基于HLW8032的單相電參數測量裝置

陳鵬輝，張小波，朱子晗

（貴州大學 電氣工程學院，貴州貴陽，550025）

0 引言

隨著“雙碳”目標的大力推進，風光發電等新能源發電形式大量投入建設并使用，自發自用、余電上網的家庭越來越多[1-3]。美國斯坦福大學Mark Z Jacobson研究團隊在《Joule》上發布了一份最新的可再生能源圖譜，報告稱到2050年，太陽能、風能、水力發電和地熱能等可再生能源，可以100%滿足139個國家的用電需求。對于零碳用電家庭，這種發電形式存在電參數的波動等問題，對電能質量造成嚴重不利影響。因此，單相電參數測量在繼電保護、安全監控、數據測量中具有重要意義。單相電參數的測量裝置經歷了模擬化、數字化、智能化三代的發展過程[4]。在智能化的測量裝置中大多采用DSP為主控芯片，但其復雜計算和高額成本導致推廣難度的增加。

本文基于STM32單片機的設計方案，采用HLW8032功率計量芯片對監測的電流電壓信號進行測量、轉換、寄存，將相關電參數傳遞給STM32，再利用OLED顯示屏和藍牙通信加小程序的兩種方式進行數據可視化，小程序還具備歷史數據存儲與查詢的功能。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、功率因數等電參數，具備使用簡單、成本較低、小程序實時查看、數據可存儲與查詢等優點。

1 裝置總體設計與原理

圖1為本裝置的設計框架，主要由供電電源模塊、采樣測量模塊、計量模塊、主控模塊、通信模塊和微信小程序構成，裝置總體原理圖如圖2所示。采用具備降壓、穩壓、隔離的AC-DC電源模塊，將市電的220V交流電轉為裝置電源所需的5V直流電。采用4個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，同時采用1mR/2W的錳銅電阻進行電流采樣，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 裝置總體設計框架

圖2 裝置總體電路原理圖

HLW8032芯片利用自身的ADC進行模數轉換，通過光電耦合電路隔離后與主控芯片進行USART通信。主控MCU采用具有高效通信、高速計算的STM32F103ZET6，進而通過公式1~公式5計算出電流有效值、電壓有效值、有功功率值和電能用量等電參數的數值大小。

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

2 硬件設計

2.1 采樣電路設計

采樣電路采用采樣電阻的采樣電路設計，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換為電流模擬量。電壓采用采用精度均為1%的4個470k電阻和1k電阻，利用電阻分壓的原理，將電流值轉化為電壓模擬量。該設計方案的電流系數和電壓系數分別如公式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的優勢，電路設計精簡且程序算法更加高效。

2.2 HLW8032周圍電路設計

在HLW8032的電源端，應并聯兩個用于濾除來自電網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絡的電壓信號。

HLW8032具有通信串口，可采用異步串行通信方式，允許用兩個單向引腳進行數據通信。選用STM32F103ZET6單片機的串口與前者搭建有線的通信電路。

2.3 藍牙通信電路設計

藍牙技術能夠在最具挑戰性的環境下實現高度可靠的通信和出色的距離，因此，我們選擇了藍牙模塊實現數據傳輸。本小組采用STM32F103ZET6單片機內部的串行口與藍牙模塊搭建數據通道。它將已被主控MCU處理過的電參數的數字量傳輸至移動設備的小程序平臺，小程序再將數據調到前端可視化，并同時將相應的實時數據儲存到小程序的云數據庫，使電參數的測量數值可以直觀地被用戶獲取，也方便后期的歷史數據調用與分析。當測量裝置未與微信小程序建立藍牙通信前，藍牙指示燈閃爍。藍牙連接之后，藍牙指示燈長亮。

采用的HC-08藍牙串口通信基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協議的數傳設計。藍牙最大發射功率為4dBm，接收靈敏度為-93dBm。HC-08藍牙電路設計可用于代替全雙工通信時的物理連線。MCU向模塊發送串口數據，模塊的RXD端口收到串口數據后，自動將數據以無線電波的方式發送到空中，支持Android操作系統設備接受信號，進而獲取數據包，從而達到數據的透傳，沒有繁瑣的物理線路使數據的傳輸與接收更加方便。

3 軟件設計

3.1 STM32F103ZET6數據處理程序設計

STM32F103ZET6在接收來自HLW8032的數據信號之后，將數字量從寄存器中進行讀取，根據電流、電壓等電參數的計算公式進行程序計算，數據根據ASCII碼和數組的形式分別被傳輸至OLED液晶屏和藍牙通信芯片。STM32F103ZET6中的程序流程圖如圖3所示。

圖 3 系統程序流圖

主控MCU在接收到第一次數據后開始執行計算程序，當計算數據被傳輸至液晶屏和藍牙芯片后進行下一次的數據處理。由于STM32的高速計算和高速通信，數據的可視化可進行實時顯示。

3.2 微信小程序的數據可視化設計

對采集端數據的接收和可視化的方式相對復雜而且多樣化，傳統的方式多用單片機驅動數碼管或者LCD模塊，新型方式多用計算機實現。

文獻[5]提出了數據的無線傳輸，用LCD模塊實現可視化，此方法雖然實現了數據透傳，但是對接收數據的處理有極大的局限性。文獻[6]用Visual Studio 2017編程生成可人機交互的界面，并實時監控所需數據，最后將數據保存至計算機，該方法能夠比較靈活地對采集的數據進行可視化及存儲操作，但是這必須保證計算機有Visual Studio 2017編程軟件，從而降低了適用性和便捷性。文獻[7]提出用藍牙模塊和便攜設備實現單相電參數的顯示，此方法雖然可靠性高、經濟，但是需要一個專用的便攜設備，從而局限了其適用性。

近幾年，微信的發展越發的迅速，其中微信小程序也給傳統APP帶去了巨大的威脅，對于實現一些不是很復雜的功能，微信小程序避免了相對復雜的下載和安裝環節，只需要簡單的搜索打開即可，既不占用較大的手機內存，而且使用也很方便，因此，微信小程序的發展也將是未來軟件發展的一個主要方向。

本文使用微信小程序調用藍牙相關的小程序API，接收藍牙模塊相關的事件回調從而實現數據的可視化，并能自動將接收的數據上傳至云數據庫生成歷史數據。本技術可直接使用手機微信小程序連接設備遠程讀取和儲存測量數據，具有可靠性、適用性、經濟性、便捷性的特點。圖7為微信小程序數據可視化的設計結構框架。

圖 4 微信小程序設計結構框架

4 裝置測試校驗

將該裝置連接在吹風機、燒水壺和筆記本電腦上進行測試，并將微信小程序的顯示結果與UT802臺式萬用表、VC470功率計量儀的測量結果進行誤差比較。

實驗過程中OLED液晶屏顯示數據與微信小程序實時數據相對應，說明了小程序的實時性與可靠性都很高，滿足低電壓的單相測量要求。將測量數據與相應用電器的額定功率比較可知，本裝置的測量數據均在合理范圍以內，并將兩者顯示的測量數據與測量儀器（萬用表）的測量數據進行誤差分析，由表1可得誤差較小，測量結果精確，整體誤差不超過2%。

表1 測量數據與誤差分析

5 展望

本產品的開發與設計符合了當今“智能電器”的發展，本技術實現了低電壓（家用單相電壓）的電參數采集，其測量結果可以為各種控制或者軟件提供第一手數據，從而便于接下來的再開發，再利用。該技術既可以為個體用戶提供數據服務，指導經濟用電和安全用電，為打造“節能減排家庭”、“節能減排社區”提供技術支持；也可以利用在重要電器的監測或電能控制，其數據庫更能作為企業優化電器的依據，以便達到節能環保的要求。結合大數據存儲和分析技術，本產品可以可靠地為居民區和商業區的用電量作出短期負荷預測。

如果將該技術電壓等級提升到高電壓之后，便可以利用在很多重要的環境之中，起到實時監測和警告的效果。電壓高的地方不能由人工測量其電參數，該技術便能很好地實現線路中的在線監測，如果將該技術運用于電網之中，將會對每個結點的電參量進行檢測，為實時優化電網運行，監測電網運行故障提供幫助。基于該技術設計的電參數測量裝置具有成本低、方便攜帶安裝的特點，因此在獨立的交流系統以及負荷波動較大、網絡結構復雜的配電網中也可穩定發揮監測功能。

近年來，大數據在電商、通信行業、金融行業積累了大量的數據，取得了長足的發展，制造業由于在數據積累和數據廣度上還不夠，發展較緩，本技術可以為與電力系統相關的數據庫擴充數據。

隨著能源互聯網的提出，近年來新能源汽車等大功率直流負荷以及新能源分布式電源等直流電源加速接入電網，增加了電網調峰調頻的難度和電壓控制的難度。所以，各個電氣接口的數據監測較以往都更加重要，該技術的廣泛應用將可能為我國發展新型電網有著十分重要的意義。因此，本技術在市場上的發展具有很大的前景，將該技術加以拓展便能夠達到理想的效果。

6 結束語

測量裝置基于HLW8023功率計量芯片，以STM32控制器為核心，采用液晶顯示屏和藍牙通信的微信小程序進行實時顯示。在微信小程序上還可將測量數據進行存儲和查閱，便于進一步的數據分析與挖掘。通過深入合理的硬件和軟件設計，在節約成本的同時，實現了精確測量單相電壓、電流、功率、用電量及功率因數的功能，并且實現了遠程通信，使電參數的收集更加智能化、便利化。