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基于功率计量芯片HLW8012电视节能插座方案
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- 发布时间：2014-12-26 00:00
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【概要描述】电视节能插座是一种对传统排插的改进排插 ，可以测量功率 ，根据电视的工作状态，自动控制周边设备电源的开关 。本文主要讲述电视节能插座的主要功能 、硬件原理图等 。此方案采用HLW7021作为控制MCU ，以专用功率计量芯片HLW8012为电量采集器件。 一、电视节能插座原理 电视节能插座需要测量功率，同时电视节能插座产品内部空间小，本次设计使用功率计量芯片HLW8012作为测量器件 。因为HLW8012内置
基于功率计量芯片HLW8012电视节能插座方案
【概要描述】电视节能插座是一种对传统排插的改进排插，可以测量功率，根据电视的工作状态 ，自动控制周边设备电源的开关。本文主要讲述电视节能插座的主要功能、硬件原理图等。此方案采用HLW7021作为控制MCU，以专用功率计量芯片HLW8012为电量采集器件。 一、电视节能插座原理 电视节能插座需要测量功率，同时电视节能插座产品内部空间小 ，本次设计使用功率计量芯片HLW8012作为测量器件 。因为HLW8012内置
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电视节能插座是一种对传统排插的改进排插，可以测量功率 ，根据电视的工作状态，自动控制周边设备电源的开关。本文主要讲述电视节能插座的主要功能 、硬件原理图等。此方案采用HLW7021作为控制MCU，以专用功率计量芯片HLW8012为电量采集器件 。
一 、电视节能插座原理
电视节能插座需要测量功率，同时电视节能插座产品内部空间小 ，本次设计使用功率计量芯片HLW8012作为测量器件。因为HLW8012内置晶振、参考源，SOP8封装，外围电路简单，在满足性能要求的同时，可以做到体积更小 。
HLW8012主要特性
(1)高频脉冲CF，指示有功功率 ，在1000:1范围内达到±0.3%的精度
(2)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
(3)内置晶振、2.43V电压参考源及电源监控电路
(4)5V单电源供电 ，工作电流小于3mA
HLW8012输入输出
图1 HLW8012芯片引脚图
(1)V1P ，V1N输入电流采样信号 ：峰峰值VP-P：±43.75mV，最大有效值：±30.9mV。
(2)V2P输入电压采样信号：峰峰值VP-P：±700mV，最大有效值 ：±495mV。
(3)高频脉冲CF(PIN6)：指示功率，计算电能;输出占空比为1:1的方波。
(4)高频脉冲CF1(PIN7)：指示电流或电压有效值 ，SEL选择;输出占空比为1:1的方波。
电视节能插座实际上是对传统排插的改进 ，连接电视及与电视相关的周边设备 ，如机顶盒、音箱、功放等 。MCU从功率计量模块获取电视机的功率，判断电视是否正在使用。如果电视正在使用 ，功率值较大，此时闭合继电器，打开周边设备电源;如果电视正在待机，功率值较低，些时切断继电器，关闭周边设备电源及电视电源 。图2中，红色插孔为主机插孔 ，连接电视机;绿色插孔为副孔，连接周边设备;黑色插孔为常通孔 ，连接不需要被控制的电器。继电器控制主机插孔、副孔。用户需要看电视时，只需按下遥控器2次，直接观看电视，不需要手动去打开各个周边设备的电源;需要关闭电视 ，只需按下遥控器1次即可，不需要手动去关闭各个周边设备的电源。电视节能插座方案结构框图如下 ：
图2 电视节能插座方案结构框图
二、电视节能插座硬件设计
电视节能插座硬件设计相对应于结构框图，有5部分模块电路：电源管理电路、功率计量电路、红外接收模块电路、继电器控制电路及按键 。
电压 、电流通道的采样方式有2种 ：互感器采样、电阻采样。本设计使用电阻采样方式。
1、电源管理电路
为了配合电阻采样方式(即从电网直接采样信号，非隔离)，电源电路必须为非隔离电源，非隔离电源有2种方式 ：AC-DC非隔离电源、阻容降压电源。两者的比较如下 ：
使用LNK304设计的AC-DC非隔离电源，L与N分别是交流火线与零线，以零线作为地线。此电路无需变压器，稳压5V，可以提供150mA左右的电流，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 。此电源为所有模块提供工作电压。
(1)AC-DC非隔离电源
图3 AC-DC非隔离电源
(2)阻容降压电源
下图是低成本的阻容降压电源，以零线作为地线：
图4 阻容降压电源
经安规电容C1降压，二极管整流后，采用1N4749将电源降压至24V ，再经过稳压芯片78L05将输出电源稳定在5V，给HLW8012提供电源，24V用于驱动继电器 。如果选用12V的继电器，那么1N4749需改成1N4742，但是安规电容C1需更改为1uF的电容 ，以提高驱动电流。
2、红外接收模块电路及LED指示
红外接收头使用KS1838，工作电压2.7V~5V ，工作电流0.8mV，载波频率38KHz。本文案中使用5V电源 ，MCU判断到起始信号之后，将波形的脉冲记录下来。
图5 红外接收模块电路
3 、功率计量电路
功率计量电路使用HLW8012实现，功率数据通过CF引脚以脉冲的方式输出，脉冲频率大小表示有功功率值。功率计量电路主要包括电流 、电压的采样。
图6 功率计量电路
电流信号是通过锰铜电阻(R29 ，2mΩ)对主机孔的电流进行采样，信号量小于30.9mV;电压信号是通过电阻网络(R21, R22, R23, R24, R26)对交流电压进行分压采样，信号量小于495mV 。锰铜电阻的接法：一端与GND连接，另一端与负载连接。
MCU使用HLW7021，CF引脚连接HLW7021外部中断引脚。MCU通过测量CF引脚的脉冲周期，计算功率。
图7 MCU与功率计量芯片连接
4、按键电路
按键电路部分只有1个按键 。可以用于关闭插孔电源;长按按键进入红外学习模式;在红外学习模式长按进入功率学习模式 。
图8 按键电路
5 、继电器控制电路
如果选用AC-DC电源，可选用5V的继电器;如果选用阻容降压电容，可选用12V/24V继电器，控制负载的火线闭合与关断。继电器的闭合与关断通过MCU控制三极管来实现。二极管D4防止继电器反向电动势对三极管Q1的损坏。
图9 继电器控制电路
6 、PCB Layout注意事项
(1)芯片电源引脚处的去耦电容尽量靠近芯片的引脚。
(2)电压通道电阻分压网络，应呈阶梯式分布，逐渐降压，从输入端高压直至计量芯片的取样电压，注意电阻之间的爬电距离 。
(3)电流采样电阻的地线应和其它地线分开布线 ，以最短路径走线到主板参考地线输入端(如零线)，减少对采样信号的干扰。
(4)采样信号线走线要平行且靠近，尽量缩短布线 ，减小对采样信号的干扰。
(5)芯片的地线要能够快速回到电源输入端压敏电阻的地上，减小地线对计量芯片的干扰 。
(6)电源走线不要走成环形，环形的电源走线容易受外界的电磁场干扰 。
(7)电压取样布线要和锰铜取样布线隔一定距离 ，以免相互干扰 。
(8)所有引线不宜太长，尤其是PCB装配固定后，所有引线不能直接接触计量芯片及其它外围电路。确实无法避免时 ，所有导线应分组加黄蜡套管，提高绝缘度 。
三、电视节能插座软件设计
1、电视节能插座主流程图
图10 基于HLW8012的电视节能插座主流程图
上电初始化之后，开始功率脉冲的周期测量 。功率测量成功之后，根据模式进行相应处理。红外接收成功之后，根据模式进行相应处理 。按键处理主要包括开或关电源，进入红外学习模式 ，进入功率学习模式;模式处理根据相应的模式控制继电器的闭合与切断、LED指示灯。
2、中断服务子程序流程图：测量脉冲周期的程序。
图11 外部中断服务子程序
图12 定时中断服务子程序
以上是中断服务子程序中运行的内容。
四 、结束语
电视节能插座设计可以在提高电视使用方便性的同时，减少了周边设备的待机功率 ，实现节能目的 。随着现在电器使用越来越多，待机能耗浪费越来越多 ，如电视节能插座来的节能配件将会越来越多，如电脑节能插座，WIFI智能插座，蓝牙无线插座等。
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