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[参赛项目]创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计 精华

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2021-1-19 19:12:06 [显示全部楼层]
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[参赛项目] 创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计

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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。
创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计图1​
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。
创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计图2​
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。
创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计图3​
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：
创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计图4​
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：
创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计图5​
原理图、PCB如下所示：
​

创客造｜国产芯片WiFi物联网智能插座—电耗采集功能设计图6​
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：

  1. void Read_HLW8110_IA(void)

  2. {        

  3.         float a;

  4.         

  5.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_RMSIA_ADDR,3);

  6.                 delay_ms(10);

  7.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  8.         {

  9.                 U32_RMSIA_RegData = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]); 

  10.                 printf("A通道电流寄存器:%lx\n " ,U32_RMSIA_RegData);

  11.         }

  12.         else

  13.         {

  14.                 printf("A通道电流寄存器读取出错\r\n");

  15.                 B_Read_Error = 1;

  16.         }

  17.         

  18.         

  19.         //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

  20.   //计算公式,U16_AC_I = (U32_RMSIA_RegData * U16_RMSIAC_RegData)/(电流系数* 2^23）

  21.         if ((U32_RMSIA_RegData & 0x800000) == 0x800000)

  22.          {

  23.                         F_AC_I = 0;

  24.          }

  25.          else

  26.          {

  27.                 a = (float)U32_RMSIA_RegData;

  28.                 a = a * U16_RMSIAC_RegData;

  29.                 a  = a/0x800000;                     //电流计算出来的浮点数单位是mA,比如5003.12 

  30.                 a = a/1;                                                                  // 1 = 电流系数

  31.                 a = a/1000;              //a= 5003ma,a/1000 = 5.003A,单位转换成A

  32.                 a = a * D_CAL_A_I;                                //D_CAL_A_I是校正系数，默认是1

  33.                 F_AC_I = a;

  34.          }

  35. }
复制代码

读取通道电压，实现代码如下所示：

  1. void Read_HLW8110_U(void)

  2. {

  3.         float a;

  4.         

  5.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_RMSU_ADDR,3);

  6.                 delay_ms(10);

  7.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  8.         {

  9.                 U32_RMSU_RegData = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]);

  10.                 printf("电压通道寄存器:%lx\n " ,U32_RMSU_RegData);

  11.         }

  12.         else

  13.         {

  14.                 printf("电压通道寄存器读取出错\r\n");

  15.                 B_Read_Error = 1;

  16.         }

  17.         

  18.                 //电压

  19.         //计算:U16_AC_V = (U32_RMSU_RegData * U16_RMSUC_RegData)/2^23

  20.         

  21.          if ((U32_RMSU_RegData &0x800000) == 0x800000)

  22.          {

  23.                         F_AC_V = 0;

  24.          }

  25.   else

  26.         {

  27.   a =  (float)U32_RMSU_RegData;

  28.   a = a*U16_RMSUC_RegData;  

  29.   a = a/0x400000;       

  30.   a = a/1;                                                  // 1 = 电压系数

  31.   a = a/100;                                    //计算出a = 22083.12mV,a/100表示220.8312V，电压转换成V

  32.   a = a*D_CAL_U;                                //D_CAL_U是校正系数，默认是1,                

  33.   F_AC_V = a;

  34.         }

  35. }
复制代码

读取通道功率，实现代码如下所示：

  1. void Read_HLW8110_PA(void)

  2. {

  3.         float a;

  4.         float b;

  5.         

  6.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_POWER_PA_ADDR,4);

  7.                 delay_ms(10);

  8.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  9.         {

  10.                 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]);

  11.                 printf("A通道功率寄存器:%lx\n " ,U32_POWERPA_RegData);

  12.         }

  13.         else

  14.         {

  15.                 printf("A通道功率寄存器读取出错\r\n");

  16.                 B_Read_Error = 1;

  17.         }

  18.         

  19.         

  20.          if (U32_POWERPA_RegData > 0x80000000)

  21.    {

  22.      b = ~U32_POWERPA_RegData;

  23.      a = (float)b;

  24.    }

  25.    else

  26.      a =  (float)U32_POWERPA_RegData;

  27.      

  28.    

  29.         //功率需要分正功和负功

  30.   //计算,U16_AC_P = (U32_POWERPA_RegData * U16_PowerPAC_RegData)/(2^31*电压系数*电流系数)

  31.         //单位为W,比如算出来5000.123，表示5000.123W

  32.         

  33.     a = a*U16_PowerPAC_RegData;

  34.     a = a/0x80000000;             

  35.     a = a/1;                                                                                  // 1 = 电流系数

  36.     a = a/1;                                                                                  // 1 = 电压系数

  37.     a = a * D_CAL_A_P;                                                //D_CAL_A_P是校正系数，默认是1

  38.     F_AC_P = a;                                                                        //单位为W,比如算出来5000.123，表示5000.123W

  39. }
复制代码

读取通道有功电量，实现代码如下所示：

  1. void Read_HLW8110_EA(void)

  2. {

  3.         float a;

  4.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_ENERGY_PA_ADDR,3); 

  5.         delay_ms(10);

  6.         

  7.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  8.         {

  9.                 U32_ENERGY_PA_RegData = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]);

  10.                 printf("A通道有功电量寄存器:%lx\n " ,U32_ENERGY_PA_RegData);

  11.         }

  12.         else

  13.         {

  14.                 printf("A通道有功电量寄存器读取出错\r\n");

  15.                 B_Read_Error = 1;

  16.         }

  17.         

  18.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_HFCONST_ADDR,2); 

  19.         delay_ms(10);

  20.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  21.         {

  22.                 U16_HFConst_RegData = (unsigned int)(u8_RxBuf[0]<<8) + (unsigned int)(u8_RxBuf[1]);

  23.                 printf("HFCONST常数 = :%d\n " ,U16_HFConst_RegData);

  24.         }

  25.         else

  26.         {

  27.                 printf("HFCONST常数寄存器读取出错\r\n");

  28.                 B_Read_Error = 1;

  29.         }

  30.  

  31.         //电量计算,电量 = (U32_ENERGY_PA_RegData * U16_EnergyAC_RegData * HFCONST) /(K1*K2 * 2^29 * 4096)

  32.         //HFCONST:默认值是0x1000, HFCONST/(2^29 * 4096) = 0x20000000

  33.         a =  (float)U32_ENERGY_PA_RegData;        

  34.   a = a*U16_EnergyAC_RegData;

  35.   a = a/0x20000000;             //电量单位是0.001KWH,比如算出来是2.002,表示2.002KWH    

  36.    a = a/1;                                                                                  // 1 = 电流系数

  37.    a = a/1;                                                                                  // 1 = 电压系数

  38.    a = a * D_CAL_A_E;                             //D_CAL_A_E是校正系数，默认是1

  39.   F_AC_E = a;

  40.         F_AC_BACKUP_E = F_AC_E;        

  41. }
复制代码

读取通道的线性频率，实现代码如下所示：

  1. void Read_HLW8110_LineFreq(void)

  2. {

  3.         float a;

  4.         unsigned long b;

  5.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_UFREQ_ADDR,2);

  6.         delay_ms(10);

  7.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  8.         {

  9.                 b = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]);

  10.                 printf("A通道线性频率寄存器:%ld\n " ,b);

  11.         }

  12.         else

  13.         {

  14.                 printf("A通道线性频率寄存器读取出错\r\n");

  15.                 B_Read_Error = 1;

  16.         }

  17.         a = (float)b;

  18.         a = 3579545/(8*a);    

  19.         F_AC_LINE_Freq = a;

  20. }
复制代码

读取通道功率因素，实现代码如下所示：

  1. void Read_HLW8110_PF(void)

  2. {

  3.   float a;

  4.   unsigned long b;

  5.         

  6. //测量A通道的功率因素，需要发送EA+5A命令

  7. //测量B通道的功率因素，需要发送EA+A5命令        

  8.         

  9.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_PF_ADDR,3);

  10.         delay_ms(10);

  11.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  12.         {

  13.                 b = (unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<16) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[2]);

  14.                 printf("A通道功率因素寄存器:%ld\n " ,b);

  15.         }

  16.         else

  17.         {

  18.                 printf("读取A通道功率因素寄存器出错\r\n");

  19.                 B_Read_Error = 1;

  20.         }

  21.  

  22.   if (b>0x800000)       //为负，容性负载

  23.   {

  24.       a = (float)(0xffffff-b + 1)/0x7fffff;

  25.   }

  26.   else

  27.   {

  28.       a = (float)b/0x7fffff;

  29.   }

  30.   

  31.   if (F_AC_P < 0.3) // 小于0.3W，空载或小功率，PF不准

  32.           a = 0; 

  33.  

  34. //功率因素*100，最大为100，最小负100

  35.   F_AC_PF = a;

  36. }
复制代码

读取通道相位角，实现代码如下所示：

  1. <blockquote>void Read_HLW8110_Angle(void)

  2. {

  3.         float a;        

  4.         unsigned long b;

  5.         Uart_Read_HLW8110_Reg(REG_ANGLE_ADDR,2);

  6.         delay_ms(10);

  7.         if ( u8_RxBuf[u8_RX_Length-1] == HLW8110_checkSum_Read(u8_RX_Length) )

  8.         {

  9.                 b =(unsigned long)(u8_RxBuf[0]<<8) + (unsigned long)(u8_RxBuf[1]);

  10.                 printf("A通道线相角寄存器:%ld\n " ,b);

  11.         }

  12.         else

  13.         {

  14.                 printf("A通道线相角寄存器出错\r\n");

  15.                 B_Read_Error = 1;

  16.         }

  17.         

  18.         if ( F_AC_PF < 55)        //线性频率50HZ

  19.         {

  20.                 a = b;

  21.                 a = a * 0.0805;

  22.                 F_Angle = a;

  23.         }

  24.         else

  25.         {

  26.                 //线性频率60HZ

  27.                 a = b;

  28.                 a = a * 0.0965;

  29.                 F_Angle = a;

  30.         }

  31.         

  32.         

  33.                 if (F_AC_P < 0.5)                //功率小于0.5时，说明没有负载，相角为0

  34.         {

  35.                 F_Angle = 0;

  36.         }

  37.         

  38.         if (F_Angle < 90)

  39.         {

  40.                 a = F_Angle;

  41.                 printf("电流超前电压:%f\n " ,a);

  42.         }

  43.         else if (F_Angle < 180)

  44.         {

  45.                 a = 180-F_Angle;

  46.                 printf("电流滞后电压:%f\n " ,a);        

  47.         }

  48.         else if (F_Angle < 360)

  49.         {

  50.                 a = 360 - F_Angle;

  51.                 printf("电流滞后电压:%f\n " ,a);        

  52.         }

  53.         else

  54.         {

  55.                         a = F_Angle -360;

  56.                         printf("电流超前电压:%f\n " ,a);        

  57.         }

  58. }
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