基于功率测量芯片HLW8012的功率显示表设计
高精度、双通道的免校准计量芯片HLW8112
高精度、双通道的免校准计量芯片HLW8112未来几年，更多的家电产品将要步入智能化，而随着物联网的快速发展，基于数字化、物联网和大数据的智能家电将是未来的趋势。
智能家电发展主要有三个阶段，分别为联网控制阶段、局部智能阶段与生态智能阶段。
现在市面上的智能家电产品还处于联网控制阶段，比如WIFI电视、WIFI热水器等。
但部分大型品牌厂家已经开始尝试实现局部智能，比如具有PM2.5检测和用电计量功能的智能空调，具有水质检测、功率检测和滤芯寿命检测的智能净水器等。
智能家电产品升级除了满足基础功能和智能联网需求外，更重要的还有安全需求。
深圳市合力为科技推出的计量芯片HLW8112，是专为家电企业量身定做的一款产品，除了基础的用电量和功率检测外，还具有漏电检测功能,可以解决家用电器的用电安全问题，在家用电器使用过程中可以提前发现异常状态并报警，在漏电状态下可以快速切断电源，使得家电设备更加安全可靠。
下图是HLW8112的性能参数，HLW8112可以在3.3V电源下正常工作，目前市面上主流的计量芯片工作电压是5V。
它具有两路电流采样通道，当一路用于检测用电设备的漏电功能，另一路可以检测用电设备的功率大小、用电量和过载判断，并可以通过中断引脚对漏电和过载状态进行输出。
VDD IAP IAN SPIEN INT2IBP CLKI IBN VP GND VREF SDO/TXSCLK SCSN SDI/RXINT1家电产品在长期使用后，随着器件老化，会出现耗电量增加，甚至漏电，会造成安全隐患。
HLW8112在单通道基础上增加一路电流检测通道用于检测设备漏电状况。
下图是HLW8112的应用电路，A 通道用于检测负载设备的功率、电压、电流和用电量，通过UART 或SPI 接口传输数据至MCU ，通过INT1引脚对过载和过压等异常状态进行指示。
B 通道通过电流互感器对负载设备进行漏电检测，当负载设备发生漏电时，会及时判断出危险状态，通过INT2快速切断设备电源。
功率计量芯片HLW8012
SEL 是输入端口，CF、CF1 输出的脉冲占空比为 50%。
REV 1.1
5/9
HLW8012
2.6 极限额定值
数字电源 模拟电源 VDD to GND V1P, V1N, V2P 模拟输入电压 数字输入电压 数字输出电压 工作环境温度 存储温度
参数
符号 VDD VDD
引脚序号 1 2，3 4 5 6 7,
引脚名称 VDD V1P，V1N V2P GND CF CF1
8
SEL
表1 HLW8012 引脚说明 输入/输出 芯片电源 芯片电源
说明
输入 输入 芯片地
电流差分信号输入端，最大差分输入信号为±43.75mV 电压信号正输入端。最大输入信号±700mV 芯片地
输出 输出
数显表等。
1.2 芯片结构描述
HLW8012 的功能框图如图 1 所示
VDD
Internal Clock
Power On Reset
V1P V1N
PGA
V2P
PGA
1k
GND
ADC ADC
Sigma_I Sigma_V
Active Power I_rms V_rms
calculation
Reference Voltage
1.1 芯片主要特性功能............................................................................................................. 2 1.2 芯片结构描述..................................................................................................................... 2 1.3 芯片引脚说明..................................................................................................................... 3 2 芯片特性说明................................................................................................................................. 4 2.1 推荐工作条件..................................................................................................................... 4 2.2 模拟特性............................................................................................................................. 4 2.3 内置参考电压..................................................................................................................... 5 2.4 数字特性............................................................................................................................. 5 2.5 开关特性............................................................................................................................. 5 2.6 极限额定值......................................................................................................................... 6 3 芯片应用......................................................................................................................................... 7 3.1 HLW8012 典型应用 ............................................................................................................ 7 3.2 CF、CF1 的频率.................................................................................................................. 7 3.3 芯片的启动阈值与潜动预防............................................................................................. 8 3.4 内置振荡器......................................................................................................................... 8 3.5 内置基准源......................................................................................................................... 8 4 HLW8012 封装 ................................................................................................................................ 9
HLW8032计量芯片的双路电能测量与控制
H L W 8032计量芯片的双路电能测量与控制*王大珅1,贾敏瑞2(1.天津医科大学生物医学工程与技术学院,天津300070;2.天津工业大学信息化中心)*基金项目:天津市教委社会科学重大项目(2017J W Z D 28)㊂摘要:针对现今高校集体宿舍的用电特点,研究了基于H L W 8032计量芯片的双路电能测量与控制系统,对集体宿舍中空调和其他负载分别进行电能监测和管理㊂本系统具有测量精度高㊁通信电路简单㊁稳定性强等优点,可以实现现代化用电管理,保障集体宿舍用电安全㊂关键词:H L W 8032;电能采集;双路测量中图分类号:T P 31 文献标识码:AR e s e a r c h o n D o u b l e -c h a n n e l E l e c t r i c E n e r g y Me a s u r e m e n t a n d C o n t r o l B a s e d o n H L W 8032W a n g Da s h e n 1,J i a M i n r u i 2(1.B i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ,T i a n j i n M e d i c a l U n i v e r s i t y C o l l e g e ,T i a n ji n 300070,C h i n a ;2.I n f o r m a t i o n C e n t e r ,T i a n j i n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y)A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t h e c u r r e n t e l e c t r i c i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o l l e g e d o r m i t o r i e s ,a d o u b l e c h a n n e l e l e c t r i c e n e r g y me a s u r e m e n t a n d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e H L W 8032i s d e s i g n e d .T h e s y s t e m c a n m o n i t o r a n d m a n a g e t h e e l e c t r i c e n e r g y of t h e a i r c o n d i t i o n e r a n d o t h -e r l o a d s i n t h e d o r m i t o r y .T h e s y s t e m h a s t h e a d v a n t ag e s o fhi g h m e a s u r e m e n t a c c u r a c y ,s i m p l e c o mm u n i c a t i o n c i r c u i t ,a n d s t r o n g s t a b i l -i t y .I t c a n r e a l i z e m o d e r n p o w e r m a n a g e m e n t a n d e n s u r e t h e s a f e t y of p o w e r u s e i n d o r m i t o r i e s .K e yw o r d s :H L W 8032;e l e c t r i c e n e r g y a c q u i s i t i o n ;d o u b l e -c h a n n e l m e a s u r e m e n t 0 引 言随着社会发展和生活水平的提高,高校住宿条件不断改善,许多高校为学生在宿舍内安装了空调,高校集体宿舍的用电需求大幅增加㊂在集体宿舍用电管理中,保障用电安全是重中之重,现代化的管理方式可以有效提高用电管理的工作效率㊂学生在宿舍中使用电热壶㊁电吹风㊁电磁炉等宿舍违禁电器容易引发火灾,危害学生的人身安全,所以在高校统一配备的大功率电器(如空调等)正常运转的情况下保障用电的安全成为用电管理的重点和难点㊂基于H L W 8032功率计量芯片的双路电能测量系统针对现代高校宿舍的用电特点,实现了集体宿舍智能化用电管理,保障了学生的用电安全㊂1 总体设计结合现在高校集体宿舍的用电特点,本系统以实现双路信号独立采集和控制为目的,将每间宿舍内的空调和其他负载设计为独立线路分别进行电能管理和监测㊂总体图1 总体框架设计图设计框架如图1所示㊂电能测量和控制系统由主控制模块㊁电能计量模块㊁智能断电模块㊁屏幕显示模块等组成,并可根据实际需要扩展其他功能模块,以实现整个公寓中各宿舍的电量信息采集㊁自动识别违禁电器并断电保护以及特定时间段功率控制等用电安全管理功能㊂系统显示屏幕显示各路负载的功率㊁电压㊁电流㊁使用电能总量,方便查看宿舍内各路负载电能使用情况,有助于用电管理和用户查询㊂2 硬件设计系统使用电能计量芯片H L W 8032进行电能采集,H L W 8032芯片通过内部集成的模/数转换器将电流值和电压值模拟量转换为数字量输出,通过光电耦合电路隔离后与M C U 进行通信㊂M C U 通过公式计算出电压有效值㊁电流有效值和有功功率值的大小㊂主控制模块选用宏晶科技有限公司生产的T C 8A 8K 64S 4A 12,该单片机无需外部晶振和外部复位,拥有12位15通道高速A D C ,内部有22个中断源,4级中断优先级,具有存储单元㊁时钟电路㊁硬件复位电路㊁数/模转换电路等硬件资源,其电路结构简单㊁易开发㊁生产成本低㊂该芯片提供4路U A R T 串行接口,可获得串行通信接口,与显示屏进行通信㊂T C 8A 8K 64S 4A 12对采集的电能数据进行处理,G P I O 口输出不同的电平控制继电器的吸合来控制电路切与闭合,判断控制各路负载的电路通断㊂显示屏幕通过R S 232串口与主控制模块T C 8A 8K 64S 4A 12通信,读取电能表数据并显示㊂基于H L W 8032的双路电能测量与控制系统连接图如图2所示㊂图2 系统连接图2.1 电能计量模块系统电能计量模块使用高精度的电能计量芯片H L W 8032,该芯片精度可达2%,具有免校准功能,能够测量线电压和电流,采集负载电路参数,并计算有功功率㊂该芯片内部集成了两个模/数转换器和一个高精度的电能计量内核,提供一个U A R T 接口,采用异步串行通信方式,用两个单向引脚进行数据通信㊂电流信号通过锰铜电阻采样后接入到H L W 8032,电压信号通过电阻网络后输入到H L W 8032㊂H L W 8032芯片I P 和I N 引脚与采样电阻相连,将获取的电流信号通过芯片内部的A D C 转换为M C U 可读取的电流值㊂P F ㊁T X引脚直接与M C U 相连,M C U 读取采集到的设备信息,通过公式计算出电压有效值㊁电流有效值和有功功率值的大小㊂电能计量模块原理图如图3所示㊂图3 电能计量模块原理图2.2 智能断电模块为了保障用电安全,学校往往规定电热壶㊁电吹风㊁电饭锅等电器为宿舍禁用电器㊂对于使用空调的宿舍,需要将空调电路负载和其他电器负载进行区分识别恶性负载㊂这些电器类似于纯抗阻负载,可用功率因数法进行识别㊂当纯抗阻负载工作时,功率因数约等于1[2]㊂对于类似纯抗阻负载,根据功率因数可对危险电器进行判别㊂空调等大功率电器电路可以通过设置电路的最大功率㊁最大电流来进行恶性负载检测㊂当功率㊁电流超过设置值时,对电路进行断电处理㊂当发现违规用电现象后,应立即进行断电处理进行保护㊂继电器是具有隔离功能的自动开关元件,依据M C U 的G P I O 口输出电平控制继电器的吸合来图4 继电器控制电路图控制电路㊂继电器控制电路如图4所示,M C U 输出低电平时,三极管Q 1导通,继电器R L 1触点吸合;M C U 输出为高电平时,三极管Q 1断开,继电器R L 1断电断开,实现对电路的控制和保护㊂2.3 隔离通信模块H L W 8032提供U A R T 接口,实现与M C U 的数据通信㊂T X 引脚从H L W 8032发送数据,R X 引脚从M C U 接收数据㊂由于电能计量芯片外接220V 电源,系统使用光图5 光电耦合隔离电路图电耦合电路将HW L 8032输出进行强弱电隔离,实现隔离通信,电路原理图如图5所示㊂光耦隔离器实现信号单向传输,将M C U 与外界信号进行数字化电气隔离,可以提高系统的可靠性㊁稳定性,加强抗干扰能力[3]㊂3 软件设计3.1 系统软件设计系统开启后,各端口初始化,采集宿舍空调线路和其他负载线路的电量数据,电能采集模块将采集到的电流和电压数据传送到主控制模块,进行数据分析处理,并通过公式计算出电压㊁电流和功率值㊂根据功率因数判断是否存在安全隐患或使用违规电器㊂若功率值接近于1,继电器断开,电路断开;否则,将电量数据信息进行传送,在屏幕显示㊂系统程序设计流程图如图6所示㊂3.2 电量采集模块软件设计H L W 8032提供一个U A R T 接口,T X 引脚用于从H L W 8032发送数据,数据以低位(L S B )优先发送,R X引图6 系统程序设计流程图脚用于接收来自微控制器的数据,可与外部M C U 进行数据通信[4]㊂主控制M C U 串口R X 引脚与H L W 8032的T X 引脚相连读取采集到的信息,通过计算得到电路的电流值㊂电能计量模块连接示意图如图7所示㊂电量数据采集测量中断服务程序流程图如图8所示㊂图7电能采集模块连接示意图图8 电量数据采集测量中断服务程序流程图H L W 8032每发送一次完整数据为24字节,从寄存器1(S t a t e R E G )开始发送,到寄存器11(C h e c k S u m R E G )结束,一组数据共11个寄存器,24字节数据㊂H L W 8032的U A R T 接口以4800b ps 的固定频率工作,发送数据的间隔时间为50m s [4]㊂M C U 通过串口读取到H L W 8032的寄存器数据后,根据式(1)~式(3)可得出电压㊁电流和功率值㊂有效电压=电压参数寄存器电压寄存器ˑ电压系数ˑ1000(1)有效电流=电压参数寄存器电压寄存器ˑ电流系数ˑ0.001(2)有功功率=电压参数寄存器电压寄存器ˑ电流系数ˑ电压系数(3)地址,只有在需要时才会将函数拷贝到内存㊂因此,使用期间发现问题和不足时,只需要用新的动态库覆盖旧的动态库即可,不需要复杂的操作,方便后期的移植㊁更新和维护㊂4 测试结果使用上文提出的方法在系统内进程数量正常时进行测试,根据后台打印信息来查看应用程序所得到的温度值,结果如图4所示㊂图4 测试结果此次测试在C P U 负载50%左右的情况下,每3秒采集一次温度㊂由结果可以看出,在读数发生错误时,会将上一次读到的温度打印出来,交给应用程序,解决温度的跳变问题,使得用户的使用体验更佳㊂5 结 语此方法可以有效解决偶尔出现的温度跳变问题,在C P U 负载不超过70%的情况下可以保证98%的正确率,并且采用动态库的方式便于发现B U G 之后的修改维护问题,减少应用程序的代码冗余㊂但是仍然存在一些问题,在C P U 繁忙时,很难保证读到的基准值是正确的,有可能会导致读到的两个基准值都是错误的,从而使得后面所上报温度全部为错㊂对于此问题,打算在程序中加入自动纠错处理,在错误数超过一定情况下重新进行初始化来调整基准值,保证基准值是正确的,并且可以对程序进行部分优化,使得在读温度时减少C P U 的占用率以提高整体工作效率[3]㊂参考文献[1]王腾飞.对计算机嵌入式实时操作系统的研究及分析[J ].科技创新与应用,2020(36):6667.[2]李欣,白兴武.基于L i n u x 的嵌入式实时操作系统任务调度算法优化[J ].自动化与仪器仪表,2020(9):4851.[3]王博文.单总线通信技术在手持报警仪调校中的应用[J ].计算机与现代化,2019(8):5762.张旭伟(工程师),主要从事系统测试方面的研究㊂通信作者:张旭伟,w h y w h yk i s s s @s i n a .c o m ㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2021-01-25)4 系统连接实物图基于H L W 8032的双路电能测量与控制系统连接实物图如图9所示㊂图9 系统连接实物图5 结 语本设计针对安装空调的高校集体宿舍进行独立双路电能采集和控制,可对宿舍中的空调专线控制,或对特定时段进行功率控制,可灵活管理用电㊂选用S T C 8A 8K 64S 4A 12芯片和H L W 8032电能计量芯片,具有测量精度高㊁稳定性强和M C U 通信电路简单等特点,可以保障用电安全,智能节能用电,提高管理效率㊂参考文献[1]江苏国芯科技有限公司.S T C 8系列单片机技术参考手册[E B /O L ].[202102].h t t p ://w w w.s t c m c u .c o m.[2]赵晓阳.学生公寓防限电装置及违规负载的识别[J ].科技创新与应用,2015(8):3940.[3]陆泉森,李军,鲍鸿.光耦隔离技术在智能测控系统中的应用[J ].机械与电子,2008(2):5356.[4]合力为科技.H L W 8032用户手册,2019.王大珅(硕士研究生),主要研究方向为通信工程等㊂通信作者:王大珅,w d s @t m u .e d u .c n㊂(责任编辑:薛士然 收修改稿日期:2021-02-03)。
计量芯片HLW8112典型应用设计
计量芯片HLW8112典型应用设计1芯片介绍1.1芯片描述HLW8112是一款高精度的电能计量IC,它采用CMOS制造工艺，主要用于单相应用。
它能够测量线电压和电流，并能计算有功功率，视在功率和功率因素。
该器件内部集成了三个∑-Δ型ADC和一个高精度的电能计量内核。
第二路通道可同时测量零线电流，支持窃电检测和漏电检测。
各输入通道都支持灵活的PGA 设置，因此HLW8112适合与不同类型的传感器使用，如电流互感器（CT）和低阻值分流器。
HLW8112可以通过多种通讯接口访问片内寄存器，包括SPI和UART。
HLW8112包含两个可配置的脉冲输出引脚，可以通过INT1和INT2引脚获取过流、过压、过零和漏电检测等功能。
HLW8112电能计量IC采用3.3V或5.0V电源供电，内置振荡器，采用16脚SSOP 封装。
1.2特性描述✓免校准功能✓宽工作电压，支持3.3V和5.0V电源供电✓测量有功功率、视在功率、电压和电流有效值✓在5000：1的动态范围内，有功电能的测量误差<0.1%✓在3000：1的动态范围内，有功功率的测量误差<0.1%✓在1000：1的动态范围内，有效电压的测量误差<0.1%✓在1000：1的动态范围内，有效电流的测量误差<0.1%✓提供有功功率过载信号指示✓提供电压信号的过零检测、过压指示和欠压指示✓提供电流信号的过零检测，过流指示✓UART/SPI通讯方式✓SSOP16封装1.3应用领域✓智能家电设备✓漏电检测设备✓计量电表✓计量插座✓ WIFI 插座 ✓ 充电桩 ✓ PDU 设备✓ LED 照明 ✓ 交通路灯1.4 芯片管脚VDD IAP IAN SPIEN INT2IBP CLKI IBN VP GND VREF SDO/TXSCLK SCSN SDI/RXINT12 硬件设计2.1 原理图设计HLW8112在HLW8110单通道基础上增加一路电流检测通道用于检测设备漏电状况。
功率计量芯片HLW8032规格书
HLW8032 用户手册 REV 1.3
REV 1.3
HLW8032
应用领域
智能家电产品 计量插座 智能 WIFI 插座 电动车充电桩 PDU 设备 LED 照明 路灯控制
单相计量 IC
HLW8032
REV 1.3
HLW8032
特性
可以测量有功功率、视在功率、电流和电压有效值 有功电能脉冲 PF 管脚输出 在 1000：1 的动态范围内，有功功率的测量误差达到 0.2% 在 1000：1 的动态范围内，有效电流的测量误差达到 0.5% 在 1000：1 的动态范围内，有效电压的测量误差达到 0.5% 内置频率振荡器 内置电压参考源 内置电源监控电路 UART 通讯方式 SOP8 封装型式
HLW8032 具有精度高、功耗小、可靠性高、适用环境能力强等优点，适用于单相两线制电 力用户的电能计量。
功能框图
VDD
Internal Clock
Power On Reset
IP
PGA
IN
VP
PGA
1k
GND
ADC ADC
Sigma_I Sigma_V
Active Power I_rms V_rms
calculation
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Reference Voltage
2.43V
图 1 芯片功能框图
REV 1.3
REG UART
RX
PF
TX
HLW8032
目录
应用领域................................................................................................................................................. 2 特性 ........................................................................................................................................................ 3 概述 ........................................................................................................................................................ 3 功能框图................................................................................................................................................. 3 修订历史................................................................................................................................................. 5 引脚配置和功能描述............................................................................................................................. 6 技术规格................................................................................................................................................. 6
简易功率测量装置
1 系统方案论证1.1 直流供电负载功率测量方案的选择方案一：采用差分放大测量负载电流，外接ADC 获取负载电压。
利用双运放构成的差分放大器获取采样电阻上的电压，从而计算出负载上面的电流，利用ADC0809采集负载两端电压，通过计算得出负载功率。
方案二：使用仪表运放INA128测量采样电压，MSP430采集负载电压。
INA128是高精度运算放大器，共模抑制比高，测量采样电阻上电压信号准确，通过二级放大，利用MSP430内部12位ADC 模块采集电压，通过计算得到负载上的电流，通过信号调理电路，利用MSP430内部ADC 采集负载电压，通过计算得到负载上面的电压，最终计算出负载上的功率[1]。
上述两种方案比较，由于设计要求误差不高于1%，应采用低噪声的仪表运放精密型运放，由于设计要求采集电压、电流参数，如果单独外接ADC 模块完成信号的采集，不仅增加了设计成本和难度。
基于此，采用方案二作为直流供电负载功率测量方案。
1.2 交流供电负载功率测量方案的选择方案一：采用单相供电功率HLW8012测量芯片，实现功率测量。
HLW8012是市面上比较常见的交流功率测量芯片，内部集成了信号处理模块，DSP 运算模块等。
能够测量单相电上负载的功率。
方案二：采用真有效值转换芯片AD637测量交流信号参数，实现设计。
采用高精度、高带宽的真有效值检测器件AD637，实现对交流信号的有效值测量，输出为直流电平，该电平为交流信号的有效值。
通过对直流信号的采集，实现对负载电参数的测量[2]。
比较这两种方案，由于HLW8012模块，在测量交流电功率时候，必须搞直流对其供电才能正常工作，需要非隔离AD-DC 电路进行交流转直流，增加了设计难度与成本，而采用AD637芯片完成对交流信号转换，只需处理直流信号即可对负载上电压与电流的测量，因此采用方案二完成对交流负载功率的测量。
1.3 交直流供电识别方案的选择方案一：采用光耦采集信号，来分辨电源性质。
自带串口,免校准的小封装功率计量芯片HLW8032（修订版）
自带串口,免校准的小封装功率计量芯片HLW8032关键词功率计量、电能计量芯片、物联网、HLW8032、HLW8012摘要随着物联网的高速发展，物联网产品由相对单一的智能插座产品过渡到智能家电产品上，使得智能化的小家电产品开始丰富起来，于是智能家居厂商和小家电厂家将传统家电产品升级成智能家电，而传统家电产品又绕不同开对“电”的应用，从而对电能计量的应用有了新的要求，深圳市合力为科技有限公司正是由于认识到家电行业的转变，在产品上做了新革新，推出的一款适用于物联网智能家居领域的电能计量IC - HLW8032，HLW8032是在HLW8012的基础上进行迭代的新版本，在硬件上可以实现PIN TO PIN的兼容。
HLW8032不止适用于小家电产品，还适用于智能插座、智能LED照明和充电桩等领域。
HLW8032简介HLW8032是一款高精度的单相电能计量IC，它能够测量线电压和电流，并能计算有功电能、有功功率，视在功率和功率因素。
HLW8032采用UART口通讯方式，波特率为4800bps，工作电压为5V且内置了3.579M晶振，工作电流只有4mA，采用SOP8封装。
HLW8032的芯片管脚图如下:IP IN PF TX图 1 HLW8032芯片管脚图下表为HLW8032的引脚描述:表 1 引脚功能描述HLW8032的PIN6为TX输出引脚，接入MCU的RX引脚，TX脚每50ms发送一组24byte的数据。
HLW8032的PF管脚是功率脉冲管脚，输出有功功率脉冲。
下表是HLW8032和上一代产品HLW8012的功能对比表,从表中可以看出两者的主要功能别在于通讯方式的不同。
表 2 性能对比表HLW8032应用下图是HLW8012的典型应用电路,从图中可以看出，外围电路只有简单的几个元器件，实现了电压通道和电流通道的采样。
HLW8032除了在与MCU的接口与HLW8012有不同之处，其余外围应用电路和HLW8012完全一致，所以外围应用电路上也与HLW8012完全兼容。
基于LoRa技术的智能路灯系统设计
LoRa 网关节点
设置计算机
路灯控制器
路灯控制器
路灯控制器
图 1 智能路灯系统结构图
2.1 LoRa 网络构建
2.1.1 LoRa 无线技术 LoRa 是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，是 低功率广域网络通信技术中的一种，是 SEMTECH 公司创 建的低功耗局域网无线标准。这一方案为用户提供一种简 单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。它最大特点就 是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远， 实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的 无线射频通信距离扩大 3 ～ 5 倍。它的传输距离在城镇可达 2 ～ 5 km，郊区可达 15 km；电池的寿命可以长达 10 年。 非常适合应用于高速公路的路灯系统。 LoRa 网关节点与路灯控制器都是基于一块 LoRa 核心 板。核心板的射频模块采用型号为 LSD4RF-2F717N30 的芯 片。该芯片是基于 SEMTECH 射频集成芯片系列 S×127X， 是一款高性能物联网无线收发器，用于超长距离扩频通信， 抗干扰性强，能够最大限度降低电流消耗。 核心板的 MCU 采用 STM32L151C8。STM32 是意法半 导体（STMicroelectronics，ST）有限公司出品的一系列微控 制器（Micro Controller Unit，MCU）的统称。STM32L151C8 属于超低功耗系列 MCU，在功耗要求低的射频通信场合十 分合适。
负载 电压电流采样 HLW8012 高频脉冲
MCU
图 3 电压电流测量信号图
（3）远距离超声波传感器，用于检测过往车辆，为路灯 的控制提供判断条件。ME007-ULS V1 超声波传感器，是采 用一体化防水探头设计而成的一款高性能的测距传感器。供
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基于功率测量芯片HLW8012的功率显示表设计
[摘要]
功率显示表是一种用于显示电量数据的仪表，是针对电力系统、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的。
本文主要讲述功率显示表的主要功能、硬件原理图等。
该功率显示表可以对单相交流电路中的用电设备进行功率、电压和电流等参数的检测。
仪表采用HLW7021作为控制MCU,以专用电能计量集成电路芯片HLW8012为电量采集的核心器件，显示电路由芯片SM1642驱动4位数码管显示。
[关键词]
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[正文]
一、功率显示表原理
为了能够测量单相电路中的电流、电压、功率、电量和功率因系素等有效值，本次设计的采样电路以电能计量芯片HLW8012为主，不需使用复杂的设计电路和编写复杂的软件。
因为HLW8012内置了晶振和参考电源，所以外围电路非常简单。
HLW8012主要特性
●高频脉冲CF，指示有功功率，在1000:1范围内达到±0.3%的精度
●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
●内置晶振、2.43V 电压参考源及电源监控电路
●5V单电源供电，工作电流小于3mA
HLW8012输入输出
图1 芯片引脚图
功率显示表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，并通过4位数码管进行显示。
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，主控制器模块和显示模块。
功率显示表的原理框图如下:
图1 功能显示表原理框图
二、功率显示表硬件设计
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，此电路设计简单，无需变压器器件，就可以输出稳定的5V电源。
图2AC-DC电路原理图
此电路可以提供150mA左右的电流，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R11,C9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。
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。
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。
图4MCU外围电路
4、显示模块
显示模块采用具有串行接口的数码管驱动芯片SM1642,SM1642是一款基于LED数码驱动控制的集成电路，内部集成了18位的移位寄存器、上电复位等电路模块。
SM1642具有超强的输入端口抗干扰能力，且在输入端口内置上拉电阻，显示模式为4位8段。
图5 显示驱动电路。