基于STM32与HLW8012的单相智能电表的设计

安阳工学院电子信息与电气工程学院 张庭亮

安阳师范学院软件学院 甄倩倩

安阳工学院电子信息与电气工程学院 杨满意

基于STM32与HLW8012的单相智能电表的设计

安阳工学院电子信息与电气工程学院 张庭亮

安阳师范学院软件学院 甄倩倩

安阳工学院电子信息与电气工程学院 杨满意

单相智能电表是一种电能计量工具，随着物联网的快速发展，智能单相计量电表逐渐走进人们的生活。针对电力系统使用机械式单相计量电表出现的功耗大、精度低与抄表人工成本问题，系统以STM32为主控，HLW8012为单相计量芯片，实现电压、电流、功率实时显示及电量计量，无线抄表等功能。系统电量计量精度为0．3%，功耗低，易于观察，可实现无线抄表功能。

单相计量；无线抄表；电量显示

智能电网是以特高压电网为骨干网，以各级电网协调发展为基础，以信息平台为支撑，具有信息化、自动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”一体化融合的现代电网[1]。在智能电网的发展趋势中，电表的智能化是重要的一个环节。国内电表处于新旧更替阶段，家庭对智能电表的需求量逐渐增加。我国很多地方使用的机械式计量电表，功耗大，计量精度低，抄表困难，误差较大。国内能够实现无线远程控制抄表要求的AMI系统[2-3]，价格及性能属于中高端，成本高。随着NB-loT技术的飞速发展，智能家电及设备逐渐走进千家万户，远程无线控制给人们带来便捷的同时，安全监控成了重中之重[4-6]，多功能智能电表可以实时监测家庭用电情况，能起到节能减排的作用。

合力为公司HLW8012单相多功能计量芯片提供高频脉冲CF用于电能计量和高频CF1用于指示电流有效值或者电压有效值[7]，内置了晶振和参考电源，不需设计复杂的电路和软件，具有外围电路简单、价格便宜的优点[8]。

1 电表总体设计

1.1 计量原理

HLW8012计量芯片内部的资源有两个PGA模块和两路ADC转换模块，锰铜采样电阻采集电压、电流后通过ADC模块转换得到数字信号，计算参数以占空比为1:1的方式输出[7]。芯片内部结构如图1所示。

图1 计量芯片内部结构

有功功率计算：

有效电流计算：

有效电压计算：

式中：U1是电流通道引脚的电压，U2是电压通道引脚的电压，F0是内置晶振，典型频率约为3.579MHz。U0是内置基准电压源，典型电压为2.43V[7]。

1.2 系统总体设计

系统由STM32f103主控模块、HLW8012计量模块、液晶显示模块、ESP8266无线模块、按键控制模块及电源模块组成，如图2所示。系统按键选择计量校准，液晶实时显示电压、电流、功率及电量数据。计量芯片使能端控制电压，电流测量切换。功率通过电压与电流的乘积得到，测量的数据通过ESP8266无线模块传输到手机终端，实现无线抄表功能。

图2 系统的总体设计

2 系统硬件设计

计量电路是系统的核心部分，决定信号的准确性，合理的布局及电路设计能提高采集精度及系统的稳定性，篇幅所限，仅就具有创新应用的硬件部分进行介绍。

2.1 计量电路的设计

HLW8012芯片可实现功率、电量、电压和电流的采集功能。采集电路通过2毫欧锰铜电阻采样电流，电压信号小于30.9毫伏，通过5个470千欧姆的电阻采样电压，电压信号小于459毫伏，通过光耦隔离与单片机进行数据交换[7]。模块的引脚6以输出占空比为1:1的高频脉冲方式将采集电量送到光耦的输入端，引脚7将电压，电流信号送到光耦的输入端，引脚8控制引脚7发送电压或电流信号，电路设计如图3所示。

锰铜电阻电流采样，精度为1%的贴片电阻对电压进行采样，导致精度较低，需用标准的用电设备对计量电路进行校准[9]，

2.2 无线通信电路设计

设计采用ESP8266 WiFi模块，可以使用串口与单片机连接，具有不同工作模式，支持透明传输。选择透明模式后，用户操作方式和蓝牙的方式一样[10-11]，用WiFi接收端连接网络，输入密码可成功进行数据交换。无线通信电路设计如图4所示。

图3 计量电路设计

图4 无线通信电路设计

图5 系统软件设计

3 系统软件设计

系统通过锰铜采样电路将电压，电流信号转换后，由HLW 8012计量芯片转换为0-3.3V的脉冲信号。STM32将脉冲信号解码识别为电压、电流及电量数据，计算功率后液晶模块实时显示，由WiFi模块ESP8266发送给接收端。接收端只需寻找到该WiFi，输入密码即可连接成功，按键是校准触发源，当按键按下，智能电表进行精度校准。系统的软件总体设计如图5所示。

4 系统测试

电源接通后，系统进入工作模式，主控及外设完成初始化，液晶初始界面显示如图6(a)所示。按键进入校准模式，如图6(b)所示。计量模式显示电压，电流，功率与电量，如图6(c)所示。无线传输接收界面如图6(d)所示。系统整体实物如图7所示。

图6 界面显示

图7 系统实物图

5 结论

系统基于STM32与HLW8012，使用Altium Designer与KEIL软件开发平台完成软硬件设计，锰铜采样电路和HLW8012芯片相结合，积分电路计算数据信息发送到STM32，液晶模块将采集的数据进行显示，WiFi模块将数据发送到接收端，实现无线抄表功能。相对于机械式电表具有精度高、功耗低和无线抄表等优点，HLW8012的应用具有创新之处，进一步将研究集成系统，测试系统稳定性。

[1]陶军,吕新伟．一种基于SoC的三相智能电表设计[J]．江苏电机工程,2013,32(04)：38-40+44．

[2]屈召贵,刘强,鲁顺昌．基于AMI的智能电表设计[J]．微型机与应用,2016,35(04)：30-33．

[3]高雄,史哲,彭勇刚,韦巍．智能双向计量与监控终端设计[J]．机电工程,2016,33(03)：326-330+382．

[4]唐旸,杨冠鲁,罗钧铃．基于AMI并采用DSP和ZigBee的智能电表的设计[J]．电子测试,2012(05)：65-69+79．

[5]詹道平,苏浩波,唐顺,周启华．智能电网中基于安全的无线AMI系统研究及设计[J]．通讯世界,2016(11)：36-37．

[6]屈召贵．单相双支路计量智能电表的设计[J]．西南师范大学学报(自然科学版),2016,41(10)：111-116．

[7]合力为科技．HLW用户手册[EB/OL]．[2015-11-11]．http：//www．hiliwi．com．

[8]徐钰琨．基于STC和HLW8012的电视节能插座设计[J]．电子世界,2016(20)：90-92．

[9]杜欣慧,王茜．基于计量芯片ADE7758的三相多功能电表设计[J]．电气技术,2012(02)：42-44+48．

[10]曹振民,陈年生,马强,武凌,武婧．基于ESP8266的无线控制电路设计[J]．工业控制计算机,2017,30(01)：68-69．

[11]朱浩翔,郭为民,杨宁．基于ESP8266的充电桩数据采集器设计[J]．微型机与应用,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

张庭亮（1989—），男，山西临汾人，硕士，助教，研究方向：模式识别与智能控制。