摘要】
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。
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。
【关键词】
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
【正文】
一、计量插座原理
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。
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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
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HLW8012输入输出
图1
HLW8012芯片引脚图
（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。
（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。
（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。
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。
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。
图2
计量插座方案结构框图
二、计量插座硬件设计
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。
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。
1、电源管理电路
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。
图3
AC-DC非隔离电源
2、功率计量电路
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。
图4
功率计量电路
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。
MCU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。
图5
MCU与功率计量芯片连接
3、显示模块电路
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。
图6
显示驱动电路
4、时钟模块电路
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。
图7
实时时钟电路
5、继电器控制电路
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
6、按键电路
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。
图9
按键电路
7、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。
三、计量插座软件设计
1、计量插座主流程图
图10
基于HLW8012的计量插座主流程图
上电初始化之后，开始功率、电流、电压脉冲的周期测量，如果测量完成之后，进行功率、电流、电压计算；如果是正在校准，需要将校准数据保存到EEPROM；按键处理主要包括开或关电源，设置定时自动操作时间；定时处理在定时到设置时间时自动操作；显示处理在LCD屏上显示功率、电量、电流、电压、时钟等数据。
2、中断服务子程序流程图：测量脉冲周期的程序。
图11
外部中断服务子程序
图12
定时中断服务子程序
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。
四、结束语
计量插座设计可以在提高电器使用方便性的同时，减少了电器的待机功率，实现节能目的。随后出现的WIFI智能插座、433无线插座、蓝牙智能插座、Zegbee智能插座等都是在此计量插座的基础上衍变而来，随着智能硬件的发展，计量插座衍变出来的产品将会更多。
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发表于 2014-12-24 12:20:06
