基于STC和HLW8012的電視節能插座設計

山東科技職業學院機電工程系 徐鈺琨

基于STC和HLW8012的電視節能插座設計

山東科技職業學院機電工程系 徐鈺琨

為了減少電器設備因為不切斷供電電源造成的待機能耗，減少電磁污染，本文設計了一種基于STC單片機和專用功率計量芯片HLW8012的節能插座，它可以通過判斷電視機的工作狀態，快速準確地監控功率的變化，進而控制周邊設備的電源，從而達到節能的目的。該插座還能夠與常用的電視遙控器進行紅外通訊，實現自動開關機。本文詳細介紹了系統結構圖、功率監控電路和軟件設計方案。經實際測試，該方案具有很高的安全性與可靠性、成本低，具備較強的應用推廣價值。

節能插座；功率計算；STC；HLW8012；紅外通訊

1.引言

中國節能認證中心對家庭待機耗能做過的調查顯示，待機能耗占到家庭電力消耗的10%左右。電視機及其周邊的設備電源待機功率又是消耗的主體，平均每臺電視機的待機能耗為1W，平均每臺機頂盒的待機能耗6.8W。按每天待機10小時，電視機及其機頂盒共耗電約0.078度。另外，長時間待機將加速電器老化，縮短使用壽命，增加電子垃圾污染，同時也增大火災發生的幾率。［1-3］

本文的節能插座通過功率計量模塊來檢測電視機的功率，根據功率的大小判斷電視是否正在使用。如果電視正在使用，則打開電視周邊的設備電源，比如機頂盒、音響、功放等；如果電視機正在待機，則關閉周邊設備電源及電視電源。另外，當需要看電視時，只需要按下遙控器2次，便可直接觀看電視，不需要手動去打開周邊設備的電源；如需要關閉電視，則按下遙控器1次即可，不需要手動去關閉周邊設備的電源。

目前大部分節能插座都采用比較器與MCU的AD轉換模塊的方式來實現功率測量，但這種電路比較復雜，采樣信號失真度較高，測量準確度低。本文采用集成的功率測量芯片，除了避免傳統電路的缺點外，還具備體積小，成本低的優點，具備較強的應用推廣價值。

2.系統簡介

電視節能插座主要由六大模塊電路組成，分別是電源管理模塊、功率計量模塊、繼電器控制模塊、紅外接收模塊、按鍵模塊、控制器模塊。其中，電源管理模塊完成AC-DC的轉換，為各模塊提供恒定的5V電壓；功率計量模塊采用專用功率計量芯片HLW8012，主要測量電視機的功率；繼電器控制模塊用來開啟或關閉電源；紅外接收模塊用來接收遙控器的信號，以此來控制電源；按鍵模塊可手動關閉電源，長按則進入紅外學習和功率學習模式，實現信息存儲；控制器模塊則對電壓、功率、電流、紅外、按鍵等信號進行綜合判斷，從而驅動繼電器進行斷電或開啟的動作，從而達到節能的目的。

3.硬件設計

3.1電源管理電路

為了完成AC-DC的變換，同時為其他模塊電路提供恒定的5V電壓。電源管理電路選擇美國PowerInt生產的LNK304離線式開關IC來實現降壓型電源轉換。LNK304集成700V的功率MOSFET、振蕩器、簡單的開/關控制電路、高壓開關電流源、頻率調制、逐周期的電流限制及過溫保護電路。其內部的自動重啟動電路在短路、開環的故障情況下，安全地限制輸出功率，減少了元器件的數目，降低在系統級用于負載保護電路的成本。［4］其原理圖如圖1所示。

為實現輸出電壓5V，輸出電流120mA（輸出功率為0.6W）的要求，AC輸入級由可熔電阻R11、整流二極管D11和D12及線濾波器網絡C11、C12、R12組成?？扇垭娮柽x用阻燃類型的電阻，阻值為8.2Ω，主要起保險作用、同時限制浪涌電流、防止差模噪聲衰減。

LNK304的FB號引腳（端口2）為反饋引腳。在正常工作情況下，此引腳控制功率MOSFET的開關。當此引腳的電流大于49uA時，MOSFET開關被終止。另外，FB引腳的反饋輸入電路由一個低阻抗的源極跟隨器輸出，輸出電壓為1.65V。因此，其反饋電路中R13和R14的電阻值必須能夠保證反饋引腳的電壓為1.65V，反饋的引腳電流為49uA的參數要求。在此電路中，R14的推薦電阻值為2K，則反饋網絡的偏置電流為1.65V/2K=0.825mA，那么R13的電阻值為3.84K。

圖1　電源管理電路原理圖

圖2　功率計量電路原理圖

3.2功率計量電路

功率計量電路的主要作用是通過對線路中電流及電壓的采樣來計算得到實際功率值。此電路采用集成的功率計量芯片HLW8012來實現。HLW8012是深圳合力為科技有限公司推出的單相功率計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值。內置了晶振和參考電源，不需使用復雜的設計電路和編寫復雜的軟件，具有外圍電路簡單、體積小、價格便宜的優點。［5］

功率計量電路原理圖如圖2所示。

HLW8012的2號引腳和3號引腳為電流信號采樣端口，其電流差分輸入信號的最大有效值為±39mV。采樣電流是通過錳銅電阻R41進行采樣的，R41的電阻值為2mΩ。因為最大的采樣電流為39mV/2mΩ=19.5A，此電流考慮20%的余量，與目前插座最大的額定電流16A基本一致，這樣可以提高采樣的準確度。

HLW8012的4號引腳為電壓信號采樣端口，其采樣電壓最大有效值為±495mV。R44、R45、R46、R47的作用是分壓，采樣電阻是R48、C44主要其濾波作用。因為R48、C44組成RC網絡，則需要計算等效電阻。由于C44的容抗約為96.5K，所以R48、C44的等效電阻R48近似于1K。

HLW8012的4號引腳與6號引腳為輸出有功功率的引腳，其輸出為占空比為1：1的方波。為了得到方波的頻率，此引腳連接STC15F2K60S2單片機的外部中斷1的端口（24號引腳），通過中斷的方式來獲取方波的頻率，進而通過計算得到功率值。

圖3　電視機狀態測試顯示界面

4.實驗結果

利用測試平臺，測試電視機待機或工作時的狀態。為了更好的觀察狀態變化，將繼電器閉合和斷開的狀態延遲5秒鐘進行。當電視機處于待機時，此時功率為7.1W，與功率閾值比較，判定為不工作，5S后繼電器斷開，功率變為0W；當電視機屏幕點亮時，此時功率為108.9W，與功率閾值比較，判定為工作，5S后繼電器閉合，功率基本不變。軟件顯示界面如圖3所示。

5.結束語

本方案在STC單片機和專用功率計量芯片HLW8012基礎上完成了電視機節能插座的設計及應用，通過實驗測試，基本上實現了預期的功能要求。通過該插座能夠實現電視機與外圍設備的智能控制，從而達到節能的目的。下一步的工作重心是將插座如何拓展到其他家電，比如電腦、空調、冰箱等。這需要在功率設定、功率算法上要考慮各種家電不同的功率要求，從而實現最優的節能控制。

［1］黃界.基于AVR的智能技能插座設計［J］.現代電子技術，2010（12）：188-190.

［2］陳海旺，張振娟，黃明.智能家居中無限智能插座系統設計［J］.電視技術，2013，37（21）：80-83.

［3］馬梅，徐言飛，王鵬.基于STM32的智能省電無隱患插座設計［J］.電視技術，2014，38（23）：68-71.

［4］PowerInt. LinkSwitch-TN data sheet［EB/OL］.［2014-06-15］.http：//ac-dc.power.com/design-support/product-documents/ data-sheets/linkswitch-tn-data-sheet/.

［5］合力為科技.HLW用戶手冊［EB/OL］.［2014-08-01］.http：// www.hiliwi.com.

［6］宏晶科技.STC15系列單片機器件手冊［EB/OL］.［2014-07-09］.http：//www.stcmcu.com.