。电流采样部分由0.002欧姆的鏮铜电阻，及R28,C11等滤滤阻容件组成。负载电流从鏮铜电阻流过，使得电流信号转换成电压信号，再通过HLW8012进行采集。图3是功率检测模块的原理图。 图3 功率检测原理图HLW8012将功率、电压、电流等数据通过CF、CF1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上，当SEL为低电平时，CF1输出的是电流有效值。HLW8012的CF脚输出的脉冲频率的周期表示功率值P，功率越大，CF脚输出的脉冲频率越大，且成比例变化。即: Preffref=PF;所以，己知Pref、fref和F，就可以计算出当前负载的功率值。同理，电压及电流也适用于此公式。3、主控制器模块由于受到体积及成本控制因系的影响，我们选用STC的15F102单片机作为主控MCU。STC15F102具有体积小，SOP8封装，可靠性高等优点。MCU对HLW8012的输出信号进行采集，将HLW8012的脉冲信号转化为数据信号以及统计负载电器的用电量，通过模拟串口的方式将数据发送出去。图4 MCU外围电路4、隔离模块因为是采用的非隔离方法进行采样，所以模块需要对强电进行隔离，这里采用光藕的方法对采样部分进行隔离，并通过光藕将数据传送给控制模块。图5 光藕电路四、 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，这样才能起到比较好的滤波效果。2、电压通道电阻分压网络，应呈阶梯式分布，逐渐降压（从输入端强压直至计量芯片的取样电压），应注意电阻与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走线，减少其它信号对采样信号的干扰。如下图所示，采样电阻信号线I-和N从输入端分两条线布线。4、采样信号线走线要平行且靠近，尽量缩短他们的走线，这样可以减小外界对计量芯片的干扰。5、芯片的地线要让它能够快速的回到电源输入端压敏电阻的地上，这样可以减小地线上对计量芯片的干扰。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