DIY高精度數(shù)字交流電能表的教程

　　處理 220V-AC 電源電壓和測量 AC 負(fù)載的真實功率、電壓和電流參數(shù)一直被認(rèn)為是電子設(shè)計人員在電路設(shè)計和計算方面面臨的一大挑戰(zhàn)。當(dāng)我們處理電感負(fù)載時，情況會變得更加復(fù)雜，因為電感負(fù)載會改變交流信號的正弦波形（電阻負(fù)載不會）。

　　在這篇文章中，我介紹了一種可以測量負(fù)載的交流電壓、RMS 電流、有功功率、視在功率、功率因數(shù)和能耗（KWh）的電路。我使用了一個 Arduino-Nano 板作為處理器，以使其對初學(xué)者來說更具教育性和吸引力。該設(shè)備獨(dú)立測量上述參數(shù)并在 4*20 LCD 上顯示結(jié)果。測量錯誤率約為 0.5% 或更低。

　　A. 電路分析

　　圖 1 顯示了交流電能測量電路的示意圖。很明顯，該設(shè)計的兩個主要組件是 Arduino-Nano 板和 HLW8032 芯片。

　　圖1-數(shù)字式交流電能表裝置示意圖

　　A-1：電源輸入

　　我開始從上到下解釋原理圖。P1 和 P2 是電源連接器，可為 220V 電??源和負(fù)載提供牢固的螺釘連接。C1 是一個 100nF X2 額定電容，可降低輸入噪聲。F1、R1 和 R2 提供電源輸入保護(hù)。T1 是一種共模扼流圈，也用于降低共模噪聲。

　　R3、R4、R5 和 R6 是 4 毫歐 2512 電阻器，并聯(lián)構(gòu)成一個 4W 1 毫歐分流電阻器。您應(yīng)該從 1% 的 2512 封裝電阻器中選擇這些電阻器。如果由于某種原因您無法使用這些電阻器，則可以并聯(lián)使用兩個 2 毫歐電阻器，但是，上述組合在精度和額定分流功率方面提供了最佳結(jié)果。

　　A2：非隔離電源

　　HLW8032 芯片的電源應(yīng)該是非隔離的，參考市電。原因是芯片必須直接讀取分流電阻和電源電壓值。C2 是一個 470nF-630V 電容器，用于降低電源電壓，R8 用于限制電流。R7減少C2的放電時間。D1 和 D2 為整流二極管，D3 為 15V 穩(wěn)壓二極管，用于將電壓調(diào)節(jié)在 15V 左右。C4、C5 和 R9 創(chuàng)建一個低通 RC 濾波器，以盡可能降低噪聲。

　　REG-1 是 TS2937CW50 ［3］ 5V 線性穩(wěn)壓器。很明顯，它將電壓調(diào)節(jié)并固定為 5V。C3 是輸出電容，它可以降低穩(wěn)壓器噪聲。

　　A-3：隔離供應(yīng)

　　該部分由 U1 組成，即 HLK-PM01 交直流轉(zhuǎn)換模塊。它為 Arduino 板提供隔離電源。C6、C7 和 L1 提供低通 Pi 濾波器以降低 U1 的輸出噪聲。

　　A-4：能量計

　　這部分的主要部件是IC1，它是HLW8032芯片。數(shù)據(jù)表顯示：“HLW8032是一款高精度電能計量IC，采用CMOS工藝制造，主要應(yīng)用于單相應(yīng)用。它可以測量線路電壓和電流，并計算有功功率、視在功率和功率因數(shù)。裝置內(nèi)部集成了兩個∑-Δ型ADC和一個高精度電能計量內(nèi)核。HLW8032可以通過UART口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用5V供電，內(nèi)置3.579M晶振，采用8Pin的SOP封裝。HLW8032具有高精度、低功耗、高可靠性、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于單相兩線制電力用戶的電能計量。”

　　C8 和 C9 是去耦電容。C10、C11、R12 和 R15 是分流電阻讀取網(wǎng)絡(luò)的一部分（參見數(shù)據(jù)表）。R16.。.R20 和 C12 也是電壓測量網(wǎng)絡(luò)的一部分（參見數(shù)據(jù)表）。IC2 和 IC3 是數(shù)字隔離器（光耦合器），用于將數(shù)字串行信號傳輸?shù)?Arduino 板。R10 和 R13 是上拉電阻。

　　A-5。Arduino納米

　　AR1 是著名的 Arduino-nano 板，IDC1 是 2*8 IDC 連接器，用于將 4*20 綠色背光字符 LCD 連接到板。R23…R26 是下拉電阻，R22 調(diào)節(jié) LCD 的對比度。C13 和 C14 是去耦電容。

　　B. PCB 布局

　　圖 2 顯示了設(shè)計的 PCB 布局。它是兩層 PCB 板，我使用了各種 SMD 和通孔組件。圖 3 顯示了 PCB 板和裝配圖的 3D 視圖。

　　圖 2-數(shù)字電能表電路的PCB布局

　　圖 3-PCB 板和裝配圖的 3D 視圖

　　C. 校準(zhǔn)

　　要校準(zhǔn)設(shè)備，您只需要一個電阻負(fù)載（例如經(jīng)典燈泡，而不是 LED 燈泡！）和一個精確的 RMS 萬用表。我使用了 Silent SDM3045X 萬用表（圖 4）。請觀看 YouTube 視頻了解更多詳情。

　　圖 4-RMS電流測量（校準(zhǔn)過程）

　　完成該步驟后，您必須更改“HLW8032.h”頭文件（Arduino 庫）中的分流電阻值。轉(zhuǎn)到第 62 行并修改“float CurrentRF”值。就我而言，最佳值是 0.0012。

　　D. 代碼

　　Arduino 代碼已插入到下面的框中。您還可以從我自己的 GitHub 存儲［4］下載 Arduino 庫。我假設(shè)您知道如何手動安裝 Arduino 庫。這很容易。

　　#include "HLW8032.h"

#include
#define SYNC_TIME 500

const int rs = 12, en = 11, d4 = 10, d5 = 9, d6 = 8, d7 = 7;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

static unsigned long start_time, end_time;
HLW8032 HL;

void setup()
{
? lcd.begin(20, 4);
? HL.begin(Serial, 4);
? start_time = millis();
}

void loop()
{

? end_time = millis();
? HL.SerialReadLoop();

? if (end_time - start_time > SYNC_TIME)
? {
? ? if (HL.SerialRead == 1)
? ? {
? ? ? lcd.setCursor(0, 0);
? ? ? lcd.print("Voltage[V]: ");
? ? ? lcd.setCursor(12, 0);
? ? ? lcd.print(HL.GetVol() * 0.001, 2);

? ? ? lcd.setCursor(0, 1);
? ? ? lcd.print("Current[A]: ");
? ? ? lcd.setCursor(12, 1);
? ? ? lcd.print(HL.GetCurrent(), 2);

? ? ? lcd.setCursor(0, 2);
? ? ? lcd.print("Power[W]: ");
? ? ? lcd.setCursor(10, 2);
? ? ? lcd.print(HL.GetActivePower() * 0.001, 2);

? ? ? lcd.setCursor(0, 3);
? ? ? lcd.print("Energy[KWh]: ");
? ? ? lcd.setCursor(13, 3);
? ? ? lcd.print(HL.GetKWh(), 2);
? ? }
? ? start_time = end_time;
? }
}

　　E. 測試

　　校準(zhǔn)后，您可以在任何您喜歡的地方使用該設(shè)備。圖 5 顯示了 LCD 屏幕上的打印信息。在您的工作場所和家中，此設(shè)備有很多用例。玩得開心！