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国产芯片 WiFi 物联网智能插座—电耗采集功能设计
发布于: 2021 年 03 月 01 日
WiFi 物联网智能插座的电耗采集依托于合力为的 HLW8110 计量芯片实现，选取它的主要原因是精度不错，价格美丽，并且可以通过串口驱动，使用便捷。
1、硬件设计
HLW8110 是一款高精度的电能计量 IC,它采用 CMOS 制造工艺，主要用于单相计量应用。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。该器件内部集成了二个∑-Δ型 ADC 和一个高精度的电能计量内核。输入通道支持灵活的 PGA 设置，因此 HLW8110 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。
HLW8110 电能计量 IC 采用 3.3V 或 5.0V 电源供电，内置 3.579M 振荡器，可以通过 UART 口进行数据通讯，波特率为 9600bps。
HLW8110 的典型电路，外围电路简单，外围器件非常少，单路通道可用于检测负载设备的功率、电压、电流和用电量，通过 UART 或接口传输数据至 MCU，HLW8110 内部可以设置功率过载、电压过载和电流过载阀值，通过内部寄存器可以查询，并可以检测电压过零点。
官方测试，使用采样电阻或者互感器的理论数据误差如下所示：
在使用之前先简单设计一块 Demo 板进行调测，实物模块如下所示：
原理图、PCB 如下所示：
2、软件设计
由于代码量较多，部分配置代码不再赘述，仅仅展示核心算法代码。
读取通道电流，实现代码如下所示：
void Read_HLW8110_IA(void){ float a; Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_RMSIA_ADDR,3); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { U32_RMSIA_RegData = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]); printf("A通道电流寄存器:%lx\n " ,U32_RMSIA_RegData); } else { printf("A通道电流寄存器读取出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } //A通道电流PGA = 16,电压通道PGA = 1;电流采样电阻1mR,电压采样电阻1M //计算公式,U16_AC_I = (U32_RMSIA_RegData * U16_RMSIAC_RegData)/(电流系数* 2^23） if ((U32_RMSIA_RegData & 0x800000) == 0x800000) { F_AC_I = 0; } else { a = (float)U32_RMSIA_RegData; a = a * U16_RMSIAC_RegData; a = a/0x800000; //电流计算出来的浮点数单位是mA,比如5003.12 a = a/1; // 1 = 电流系数 a = a/1000; //a= 5003ma,a/1000 = 5.003A,单位转换成A a = a * D_CAL_A_I; //D_CAL_A_I是校正系数，默认是1 F_AC_I = a; }}复制代码
读取通道电压，实现代码如下所示：
void Read_HLW8110_U(void){ float a; Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_RMSU_ADDR,3); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { U32_RMSU_RegData = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]); printf("电压通道寄存器:%lx\n " ,U32_RMSU_RegData); } else { printf("电压通道寄存器读取出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } //电压 //计算:U16_AC_V = (U32_RMSU_RegData * U16_RMSUC_RegData)/2^23 if ((U32_RMSU_RegData &0x800000) == 0x800000) { F_AC_V = 0; } else { a = (float)U32_RMSU_RegData; a = a*U16_RMSUC_RegData; a = a/0x400000; a = a/1; // 1 = 电压系数 a = a/100; //计算出a = 22083.12mV,a/100表示220.8312V，电压转换成V a = a*D_CAL_U; //D_CAL_U是校正系数，默认是1, F_AC_V = a; }}复制代码
读取通道功率，实现代码如下所示：
void Read_HLW8110_PA(void){ float a; float b; Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_POWER_PA_ADDR,4); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { U32_POWERPA_RegData = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<24) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[3]); printf("A通道功率寄存器:%lx\n " ,U32_POWERPA_RegData); } else { printf("A通道功率寄存器读取出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } if (U32_POWERPA_RegData > 0x80000000) { b = ~U32_POWERPA_RegData; a = (float)b; } else a = (float)U32_POWERPA_RegData; //功率需要分正功和负功 //计算,U16_AC_P = (U32_POWERPA_RegData * U16_PowerPAC_RegData)/(2^31*电压系数*电流系数) //单位为W,比如算出来5000.123，表示5000.123W a = a*U16_PowerPAC_RegData; a = a/0x80000000; a = a/1; // 1 = 电流系数 a = a/1; // 1 = 电压系数 a = a * D_CAL_A_P; //D_CAL_A_P是校正系数，默认是1 F_AC_P = a; //单位为W,比如算出来5000.123，表示5000.123W}复制代码
读取通道有功电量，实现代码如下所示：
void Read_HLW8110_EA(void){ float a; Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_ENERGY_PA_ADDR,3); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { U32_ENERGY_PA_RegData = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]); printf("A通道有功电量寄存器:%lx\n " ,U32_ENERGY_PA_RegData); } else { printf("A通道有功电量寄存器读取出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_HFCONST_ADDR,2); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { U16_HFConst_RegData = (unsigned int)(u8_RxBuf[0]<<8) + (unsigned int)(u8_RxBuf[1]); printf("HFCONST常数 = :%d\n " ,U16_HFConst_RegData); } else { printf("HFCONST常数寄存器读取出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } //电量计算,电量 = (U32_ENERGY_PA_RegData * U16_EnergyAC_RegData * HFCONST) /(K1*K2 * 2^29 * 4096) //HFCONST:默认值是0x1000, HFCONST/(2^29 * 4096) = 0x20000000 a = (float)U32_ENERGY_PA_RegData; a = a*U16_EnergyAC_RegData; a = a/0x20000000; //电量单位是0.001KWH,比如算出来是2.002,表示2.002KWH a = a/1; // 1 = 电流系数 a = a/1; // 1 = 电压系数 a = a * D_CAL_A_E; //D_CAL_A_E是校正系数，默认是1 F_AC_E = a; F_AC_BACKUP_E = F_AC_E; }复制代码
读取通道的线性频率，实现代码如下所示：
void Read_HLW8110_LineFreq(void){ float a; unsigned long b; Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_UFREQ_ADDR,2); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { b = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]); printf("A通道线性频率寄存器:%ld\n " ,b); } else { printf("A通道线性频率寄存器读取出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } a = (float)b; a = 3579545/(8*a); F_AC_LINE_Freq = a;}复制代码
读取通道功率因素，实现代码如下所示：
void Read_HLW8110_PF(void){ float a; unsigned long b; //测量A通道的功率因素，需要发送EA+5A命令//测量B通道的功率因素，需要发送EA+A5命令 Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_PF_ADDR,3); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { b = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]); printf("A通道功率因素寄存器:%ld\n " ,b); } else { printf("读取A通道功率因素寄存器出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } if (b>0x800000) //为负，容性负载 { a = (float)(0xffffff-b + 1)/0x7fffff; } else { a = (float)b/0x7fffff; } if (F_AC_P < 0.3) // 小于0.3W，空载或小功率，PF不准 a = 0; //功率因素*100，最大为100，最小负100 F_AC_PF = a;}复制代码
读取通道相位角，实现代码如下所示：
void Read_HLW8110_Angle(void){ float a; unsigned long b; Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_ANGLE_ADDR,2); delay_ms(10); if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) ) { b =(unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]); printf("A通道线相角寄存器:%ld\n " ,b); } else { printf("A通道线相角寄存器出错\r\n"); B_Read_Error = 1; } if ( F_AC_PF < 55) //线性频率50HZ { a = b; a = a * 0.0805; F_Angle = a; } else { //线性频率60HZ a = b; a = a * 0.0965; F_Angle = a; } if (F_AC_P < 0.5) //功率小于0.5时，说明没有负载，相角为0 { F_Angle = 0; } if (F_Angle < 90) { a = F_Angle; printf("电流超前电压:%f\n " ,a); } else if (F_Angle < 180) { a = 180-F_Angle; printf("电流滞后电压:%f\n " ,a); } else if (F_Angle < 360) { a = 360 - F_Angle; printf("电流滞后电压:%f\n " ,a); } else { a = F_Angle -360; printf("电流超前电压:%f\n " ,a); }}复制代码
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版权声明: 本文为 InfoQ 作者【不脱发的程序猿】的原创文章。
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