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基于电能计量芯片HLW8012的应用研究
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【概要描述】HLW8012是深圳市庄和闲科技推出的单相电能计量芯片，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。 一 、引言 HLW8012是深圳市庄和闲科技推出的单相电能计量芯片，可以测量有功功率、电量、电压有效值
基于电能计量芯片HLW8012的应用研究
【概要描述】HLW8012是深圳市庄和闲科技推出的单相电能计量芯片，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。 一、引言 HLW8012是深圳市庄和闲科技推出的单相电能计量芯片，可以测量有功功率 、电量、电压有效值
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HLW8012是深圳市庄和闲科技推出的单相电能计量芯片，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。
一、引言
HLW8012是深圳市庄和闲科技推出的单相电能计量芯片，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。
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
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。
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 ：
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：
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)
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 ：
(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 。
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：
图7 HLW8012脉冲
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 ：
图9 外部中断服务子程序
图10 定时中断服务子程序
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。
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 、智能家电如 ：智能空调 ，智能热水器 ，智能电饭煲等。
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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