智能家电的功率检测模块

网络, 检测, 智能

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:

功率检测模块原理框图.png

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。

AC-DC原理图.png

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。
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。

功率检测原理图.png

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。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。

MCU外围电路.png