基于STC和HLW8012的电视节能插座设计

山东科技职业学院机电工程系 徐钰琨

基于STC和HLW8012的电视节能插座设计

山东科技职业学院机电工程系 徐钰琨

为了减少电器设备因为不切断供电电源造成的待机能耗，减少电磁污染，本文设计了一种基于STC单片机和专用功率计量芯片HLW8012的节能插座，它可以通过判断电视机的工作状态，快速准确地监控功率的变化，进而控制周边设备的电源，从而达到节能的目的。该插座还能够与常用的电视遥控器进行红外通讯，实现自动开关机。本文详细介绍了系统结构图、功率监控电路和软件设计方案。经实际测试，该方案具有很高的安全性与可靠性、成本低，具备较强的应用推广价值。

节能插座；功率计算；STC；HLW8012；红外通讯

1.引言

中国节能认证中心对家庭待机耗能做过的调查显示，待机能耗占到家庭电力消耗的10%左右。电视机及其周边的设备电源待机功率又是消耗的主体，平均每台电视机的待机能耗为1W，平均每台机顶盒的待机能耗6.8W。按每天待机10小时，电视机及其机顶盒共耗电约0.078度。另外，长时间待机将加速电器老化，缩短使用寿命，增加电子垃圾污染，同时也增大火灾发生的几率。［1-3］

本文的节能插座通过功率计量模块来检测电视机的功率，根据功率的大小判断电视是否正在使用。如果电视正在使用，则打开电视周边的设备电源，比如机顶盒、音响、功放等；如果电视机正在待机，则关闭周边设备电源及电视电源。另外，当需要看电视时，只需要按下遥控器2次，便可直接观看电视，不需要手动去打开周边设备的电源；如需要关闭电视，则按下遥控器1次即可，不需要手动去关闭周边设备的电源。

目前大部分节能插座都采用比较器与MCU的AD转换模块的方式来实现功率测量，但这种电路比较复杂，采样信号失真度较高，测量准确度低。本文采用集成的功率测量芯片，除了避免传统电路的缺点外，还具备体积小，成本低的优点，具备较强的应用推广价值。

2.系统简介

电视节能插座主要由六大模块电路组成，分别是电源管理模块、功率计量模块、继电器控制模块、红外接收模块、按键模块、控制器模块。其中，电源管理模块完成AC-DC的转换，为各模块提供恒定的5V电压；功率计量模块采用专用功率计量芯片HLW8012，主要测量电视机的功率；继电器控制模块用来开启或关闭电源；红外接收模块用来接收遥控器的信号，以此来控制电源；按键模块可手动关闭电源，长按则进入红外学习和功率学习模式，实现信息存储；控制器模块则对电压、功率、电流、红外、按键等信号进行综合判断，从而驱动继电器进行断电或开启的动作，从而达到节能的目的。

3.硬件设计

3.1电源管理电路

为了完成AC-DC的变换，同时为其他模块电路提供恒定的5V电压。电源管理电路选择美国PowerInt生产的LNK304离线式开关IC来实现降压型电源转换。LNK304集成700V的功率MOSFET、振荡器、简单的开/关控制电路、高压开关电流源、频率调制、逐周期的电流限制及过温保护电路。其内部的自动重启动电路在短路、开环的故障情况下，安全地限制输出功率，减少了元器件的数目，降低在系统级用于负载保护电路的成本。［4］其原理图如图1所示。

为实现输出电压5V，输出电流120mA（输出功率为0.6W）的要求，AC输入级由可熔电阻R11、整流二极管D11和D12及线滤波器网络C11、C12、R12组成。可熔电阻选用阻燃类型的电阻，阻值为8.2Ω，主要起保险作用、同时限制浪涌电流、防止差模噪声衰减。

LNK304的FB号引脚（端口2）为反馈引脚。在正常工作情况下，此引脚控制功率MOSFET的开关。当此引脚的电流大于49uA时，MOSFET开关被终止。另外，FB引脚的反馈输入电路由一个低阻抗的源极跟随器输出，输出电压为1.65V。因此，其反馈电路中R13和R14的电阻值必须能够保证反馈引脚的电压为1.65V，反馈的引脚电流为49uA的参数要求。在此电路中，R14的推荐电阻值为2K，则反馈网络的偏置电流为1.65V/2K=0.825mA，那么R13的电阻值为3.84K。

图1　电源管理电路原理图

图2　功率计量电路原理图

3.2功率计量电路

功率计量电路的主要作用是通过对线路中电流及电压的采样来计算得到实际功率值。此电路采用集成的功率计量芯片HLW8012来实现。HLW8012是深圳合力为科技有限公司推出的单相功率计量芯片，可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值。内置了晶振和参考电源，不需使用复杂的设计电路和编写复杂的软件，具有外围电路简单、体积小、价格便宜的优点。［5］

功率计量电路原理图如图2所示。

HLW8012的2号引脚和3号引脚为电流信号采样端口，其电流差分输入信号的最大有效值为±39mV。采样电流是通过锰铜电阻R41进行采样的，R41的电阻值为2mΩ。因为最大的采样电流为39mV/2mΩ=19.5A，此电流考虑20%的余量，与目前插座最大的额定电流16A基本一致，这样可以提高采样的准确度。

HLW8012的4号引脚为电压信号采样端口，其采样电压最大有效值为±495mV。R44、R45、R46、R47的作用是分压，采样电阻是R48、C44主要其滤波作用。因为R48、C44组成RC网络，则需要计算等效电阻。由于C44的容抗约为96.5K，所以R48、C44的等效电阻R48近似于1K。

HLW8012的4号引脚与6号引脚为输出有功功率的引脚，其输出为占空比为1：1的方波。为了得到方波的频率，此引脚连接STC15F2K60S2单片机的外部中断1的端口（24号引脚），通过中断的方式来获取方波的频率，进而通过计算得到功率值。

图3　电视机状态测试显示界面

4.实验结果

利用测试平台，测试电视机待机或工作时的状态。为了更好的观察状态变化，将继电器闭合和断开的状态延迟5秒钟进行。当电视机处于待机时，此时功率为7.1W，与功率阈值比较，判定为不工作，5S后继电器断开，功率变为0W；当电视机屏幕点亮时，此时功率为108.9W，与功率阈值比较，判定为工作，5S后继电器闭合，功率基本不变。软件显示界面如图3所示。

5.结束语

本方案在STC单片机和专用功率计量芯片HLW8012基础上完成了电视机节能插座的设计及应用，通过实验测试，基本上实现了预期的功能要求。通过该插座能够实现电视机与外围设备的智能控制，从而达到节能的目的。下一步的工作重心是将插座如何拓展到其他家电，比如电脑、空调、冰箱等。这需要在功率设定、功率算法上要考虑各种家电不同的功率要求，从而实现最优的节能控制。

［1］黄界.基于AVR的智能技能插座设计［J］.现代电子技术，2010（12）：188-190.

［2］陈海旺，张振娟，黄明.智能家居中无限智能插座系统设计［J］.电视技术，2013，37（21）：80-83.

［3］马梅，徐言飞，王鹏.基于STM32的智能省电无隐患插座设计［J］.电视技术，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］合力为科技.HLW用户手册［EB/OL］.［2014-08-01］.http：// www.hiliwi.com.

［6］宏晶科技.STC15系列单片机器件手册［EB/OL］.［2014-07-09］.http：//www.stcmcu.com.