【导读】本文介绍一种智能节能插座方案的基本原理与设计实现,该方案主芯片采用HLW8012，能准确的实现对用电器用电情况的计量;该方案减少了外围元器件数目，提高了系统的测量精度，具有可靠性高、精度高、成本低等优点。
随着物联网的快速发展，使节能插座产品延伸到智能家居领域，节能插座朝着智能化的方向发展，出现了智能节能插座，智能插座与普通节能插座相比，多出了一个WIFI 模块，通过接入网络的手机能接收开启和关闭指令，通过切断电源来实现与之接驳电器的开关，不仅能帮助你远程关闭家中的电器，还能够提前开启。
一、智能插座方案主芯片HLW8012 介绍
HLW8012 为插座厂家和智能家居厂家提供了一个高度精确且成本低廉的电能测量解决方案。该集成芯片专为住宅用单相电能表或智能插座设计，可精确测量电流有效值IRMS 和电压有效值VRMS、有功功率和电量。
HLW8012 的内部结构
HLW8012 的内部结构如图1 所示。它由2 个可编程增益放大器、2 个Δ－Σ调制器、配套的高速滤波器、功率计算、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。两个可编程放大器采集电压和电流数据，Δ－Σ调制器对模拟量采样处理，滤取可用电压、电流数字信号，并将计算的功率值、电压有效值和电流有效值通过脉冲指示方式对外输出。
二、 芯片HLW8012 工作原理
HLW8012 的V1P 和V1N 引脚输入电流信号波，电流通道集成一个固定增益放大器，允许的最大差分输入信号为±43.75mV；电压通道允许的最大输入信号是±700mV。HLW8012 可以使用低成本的锰铜采样电阻或电流互感器来测量电流，并使用分压电阻或电压互感器来测量电压，其芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。
三、HLW8012 的主要特性
· 高频脉冲CF，指示有功功率，满足50/60Hz IEC 687/1036 标准的准确度要求，在1000:1范围内达到±0.2%的精度。
· 高频脉冲CF1，可配置成为输出电流有效值或者电压有效值，在500:1 范围内达到±0.5%的精度。
· 内置电源监控电路，当电源电压低到4V 时，芯片进入复位状态。
· 内置2.43V 的电压参考源。
· 5V 单电源供电，工作电流小于3mA。
· SOP8 封装
四 硬件电路设计
图2 为智能节能插座的功能框图，由电源模块、主控制器模块、电能信号采集电路、无线通信模块组成。图为智能节能插座的功能框图，由电源模块、主控制器模块、电能信号采集电路、无线通信模块组成。主控器为NEC 的9234，为消除串行通讯波特率误差，晶振设为11.0592M。电源部分采用AC-DC 电路，由220V 转为12V，再经稳压芯片转换成5V 给主控MCU NEC9234，电能计量IC HLW8012 和继电器提供电源。由于现在的无线模块大多采用3.3V的工作电源，所以5V 电源需经DC-DC 降压为3.3V 后，提供给WIFI 无线模块，如定时开关，过载报警等。
智能节能插座的功能框图
1 电源电路
智能插座电源电路
电源电路有两路，一路是将交流220V 经AC-DC 转换成12V 电源，采用SY50103 芯片，可以提供1A 的电流，纹波控制在100mV 以内。开关电源的优势在于功率小、转换效益高，同时体积也小，适合放入较小体积的插座内。开关电源电路图如下图所示：继电器选用12V 10A 继电器，12V 继电器相比5V 继电器的成本要低一些。由于主控制器和电能计量IC 需提供5V 电源，而无线WIFI 模块采用是3.3V 电源供电，所以12V 电源出来之后，又分为两路，一路使用稳压芯片78L05，将电源降到5V，给MCU 和HLW8012 提供电源；另一路采用DC-DC 芯片，将12V 转为3.3V 给无线模块提供电源。
2 计量功能电路
采样电路包括电流信号采样和电压信号采样两部分。
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，使测量结果不准确。
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：
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3.579MHz
Vref：内置基准源，典型电压为2.43V
3 控制电路
主控器为单片机NEC 9234，是整个电路的核心控制器，读取负载电流有效值、电压有效值及负载功率。并可以通过继电器，对负载的电源进行开启或关闭。控制器通过无线WIFI模块可以将继电器的开关状态、工作时间、用电量、电压有效值和电流有效值数据传输给服务器，服务器对数据进行存储和分析，以达到更加智能化的控制目的。
五 智能插座软件设计
主程序流程图：
六 总结
采用HLW8012 的智能插座方案,能够准确的实现对用电器器用电情况的计量;该方案减少了外围元器件数目，提高了系统的测量精度，具有可靠性高、精度高、成本低等优点。
