基于STM32與HLW8012的單相智能電表的設(shè)計

安陽工學院電子信息與電氣工程學院 張庭亮

安陽師范學院軟件學院 甄倩倩

安陽工學院電子信息與電氣工程學院 楊滿意

基于STM32與HLW8012的單相智能電表的設(shè)計

安陽工學院電子信息與電氣工程學院 張庭亮

安陽師范學院軟件學院 甄倩倩

安陽工學院電子信息與電氣工程學院 楊滿意

單相智能電表是一種電能計量工具，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能單相計量電表逐漸走進人們的生活。針對電力系統(tǒng)使用機械式單相計量電表出現(xiàn)的功耗大、精度低與抄表人工成本問題，系統(tǒng)以STM32為主控，HLW8012為單相計量芯片，實現(xiàn)電壓、電流、功率實時顯示及電量計量，無線抄表等功能。系統(tǒng)電量計量精度為0．3%，功耗低，易于觀察，可實現(xiàn)無線抄表功能。

單相計量；無線抄表；電量顯示

智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)，以各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展為基礎(chǔ)，以信息平臺為支撐，具有信息化、自動化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務流”一體化融合的現(xiàn)代電網(wǎng)[1]。在智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢中，電表的智能化是重要的一個環(huán)節(jié)。國內(nèi)電表處于新舊更替階段，家庭對智能電表的需求量逐漸增加。我國很多地方使用的機械式計量電表，功耗大，計量精度低，抄表困難，誤差較大。國內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)無線遠程控制抄表要求的AMI系統(tǒng)[2-3]，價格及性能屬于中高端，成本高。隨著NB-loT技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家電及設(shè)備逐漸走進千家萬戶，遠程無線控制給人們帶來便捷的同時，安全監(jiān)控成了重中之重[4-6]，多功能智能電表可以實時監(jiān)測家庭用電情況，能起到節(jié)能減排的作用。

合力為公司HLW8012單相多功能計量芯片提供高頻脈沖CF用于電能計量和高頻CF1用于指示電流有效值或者電壓有效值[7]，內(nèi)置了晶振和參考電源，不需設(shè)計復雜的電路和軟件，具有外圍電路簡單、價格便宜的優(yōu)點[8]。

1 電表總體設(shè)計

1.1 計量原理

HLW8012計量芯片內(nèi)部的資源有兩個PGA模塊和兩路ADC轉(zhuǎn)換模塊，錳銅采樣電阻采集電壓、電流后通過ADC模塊轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，計算參數(shù)以占空比為1:1的方式輸出[7]。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 計量芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

有功功率計算：

有效電流計算：

有效電壓計算：

式中：U1是電流通道引腳的電壓，U2是電壓通道引腳的電壓，F(xiàn)0是內(nèi)置晶振，典型頻率約為3.579MHz。U0是內(nèi)置基準電壓源，典型電壓為2.43V[7]。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由STM32f103主控模塊、HLW8012計量模塊、液晶顯示模塊、ESP8266無線模塊、按鍵控制模塊及電源模塊組成，如圖2所示。系統(tǒng)按鍵選擇計量校準，液晶實時顯示電壓、電流、功率及電量數(shù)據(jù)。計量芯片使能端控制電壓，電流測量切換。功率通過電壓與電流的乘積得到，測量的數(shù)據(jù)通過ESP8266無線模塊傳輸?shù)绞謾C終端，實現(xiàn)無線抄表功能。

圖2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

計量電路是系統(tǒng)的核心部分，決定信號的準確性，合理的布局及電路設(shè)計能提高采集精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，篇幅所限，僅就具有創(chuàng)新應用的硬件部分進行介紹。

2.1 計量電路的設(shè)計

HLW8012芯片可實現(xiàn)功率、電量、電壓和電流的采集功能。采集電路通過2毫歐錳銅電阻采樣電流，電壓信號小于30.9毫伏，通過5個470千歐姆的電阻采樣電壓，電壓信號小于459毫伏，通過光耦隔離與單片機進行數(shù)據(jù)交換[7]。模塊的引腳6以輸出占空比為1:1的高頻脈沖方式將采集電量送到光耦的輸入端，引腳7將電壓，電流信號送到光耦的輸入端，引腳8控制引腳7發(fā)送電壓或電流信號，電路設(shè)計如圖3所示。

錳銅電阻電流采樣，精度為1%的貼片電阻對電壓進行采樣，導致精度較低，需用標準的用電設(shè)備對計量電路進行校準[9]，

2.2 無線通信電路設(shè)計

設(shè)計采用ESP8266 WiFi模塊，可以使用串口與單片機連接，具有不同工作模式，支持透明傳輸。選擇透明模式后，用戶操作方式和藍牙的方式一樣[10-11]，用WiFi接收端連接網(wǎng)絡(luò)，輸入密碼可成功進行數(shù)據(jù)交換。無線通信電路設(shè)計如圖4所示。

圖3 計量電路設(shè)計

圖4 無線通信電路設(shè)計

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)通過錳銅采樣電路將電壓，電流信號轉(zhuǎn)換后，由HLW 8012計量芯片轉(zhuǎn)換為0-3.3V的脈沖信號。STM32將脈沖信號解碼識別為電壓、電流及電量數(shù)據(jù)，計算功率后液晶模塊實時顯示，由WiFi模塊ESP8266發(fā)送給接收端。接收端只需尋找到該WiFi，輸入密碼即可連接成功，按鍵是校準觸發(fā)源，當按鍵按下，智能電表進行精度校準。系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

電源接通后，系統(tǒng)進入工作模式，主控及外設(shè)完成初始化，液晶初始界面顯示如圖6(a)所示。按鍵進入校準模式，如圖6(b)所示。計量模式顯示電壓，電流，功率與電量，如圖6(c)所示。無線傳輸接收界面如圖6(d)所示。系統(tǒng)整體實物如圖7所示。

圖6 界面顯示

圖7 系統(tǒng)實物圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)基于STM32與HLW8012，使用Altium Designer與KEIL軟件開發(fā)平臺完成軟硬件設(shè)計，錳銅采樣電路和HLW8012芯片相結(jié)合，積分電路計算數(shù)據(jù)信息發(fā)送到STM32，液晶模塊將采集的數(shù)據(jù)進行顯示，WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，實現(xiàn)無線抄表功能。相對于機械式電表具有精度高、功耗低和無線抄表等優(yōu)點，HLW8012的應用具有創(chuàng)新之處，進一步將研究集成系統(tǒng)，測試系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1]陶軍,呂新偉．一種基于SoC的三相智能電表設(shè)計[J]．江蘇電機工程,2013,32(04)：38-40+44．

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[3]高雄,史哲,彭勇剛,韋巍．智能雙向計量與監(jiān)控終端設(shè)計[J]．機電工程,2016,33(03)：326-330+382．

[4]唐旸,楊冠魯,羅鈞鈴．基于AMI并采用DSP和ZigBee的智能電表的設(shè)計[J]．電子測試,2012(05)：65-69+79．

[5]詹道平,蘇浩波,唐順,周啟華．智能電網(wǎng)中基于安全的無線AMI系統(tǒng)研究及設(shè)計[J]．通訊世界,2016(11)：36-37．

[6]屈召貴．單相雙支路計量智能電表的設(shè)計[J]．西南師范大學學報(自然科學版),2016,41(10)：111-116．

[7]合力為科技．HLW用戶手冊[EB/OL]．[2015-11-11]．http：//www．hiliwi．com．

[8]徐鈺琨．基于STC和HLW8012的電視節(jié)能插座設(shè)計[J]．電子世界,2016(20)：90-92．

[9]杜欣慧,王茜．基于計量芯片ADE7758的三相多功能電表設(shè)計[J]．電氣技術(shù),2012(02)：42-44+48．

[10]曹振民,陳年生,馬強,武凌,武婧．基于ESP8266的無線控制電路設(shè)計[J]．工業(yè)控制計算機,2017,30(01)：68-69．

[11]朱浩翔,郭為民,楊寧．基于ESP8266的充電樁數(shù)據(jù)采集器設(shè)計[J]．微型機與應用,2017,36(09)：92-94+99．

Design of Single-phase Smart Meter Based on STM32 and HLW8012

Zhang Tingliang1，Zhen Qianqian2，Yang Manyi1
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Anyang Institute of Technology,Henan,Anyang,455000；2.School of Software Engineering，Anyang Normal University，Henan，Anyang，455000）

Single-phase smart meter is a power measurement tools，with the rapid development of Internet of things，intelligent single-phase metering meter gradually into people’s lives.For the power system using mechanical single-phase meter have problems oflarge power consumption，low precision and meter reading labor costs，the system use STM32 as the MCU，together use the HLW8012 single-phase metering chip to achieve voltage，current and power real-time display and power metering，wireless meter reading and other functions.System power measurement accuracy of 0.3%，low power consumption，easy to observe，can achieve wireless meter reading function.

single-phase metering；wireless meter；power display

張庭亮（1989—），男，山西臨汾人，碩士，助教，研究方向：模式識別與智能控制。