节能智能插座以及各种电能计量模块的方案设计

节能智能插座以及各种电能计量模块的方案设计一、引言无可厚非，新能源和节能环保是未来几十年发展的必然趋势，随着生活水平的提高以及科技的发展，节能环保意识的不断深入人心，我们对身边的“无意识浪费”开始关注起来，比如家庭内部浪费电能的环节：电器未用情况下的长期待机状态造成的电量损耗。根据国际经济合作组织的一项调查称，各国因待机而消耗的能量约占能耗总数的3％～13％。统计数据为：澳大利12％左右，韩国11％左右，德国10％左右，英国8％左右，日本7％左右，美国5％左右，芬兰5％左右。目前我国照明消耗的电能约占电力生产总量的10％～20％，而城市公共照明则在照明耗电中占30％，并且近几年随着让城市亮起来的口号的提出，全国路灯的数量仍在迅猛地增长，绿色照明也必会成为城市路灯照明的趋势。二、摘要本文介绍了以电能计量芯片HLW8012为计量采集端的应用方案，详细描述了HLW8012在节能领域的应用，如计量插座、智能插座、智能路灯系统；以及计量芯片HLW8012的工作原理和设计原理。三、计量模块的应用计量插座又称为节能插座，节能插座又可分为主副控插排，红外节能插排，定时计量插座等，是以节约用电器待机功耗的方式实现节能的目的。以电视机为例，将电视机插入红外节能插排，插座与电源相连。当用户看完电视用遥控器关掉电视时，红外节能插排收到了关机信号，1分钟后自动切断待机电源，自动实现节能功能。除了电视机，家里的空调，电脑等都可以用红外节能插排实现。图1是计量插座方案的原理框图，通过电能计量芯片采集用电器的当前功率值，当数据传送给控制器MCU后，控制器MCU判断出当前工作状态是否是待机状态，如果处于待机状态，会做出切断受控插座的电源，以达到节能的目的。图1计量插座原理框图以上系统采用合力为科技的HLW8012进行的单个计量插座模块设计，可以用于市面上出现的主副控插座（电脑专用插座）、红外主副控插座（电视机专用插座）、普通计量插座，定时计量插座等。图2是无线智能插座的应用原理框图，相对于普通计量插座，增加了无线通讯模块，该方案可分为电能采集模块、主控制器MCU模块、无线数据传输模块。将采集到的数据通过无线模块传送到服务器，服务器对数据进行处理。用户可以通过手机APP随时随地的了解家庭电器设备的用电状况，并可以进行远程控制。无线智能插座可以实现以下功能：1、实时采集终端设备的用电数据，如实时功率，实时电量，电压，电流;2、统计终端设备的日用电量，月用电情况，对数据统计分析，实现节能控制;3、短路保护功能，智能切断终端设备电源;4、定时开启或关闭电器，节约电能;图2智能插座原理框图以上系统是结合了物联网技术，通过各种通讯手段如WIFI、蓝牙、zigbee、Z-Wave、RF433等实现远程定时智能控制，同时也可以通过各种传感数据进行的智能控制，此方案可拓展性强，依托强大的后台服务器，可以对电器实现更多人性化控制。图3是智能路灯系统的应用框图，电能计量芯片HLW8012用于电网数据采集，可以对单盏路灯的数据信息，如功率，电压、电流进行有效的检测，同时能够判断单个路灯的开短路状态，灯泡是否损坏以及室外线路断路检测，将数据通过无线Zigbee网络传输到控制端，实现路灯的智能化控制。智能路灯系统方案可以实现以下功能:1、可以监测单个路灯的用电数据，如有功功率，电压，电流;2、可以监测单个路灯的使用状态，如使用时间，灯泡寿命;3、可以监测线路故障，如断路检测，灯炮是否损坏;4、可以控制单个路灯的开关状态，实现开启或关闭路灯，达到节能的目的。图3智能路灯控制系统原理框图智能路灯系统，可以实现室内控制与监视各地区各路灯运行。实现对路灯的集中控制、检测与管理，结合相应的控制网络确保按时、按需点亮每盏路灯，并能有效的节省路灯用电，延长灯泡寿命，降低维护成本。以上三种系统均是基于对电能数据的采集（如电压、电流、功率、功率因素等）而进行的操作控制，以达到充分利用电器功能实现节能环保。当然除此三种应用之外还有别的需要电能计量检测的场合如：加热器、限流限载，以及各种需要应用到电能计量、电能测量的产品。四、计量采样模块的系统设计图4是计量采集模块的原理框图，虚线框内为计量采集部分，计量芯片采用HLW8012，该芯片通过脉冲的形式能够提供有功功率、有功能量、电流有效值、电压有效值。图4计量采集模块原理框图电压采样采集的是零线信号上的电压，由于电压信号较大，有效值是220V，需通过电阻网络降压的方式实现采样，通过串联6个470K的电阻和1个1K的电阻进行分压，然后接入计量芯片HLW8012的电压输入采样端V2P引脚。HLW8012的V1P和V1N引脚是电流采样通道，采集锰铜电阻两端的电压降，电流流经锰铜电阻后，会产生一个压降，不同阻值的锰铜电阻电压降不同，锰铜电阻的阻值一般选用2豪欧或5豪欧，阻值不宜过大，当有大电流通过的时候，采样电阻的阻值过大容易造成发热，就会影响到采样电阻的阻值，导致测量结果不准确。HLW8012的内部DSP具有一定的增益，经过频率转换模块后，有功功率、电流有效值和电压有效值的输出频率可由以下公式计算：（1）有功功率计算公式：=×××（2）电流有效值计算公式：=××（3）电压有效值计算公式：=××注：V1：电流通道引脚上的电压信号V2：电压通道引脚上的电压信号Fosc：内置晶振，典型频率约为3.579MHzVref：内置基准源，典型电压为2.43V五、总结深圳市合力为科技推出的HLW8012是一款工业级的电能计量芯片，具有测量精度高，抗干扰强等优点，己广泛用于工业检测、测量领域。HLW8012采用SOP8封装，工作电流3mA，功率测量精度达到±0.2%，由于体积小，精度高，外围电路简单等特点，非常适合数据采集端的应用。