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功率計量芯片HLW8012介紹與應(yīng)用
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發(fā)布時間：2014-12-01 00:00
功率計量芯片HLW8012介紹與應(yīng)用 [摘要]HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，廣泛應(yīng)用于智能家電、智能電能采集終端，如WIFI智能插座、普通計量插座、電視智能節(jié)能插座、電腦智能節(jié)能插座，智能路燈、智能LED燈等應(yīng)用場合。本文主要介紹HLW8012的特點(diǎn)、外圍電路、軟件設(shè)計?！ ∫?、HLW8012介紹 1、HLW8012主要
功率計量芯片HLW8012介紹與應(yīng)用
[摘要]HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，廣泛應(yīng)用于智能家電、智能電能采集終端，如WIFI智能插座、普通計量插座、電視智能節(jié)能插座、電腦智能節(jié)能插座，智能路燈、智能LED燈等應(yīng)用場合。本文主要介紹HLW8012的特點(diǎn)、外圍電路、軟件設(shè)計。
一、HLW8012介紹
1、HLW8012主要特性
(1)高頻脈沖CF，指示有功功率，在1000:1范圍內(nèi)達(dá)到±0.3%的精度
(2)高頻脈沖CF1，指示電流或電壓有效值，使用SEL選擇，在500:1范圍內(nèi)達(dá)到±0.5%的精度
(3)內(nèi)置晶振、2.43V電壓參考源及電源監(jiān)控電路
(4)5V單電源供電，工作電流小于3mA
2、HLW8012輸入輸出
圖1芯片引腳圖
模擬信號輸入
(1)V1P，V1N輸入電流采樣信號：峰峰值VP-P：±43.75mV，最大有效值：±30.9mV
(2)V2P輸入電壓采樣信號：峰峰值VP-P：±700mV，最大有效值：±495mV
數(shù)字信號輸出
(1)高頻脈沖CF(PIN6)：指示功率，計算電能;輸出占空比為1:1的方波
(2)高頻脈沖CF1(PIN7)：指示電流或電壓有效值，SEL選擇;輸出占空比為1:1的方波
注：MCU與HLW8012的接口不是使用協(xié)議進(jìn)行讀取，而是通過測量CF、CF1引腳輸出高頻脈沖的周期來計算功率、電流、電壓值。
3、工作原理
圖2 芯片內(nèi)部框圖
HLW8012內(nèi)部帶有2路PGA及ADC，對電流、電壓采樣信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號，芯片內(nèi)部計算有功功率值、電流有效值、電壓有效值，經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換模塊，HLW8012將有功功率值、電流有效值、電壓有效值轉(zhuǎn)換為方波脈沖輸出(占空比1:1)，各數(shù)值的大小與頻率的大小成正比，與周期的大小成反比。
二、HLW8012應(yīng)用硬件設(shè)計
所有電能計量測量，電壓、電流通道的采樣方式有2種：互感器采樣方式、電阻采樣方式?；ジ衅鞑蓸臃绞匠杀靖?，本文只介紹電阻采樣方式。
1、電源電路
為了配合電阻采樣方式(即從電網(wǎng)直接采樣，非隔離)，電源電路必須為非隔離電源，非隔離電源有2種方式：AC-DC非隔離電源、阻容降壓電源。兩者的比較如下：
用戶可根據(jù)產(chǎn)品的不同要求，選用不同的電源電路。
(1)AC-DC非隔離電源
下圖是其中一種AC-DC非隔離電源，L與N分別是交流電壓的火線與零線，以零線作為地線。此設(shè)計得到電壓為5V，驅(qū)動電流大約在50mA，可以根據(jù)產(chǎn)品需求增加一些元器以提高驅(qū)動能力。
圖3 AC-DC非隔離電源
(2)阻容降壓電源
下圖是低成本的阻容降壓電源，以零線作為地線：
圖4 阻容降壓電路
經(jīng)安規(guī)電容C1降壓，二極管整流后，采用1N4738將電源降壓至8.2V，再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片78L05將輸出電源穩(wěn)定在5V，給HLW8012提供電源。選用0.68uF的安規(guī)電容，電源電路大約可以提供20mA-30mA的驅(qū)動電流;如果需要設(shè)計更小體積的系統(tǒng)，可以選用0.47uF的小體積的安規(guī)電容，驅(qū)動電流約在15mA。如果需要驅(qū)動繼電器，建議使用更大的電容，比如1uF。
2、電能計量電路
HLW8012集成內(nèi)置振蕩器、參考電源，外圍電路非常簡單，主要包括電流、電壓的采樣。電流信號是通過康銅電阻對負(fù)載的工作電流進(jìn)行采樣，電壓信號是通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓采樣。
須注意康銅電阻的接法：一端與GND連接，另一端再與負(fù)載連接。
圖5 電能計量電路
3、MCU與HLW8012的接口
MCU與HLW8012的接口有2種情況：MCU與HLW8012直連、MCU通過光耦與HLW8012連接。
(1)MCU與HLW8012直連
圖6 MCU與HLW8012直連
若MCU與HLW8012的工作電源為同一個，且MCU其它控制不需要隔離措施，那么MCU可以與HLW8012的接口直連。HLW8012高頻脈沖引腳連接MCU的外部中斷，SEL連接普通IO口。接口資源如下表：
(2)MCU通過光耦與HLW8012連接
圖7 MCU通過光耦與HLW8012連接
若MCU工作電源為隔離電源，則與HLW8012的連接必須通過光耦隔離，MCU的接口資源需要如上表。
三、HLW8012脈沖測量
HLW8012的脈沖輸出圖如下：
圖8 HLW8012脈沖
測量脈沖的原理
測量1個脈沖周期的長短，就是測量相鄰2個下降沿(或上升沿)的時間間隔T。為了提高測量精度，CF、CF1與MCU外部中斷IO相連(下降沿觸發(fā)中斷)，MCU通過定時器來測量相鄰2次外部中斷的時間間隔。
四、結(jié)語
HLW8012可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，外圍元器件少，SOP8封裝，適合于許多電能測量場合，尤其是體積要求小的產(chǎn)品。插座類如：計量插座、WIFI智能插座、電視腦智能節(jié)能插座、電腦智能節(jié)能插座等;智能采集器如：智能路燈采集終端。
隨著智能家電的發(fā)展，內(nèi)部集成的傳感器越來越多，電能計量模塊將會是最基本的“傳感器”之一，它可以“感知”家電的真實(shí)狀態(tài)：若沒有功率，表示家電確認(rèn)關(guān)閉，若有功率，表示家電仍在工作。電能計量模塊可以統(tǒng)計耗電量，檢測當(dāng)前電壓、電流是否正常，若出現(xiàn)異常狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的處理措施。所以隨著智能家電的發(fā)展，家電越來越智慧，電能計量的應(yīng)用將會更加廣泛。
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