基于HLW8032的單相電參數(shù)測量裝置

陳鵬輝，張小波，朱子晗

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州貴陽，550025）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的大力推進(jìn)，風(fēng)光發(fā)電等新能源發(fā)電形式大量投入建設(shè)并使用，自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的家庭越來越多[1-3]。美國斯坦福大學(xué)Mark Z Jacobson研究團(tuán)隊(duì)在《Joule》上發(fā)布了一份最新的可再生能源圖譜，報(bào)告稱到2050年，太陽能、風(fēng)能、水力發(fā)電和地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗梢?00%滿足139個(gè)國家的用電需求。對于零碳用電家庭，這種發(fā)電形式存在電參數(shù)的波動(dòng)等問題，對電能質(zhì)量造成嚴(yán)重不利影響。因此，單相電參數(shù)測量在繼電保護(hù)、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)測量中具有重要意義。單相電參數(shù)的測量裝置經(jīng)歷了模擬化、數(shù)字化、智能化三代的發(fā)展過程[4]。在智能化的測量裝置中大多采用DSP為主控芯片，但其復(fù)雜計(jì)算和高額成本導(dǎo)致推廣難度的增加。

本文基于STM32單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案，采用HLW8032功率計(jì)量芯片對監(jiān)測的電流電壓信號進(jìn)行測量、轉(zhuǎn)換、寄存，將相關(guān)電參數(shù)傳遞給STM32，再利用OLED顯示屏和藍(lán)牙通信加小程序的兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，小程序還具備歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢的功能。本測量裝置能夠獲取電壓、電流、有功功率、視在功率、無功功率、電能用量、功率因數(shù)等電參數(shù)，具備使用簡單、成本較低、小程序?qū)崟r(shí)查看、數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)與查詢等優(yōu)點(diǎn)。

1 裝置總體設(shè)計(jì)與原理

圖1為本裝置的設(shè)計(jì)框架，主要由供電電源模塊、采樣測量模塊、計(jì)量模塊、主控模塊、通信模塊和微信小程序構(gòu)成，裝置總體原理圖如圖2所示。采用具備降壓、穩(wěn)壓、隔離的AC-DC電源模塊，將市電的220V交流電轉(zhuǎn)為裝置電源所需的5V直流電。采用4個(gè)470k電阻和1k電阻的電阻分壓測量方式，電阻精度選用0.1%精度，同時(shí)采用1mR/2W的錳銅電阻進(jìn)行電流采樣，將單相電流電壓的模擬量傳輸至HLW8032芯片，其原理電路詳見如圖2中的采樣電路。

圖 1 裝置總體設(shè)計(jì)框架

圖2 裝置總體電路原理圖

HLW8032芯片利用自身的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過光電耦合電路隔離后與主控芯片進(jìn)行USART通信。主控MCU采用具有高效通信、高速計(jì)算的STM32F103ZET6，進(jìn)而通過公式1~公式5計(jì)算出電流有效值、電壓有效值、有功功率值和電能用量等電參數(shù)的數(shù)值大小。

STM32外接采用 I2C通信的OLED液晶屏和HC-08藍(lán)牙通信模塊。液晶屏實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)和電能用量的數(shù)值大小。藍(lán)牙模塊與配套開發(fā)的微信小程序建立通信鏈接后，手機(jī)終端界面亦可同步查看測量數(shù)據(jù)，此時(shí)，平臺(tái)將數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)。用戶可在微信小程序上查看測量的歷史數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)庫進(jìn)行用電數(shù)據(jù)分析、用電量查詢、用電信息跟蹤等利用和開發(fā)，滿足使用者的多樣性需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路采用采樣電阻的采樣電路設(shè)計(jì)，其原理圖詳見圖2中的采樣電路部分。電流采樣依靠精度為1%的1mR/2W錳銅電阻，將火線與零線之間的電壓值轉(zhuǎn)換為電流模擬量。電壓采用采用精度均為1%的4個(gè)470k電阻和1k電阻，利用電阻分壓的原理，將電流值轉(zhuǎn)化為電壓模擬量。該設(shè)計(jì)方案的電流系數(shù)和電壓系數(shù)分別如公式6和公式7所示。

由于電阻的精度均在1%且HLW8032的精度也在1%，測量方案整體精度誤差不高于2%。測量方案具有免校驗(yàn)的優(yōu)勢，電路設(shè)計(jì)精簡且程序算法更加高效。

2.2 HLW8032周圍電路設(shè)計(jì)

在HLW8032的電源端，應(yīng)并聯(lián)兩個(gè)用于濾除來自電網(wǎng)高頻及低頻噪聲的小電容。HLW8032接收來自錳銅電阻采樣后的電流信號和來自電阻網(wǎng)絡(luò)的電壓信號。

HLW8032具有通信串口，可采用異步串行通信方式，允許用兩個(gè)單向引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。選用STM32F103ZET6單片機(jī)的串口與前者搭建有線的通信電路。

2.3 藍(lán)牙通信電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙技術(shù)能夠在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高度可靠的通信和出色的距離，因此，我們選擇了藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本小組采用STM32F103ZET6單片機(jī)內(nèi)部的串行口與藍(lán)牙模塊搭建數(shù)據(jù)通道。它將已被主控MCU處理過的電參數(shù)的數(shù)字量傳輸至移動(dòng)設(shè)備的小程序平臺(tái)，小程序再將數(shù)據(jù)調(diào)到前端可視化，并同時(shí)將相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到小程序的云數(shù)據(jù)庫，使電參數(shù)的測量數(shù)值可以直觀地被用戶獲取，也方便后期的歷史數(shù)據(jù)調(diào)用與分析。當(dāng)測量裝置未與微信小程序建立藍(lán)牙通信前，藍(lán)牙指示燈閃爍。藍(lán)牙連接之后，藍(lán)牙指示燈長亮。

采用的HC-08藍(lán)牙串口通信基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳設(shè)計(jì)。藍(lán)牙最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度為-93dBm。HC-08藍(lán)牙電路設(shè)計(jì)可用于代替全雙工通信時(shí)的物理連線。MCU向模塊發(fā)送串口數(shù)據(jù)，模塊的RXD端口收到串口數(shù)據(jù)后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)以無線電波的方式發(fā)送到空中，支持Android操作系統(tǒng)設(shè)備接受信號，進(jìn)而獲取數(shù)據(jù)包，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的透傳，沒有繁瑣的物理線路使數(shù)據(jù)的傳輸與接收更加方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32F103ZET6數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6在接收來自HLW8032的數(shù)據(jù)信號之后，將數(shù)字量從寄存器中進(jìn)行讀取，根據(jù)電流、電壓等電參數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行程序計(jì)算，數(shù)據(jù)根據(jù)ASCII碼和數(shù)組的形式分別被傳輸至OLED液晶屏和藍(lán)牙通信芯片。STM32F103ZET6中的程序流程圖如圖3所示。

圖 3 系統(tǒng)程序流圖

主控MCU在接收到第一次數(shù)據(jù)后開始執(zhí)行計(jì)算程序，當(dāng)計(jì)算數(shù)據(jù)被傳輸至液晶屏和藍(lán)牙芯片后進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)處理。由于STM32的高速計(jì)算和高速通信，數(shù)據(jù)的可視化可進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3.2 微信小程序的數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)

對采集端數(shù)據(jù)的接收和可視化的方式相對復(fù)雜而且多樣化，傳統(tǒng)的方式多用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管或者LCD模塊，新型方式多用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[5]提出了數(shù)據(jù)的無線傳輸，用LCD模塊實(shí)現(xiàn)可視化，此方法雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)透傳，但是對接收數(shù)據(jù)的處理有極大的局限性。文獻(xiàn)[6]用Visual Studio 2017編程生成可人機(jī)交互的界面，并實(shí)時(shí)監(jiān)控所需數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)保存至計(jì)算機(jī)，該方法能夠比較靈活地對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化及存儲(chǔ)操作，但是這必須保證計(jì)算機(jī)有Visual Studio 2017編程軟件，從而降低了適用性和便捷性。文獻(xiàn)[7]提出用藍(lán)牙模塊和便攜設(shè)備實(shí)現(xiàn)單相電參數(shù)的顯示，此方法雖然可靠性高、經(jīng)濟(jì)，但是需要一個(gè)專用的便攜設(shè)備，從而局限了其適用性。

近幾年，微信的發(fā)展越發(fā)的迅速，其中微信小程序也給傳統(tǒng)APP帶去了巨大的威脅，對于實(shí)現(xiàn)一些不是很復(fù)雜的功能，微信小程序避免了相對復(fù)雜的下載和安裝環(huán)節(jié)，只需要簡單的搜索打開即可，既不占用較大的手機(jī)內(nèi)存，而且使用也很方便，因此，微信小程序的發(fā)展也將是未來軟件發(fā)展的一個(gè)主要方向。

本文使用微信小程序調(diào)用藍(lán)牙相關(guān)的小程序API，接收藍(lán)牙模塊相關(guān)的事件回調(diào)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，并能自動(dòng)將接收的數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫生成歷史數(shù)據(jù)。本技術(shù)可直接使用手機(jī)微信小程序連接設(shè)備遠(yuǎn)程讀取和儲(chǔ)存測量數(shù)據(jù)，具有可靠性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性的特點(diǎn)。圖7為微信小程序數(shù)據(jù)可視化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架。

圖 4 微信小程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架

4 裝置測試校驗(yàn)

將該裝置連接在吹風(fēng)機(jī)、燒水壺和筆記本電腦上進(jìn)行測試，并將微信小程序的顯示結(jié)果與UT802臺(tái)式萬用表、VC470功率計(jì)量儀的測量結(jié)果進(jìn)行誤差比較。

實(shí)驗(yàn)過程中OLED液晶屏顯示數(shù)據(jù)與微信小程序?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)相對應(yīng)，說明了小程序的實(shí)時(shí)性與可靠性都很高，滿足低電壓的單相測量要求。將測量數(shù)據(jù)與相應(yīng)用電器的額定功率比較可知，本裝置的測量數(shù)據(jù)均在合理范圍以內(nèi)，并將兩者顯示的測量數(shù)據(jù)與測量儀器（萬用表）的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，由表1可得誤差較小，測量結(jié)果精確，整體誤差不超過2%。

表1 測量數(shù)據(jù)與誤差分析

5 展望

本產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計(jì)符合了當(dāng)今“智能電器”的發(fā)展，本技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低電壓（家用單相電壓）的電參數(shù)采集，其測量結(jié)果可以為各種控制或者軟件提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)，從而便于接下來的再開發(fā)，再利用。該技術(shù)既可以為個(gè)體用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)用電和安全用電，為打造“節(jié)能減排家庭”、“節(jié)能減排社區(qū)”提供技術(shù)支持；也可以利用在重要電器的監(jiān)測或電能控制，其數(shù)據(jù)庫更能作為企業(yè)優(yōu)化電器的依據(jù)，以便達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。結(jié)合大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析技術(shù)，本產(chǎn)品可以可靠地為居民區(qū)和商業(yè)區(qū)的用電量作出短期負(fù)荷預(yù)測。

如果將該技術(shù)電壓等級提升到高電壓之后，便可以利用在很多重要的環(huán)境之中，起到實(shí)時(shí)監(jiān)測和警告的效果。電壓高的地方不能由人工測量其電參數(shù)，該技術(shù)便能很好地實(shí)現(xiàn)線路中的在線監(jiān)測，如果將該技術(shù)運(yùn)用于電網(wǎng)之中，將會(huì)對每個(gè)結(jié)點(diǎn)的電參量進(jìn)行檢測，為實(shí)時(shí)優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行故障提供幫助。基于該技術(shù)設(shè)計(jì)的電參數(shù)測量裝置具有成本低、方便攜帶安裝的特點(diǎn)，因此在獨(dú)立的交流系統(tǒng)以及負(fù)荷波動(dòng)較大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電網(wǎng)中也可穩(wěn)定發(fā)揮監(jiān)測功能。

近年來，大數(shù)據(jù)在電商、通信行業(yè)、金融行業(yè)積累了大量的數(shù)據(jù)，取得了長足的發(fā)展，制造業(yè)由于在數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)廣度上還不夠，發(fā)展較緩，本技術(shù)可以為與電力系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充數(shù)據(jù)。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的提出，近年來新能源汽車等大功率直流負(fù)荷以及新能源分布式電源等直流電源加速接入電網(wǎng)，增加了電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的難度和電壓控制的難度。所以，各個(gè)電氣接口的數(shù)據(jù)監(jiān)測較以往都更加重要，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用將可能為我國發(fā)展新型電網(wǎng)有著十分重要的意義。因此，本技術(shù)在市場上的發(fā)展具有很大的前景，將該技術(shù)加以拓展便能夠達(dá)到理想的效果。

6 結(jié)束語

測量裝置基于HLW8023功率計(jì)量芯片，以STM32控制器為核心，采用液晶顯示屏和藍(lán)牙通信的微信小程序進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在微信小程序上還可將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查閱，便于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與挖掘。通過深入合理的硬件和軟件設(shè)計(jì)，在節(jié)約成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了精確測量單相電壓、電流、功率、用電量及功率因數(shù)的功能，并且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通信，使電參數(shù)的收集更加智能化、便利化。