H L W 8032计量芯片的双路电能测量与控制*王大珅1,贾敏瑞2(1.天津医科大学生物医学工程与技术学院,天津300070;2.天津工业大学信息化中心)*基金项目:天津市教委社会科学重大项目(2017J W Z D 28)㊂摘要:针对现今高校集体宿舍的用电特点,研究了基于H L W 8032计量芯片的双路电能测量与控制系统,对集体宿舍中空调和其他负载分别进行电能监测和管理㊂本系统具有测量精度高㊁通信电路简单㊁稳定性强等优点,可以实现现代化用电管理,保障集体宿舍用电安全㊂关键词:H L W 8032;电能采集;双路测量中图分类号:T P 31 文献标识码:AR e s e a r c h o n D o u b l e -c h a n n e l E l e c t r i c E n e r g y Me a s u r e m e n t a n d C o n t r o l B a s e d o n H L W 8032W a n g Da s h e n 1,J i a M i n r u i 2(1.B i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ,T i a n j i n M e d i c a l U n i v e r s i t y C o l l e g e ,T i a n ji n 300070,C h i n a ;2.I n f o r m a t i o n C e n t e r ,T i a n j i n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y)A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t h e c u r r e n t e l e c t r i c i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o l l e g e d o r m i t o r i e s ,a d o u b l e c h a n n e l e l e c t r i c e n e r g y me a s u r e m e n t a n d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e H L W 8032i s d e s i g n e d .T h e s y s t e m c a n m o n i t o r a n d m a n a g e t h e e l e c t r i c e n e r g y of t h e a i r c o n d i t i o n e r a n d o t h -e r l o a d s i n t h e d o r m i t o r y .T h e s y s t e m h a s t h e a d v a n t ag e s o fhi g h m e a s u r e m e n t a c c u r a c y ,s i m p l e c o mm u n i c a t i o n c i r c u i t ,a n d s t r o n g s t a b i l -i t y .I t c a n r e a l i z e m o d e r n p o w e r m a n a g e m e n t a n d e n s u r e t h e s a f e t y of p o w e r u s e i n d o r m i t o r i e s .K e yw o r d s :H L W 8032;e l e c t r i c e n e r g y a c q u i s i t i o n ;d o u b l e -c h a n n e l m e a s u r e m e n t 0 引 言随着社会发展和生活水平的提高,高校住宿条件不断改善,许多高校为学生在宿舍内安装了空调,高校集体宿舍的用电需求大幅增加㊂在集体宿舍用电管理中,保障用电安全是重中之重,现代化的管理方式可以有效提高用电管理的工作效率㊂学生在宿舍中使用电热壶㊁电吹风㊁电磁炉等宿舍违禁电器容易引发火灾,危害学生的人身安全,所以在高校统一配备的大功率电器(如空调等)正常运转的情况下保障用电的安全成为用电管理的重点和难点㊂基于H L W 8032功率计量芯片的双路电能测量系统针对现代高校宿舍的用电特点,实现了集体宿舍智能化用电管理,保障了学生的用电安全㊂1 总体设计结合现在高校集体宿舍的用电特点,本系统以实现双路信号独立采集和控制为目的,将每间宿舍内的空调和其他负载设计为独立线路分别进行电能管理和监测㊂总体图1 总体框架设计图设计框架如图1所示㊂电能测量和控制系统由主控制模块㊁电能计量模块㊁智能断电模块㊁屏幕显示模块等组成,并可根据实际需要扩展其他功能模块,以实现整个公寓中各宿舍的电量信息采集㊁自动识别违禁电器并断电保护以及特定时间段功率控制等用电安全管理功能㊂系统显示屏幕显示各路负载的功率㊁电压㊁电流㊁使用电能总量,方便查看宿舍内各路负载电能使用情况,有助于用电管理和用户查询㊂2 硬件设计系统使用电能计量芯片H L W 8032进行电能采集,H L W 8032芯片通过内部集成的模/数转换器将电流值和电压值模拟量转换为数字量输出,通过光电耦合电路隔离后与M C U 进行通信㊂M C U 通过公式计算出电压有效值㊁电流有效值和有功功率值的大小㊂主控制模块选用宏晶科技有限公司生产的T C 8A 8K 64S 4A 12,该单片机无需外部晶振和外部复位,拥有12位15通道高速A D C ,内部有22个中断源,4级中断优先级,具有存储单元㊁时钟电路㊁硬件复位电路㊁数/模转换电路等硬件资源,其电路结构简单㊁易开发㊁生产成本低㊂该芯片提供4路U A R T 串行接口,可获得串行通信接口,与显示屏进行通信㊂T C 8A 8K 64S 4A 12对采集的电能数据进行处理,G P I O 口输出不同的电平控制继电器的吸合来控制电路切与闭合,判断控制各路负载的电路通断㊂显示屏幕通过R S 232串口与主控制模块T C 8A 8K 64S 4A 12通信,读取电能表数据并显示㊂基于H L W 8032的双路电能测量与控制系统连接图如图2所示㊂图2 系统连接图2.1 电能计量模块系统电能计量模块使用高精度的电能计量芯片H L W 8032,该芯片精度可达2%,具有免校准功能,能够测量线电压和电流,采集负载电路参数,并计算有功功率㊂该芯片内部集成了两个模/数转换器和一个高精度的电能计量内核,提供一个U A R T 接口,采用异步串行通信方式,用两个单向引脚进行数据通信㊂电流信号通过锰铜电阻采样后接入到H L W 8032,电压信号通过电阻网络后输入到H L W 8032㊂H L W 8032芯片I P 和I N 引脚与采样电阻相连,将获取的电流信号通过芯片内部的A D C 转换为M C U 可读取的电流值㊂P F ㊁T X引脚直接与M C U 相连,M C U 读取采集到的设备信息,通过公式计算出电压有效值㊁电流有效值和有功功率值的大小㊂电能计量模块原理图如图3所示㊂图3 电能计量模块原理图2.2 智能断电模块为了保障用电安全,学校往往规定电热壶㊁电吹风㊁电饭锅等电器为宿舍禁用电器㊂对于使用空调的宿舍,需要将空调电路负载和其他电器负载进行区分识别恶性负载㊂这些电器类似于纯抗阻负载,可用功率因数法进行识别㊂当纯抗阻负载工作时,功率因数约等于1[2]㊂对于类似纯抗阻负载,根据功率因数可对危险电器进行判别㊂空调等大功率电器电路可以通过设置电路的最大功率㊁最大电流来进行恶性负载检测㊂当功率㊁电流超过设置值时,对电路进行断电处理㊂当发现违规用电现象后,应立即进行断电处理进行保护㊂继电器是具有隔离功能的自动开关元件,依据M C U 的G P I O 口输出电平控制继电器的吸合来图4 继电器控制电路图控制电路㊂继电器控制电路如图4所示,M C U 输出低电平时,三极管Q 1导通,继电器R L 1触点吸合;M C U 输出为高电平时,三极管Q 1断开,继电器R L 1断电断开,实现对电路的控制和保护㊂2.3 隔离通信模块H L W 8032提供U A R T 接口,实现与M C U 的数据通信㊂T X 引脚从H L W 8032发送数据,R X 引脚从M C U 接收数据㊂由于电能计量芯片外接220V 电源,系统使用光图5 光电耦合隔离电路图电耦合电路将HW L 8032输出进行强弱电隔离,实现隔离通信,电路原理图如图5所示㊂光耦隔离器实现信号单向传输,将M C U 与外界信号进行数字化电气隔离,可以提高系统的可靠性㊁稳定性,加强抗干扰能力[3]㊂3 软件设计3.1 系统软件设计系统开启后,各端口初始化,采集宿舍空调线路和其他负载线路的电量数据,电能采集模块将采集到的电流和电压数据传送到主控制模块,进行数据分析处理,并通过公式计算出电压㊁电流和功率值㊂根据功率因数判断是否存在安全隐患或使用违规电器㊂若功率值接近于1,继电器断开,电路断开;否则,将电量数据信息进行传送,在屏幕显示㊂系统程序设计流程图如图6所示㊂3.2 电量采集模块软件设计H L W 8032提供一个U A R T 接口,T X 引脚用于从H L W 8032发送数据,数据以低位(L S B )优先发送,R X引图6 系统程序设计流程图脚用于接收来自微控制器的数据,可与外部M C U 进行数据通信[4]㊂主控制M C U 串口R X 引脚与H L W 8032的T X 引脚相连读取采集到的信息,通过计算得到电路的电流值㊂电能计量模块连接示意图如图7所示㊂电量数据采集测量中断服务程序流程图如图8所示㊂图7电能采集模块连接示意图图8 电量数据采集测量中断服务程序流程图H L W 8032每发送一次完整数据为24字节,从寄存器1(S t a t e R E G )开始发送,到寄存器11(C h e c k S u m R E G )结束,一组数据共11个寄存器,24字节数据㊂H L W 8032的U A R T 接口以4800b ps 的固定频率工作,发送数据的间隔时间为50m s [4]㊂M C U 通过串口读取到H L W 8032的寄存器数据后,根据式(1)~式(3)可得出电压㊁电流和功率值㊂有效电压=电压参数寄存器电压寄存器ˑ电压系数ˑ1000(1)有效电流=电压参数寄存器电压寄存器ˑ电流系数ˑ0.001(2)有功功率=电压参数寄存器电压寄存器ˑ电流系数ˑ电压系数(3)地址,只有在需要时才会将函数拷贝到内存㊂因此,使用期间发现问题和不足时,只需要用新的动态库覆盖旧的动态库即可,不需要复杂的操作,方便后期的移植㊁更新和维护㊂4 测试结果使用上文提出的方法在系统内进程数量正常时进行测试,根据后台打印信息来查看应用程序所得到的温度值,结果如图4所示㊂图4 测试结果此次测试在C P U 负载50%左右的情况下,每3秒采集一次温度㊂由结果可以看出,在读数发生错误时,会将上一次读到的温度打印出来,交给应用程序,解决温度的跳变问题,使得用户的使用体验更佳㊂5 结 语此方法可以有效解决偶尔出现的温度跳变问题,在C P U 负载不超过70%的情况下可以保证98%的正确率,并且采用动态库的方式便于发现B U G 之后的修改维护问题,减少应用程序的代码冗余㊂但是仍然存在一些问题,在C P U 繁忙时,很难保证读到的基准值是正确的,有可能会导致读到的两个基准值都是错误的,从而使得后面所上报温度全部为错㊂对于此问题,打算在程序中加入自动纠错处理,在错误数超过一定情况下重新进行初始化来调整基准值,保证基准值是正确的,并且可以对程序进行部分优化,使得在读温度时减少C P U 的占用率以提高整体工作效率[3]㊂参考文献[1]王腾飞.对计算机嵌入式实时操作系统的研究及分析[J ].科技创新与应用,2020(36):6667.[2]李欣,白兴武.基于L i n u x 的嵌入式实时操作系统任务调度算法优化[J ].自动化与仪器仪表,2020(9):4851.[3]王博文.单总线通信技术在手持报警仪调校中的应用[J ].计算机与现代化,2019(8):5762.张旭伟(工程师),主要从事系统测试方面的研究㊂通信作者:张旭伟,w h y w h yk i s s s @s i n a .c o m ㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2021-01-25)4 系统连接实物图基于H L W 8032的双路电能测量与控制系统连接实物图如图9所示㊂图9 系统连接实物图5 结 语本设计针对安装空调的高校集体宿舍进行独立双路电能采集和控制,可对宿舍中的空调专线控制,或对特定时段进行功率控制,可灵活管理用电㊂选用S T C 8A 8K 64S 4A 12芯片和H L W 8032电能计量芯片,具有测量精度高㊁稳定性强和M C U 通信电路简单等特点,可以保障用电安全,智能节能用电,提高管理效率㊂参考文献[1]江苏国芯科技有限公司.S T C 8系列单片机技术参考手册[E B /O L ].[202102].h t t p ://w w w.s t c m c u .c o m.[2]赵晓阳.学生公寓防限电装置及违规负载的识别[J ].科技创新与应用,2015(8):3940.[3]陆泉森,李军,鲍鸿.光耦隔离技术在智能测控系统中的应用[J ].机械与电子,2008(2):5356.[4]合力为科技.H L W 8032用户手册,2019.王大珅(硕士研究生),主要研究方向为通信工程等㊂通信作者:王大珅,w d s @t m u .e d u .c n㊂(责任编辑:薛士然 收修改稿日期:2021-02-03)。
