基于HLW8032的单相电参数测量装置

陈鹏辉，张小波，朱子晗

（贵州大学 电气工程学院，贵州贵阳，550025）

0 引言

随着“双碳”目标的大力推进，风光发电等新能源发电形式大量投入建设并使用，自发自用、余电上网的家庭越来越多[1-3]。美国斯坦福大学Mark Z Jacobson研究团队在《Joule》上发布了一份最新的可再生能源图谱，报告称到2050年，太阳能、风能、水力发电和地热能等可再生能源，可以100%满足139个国家的用电需求。对于零碳用电家庭，这种发电形式存在电参数的波动等问题，对电能质量造成严重不利影响。因此，单相电参数测量在继电保护、安全监控、数据测量中具有重要意义。单相电参数的测量装置经历了模拟化、数字化、智能化三代的发展过程[4]。在智能化的测量装置中大多采用DSP为主控芯片，但其复杂计算和高额成本导致推广难度的增加。

本文基于STM32单片机的设计方案，采用HLW8032功率计量芯片对监测的电流电压信号进行测量、转换、寄存，将相关电参数传递给STM32，再利用OLED显示屏和蓝牙通信加小程序的两种方式进行数据可视化，小程序还具备历史数据存储与查询的功能。本测量装置能够获取电压、电流、有功功率、视在功率、无功功率、电能用量、功率因数等电参数，具备使用简单、成本较低、小程序实时查看、数据可存储与查询等优点。

1 装置总体设计与原理

图1为本装置的设计框架，主要由供电电源模块、采样测量模块、计量模块、主控模块、通信模块和微信小程序构成，装置总体原理图如图2所示。采用具备降压、稳压、隔离的AC-DC电源模块，将市电的220V交流电转为装置电源所需的5V直流电。采用4个470k电阻和1k电阻的电阻分压测量方式，电阻精度选用0.1%精度，同时采用1mR/2W的锰铜电阻进行电流采样，将单相电流电压的模拟量传输至HLW8032芯片，其原理电路详见如图2中的采样电路。

图 1 装置总体设计框架

图2 装置总体电路原理图

HLW8032芯片利用自身的ADC进行模数转换，通过光电耦合电路隔离后与主控芯片进行USART通信。主控MCU采用具有高效通信、高速计算的STM32F103ZET6，进而通过公式1~公式5计算出电流有效值、电压有效值、有功功率值和电能用量等电参数的数值大小。

STM32外接采用 I2C通信的OLED液晶屏和HC-08蓝牙通信模块。液晶屏实时显示电流、电压、有功功率、功率因数和电能用量的数值大小。蓝牙模块与配套开发的微信小程序建立通信链接后，手机终端界面亦可同步查看测量数据，此时，平台将数据上传至云数据库进行存储。用户可在微信小程序上查看测量的历史数据，基于数据库进行用电数据分析、用电量查询、用电信息跟踪等利用和开发，满足使用者的多样性需求。

2 硬件设计

2.1 采样电路设计

采样电路采用采样电阻的采样电路设计，其原理图详见图2中的采样电路部分。电流采样依靠精度为1%的1mR/2W锰铜电阻，将火线与零线之间的电压值转换为电流模拟量。电压采用采用精度均为1%的4个470k电阻和1k电阻，利用电阻分压的原理，将电流值转化为电压模拟量。该设计方案的电流系数和电压系数分别如公式6和公式7所示。

由于电阻的精度均在1%且HLW8032的精度也在1%，测量方案整体精度误差不高于2%。测量方案具有免校验的优势，电路设计精简且程序算法更加高效。

2.2 HLW8032周围电路设计

在HLW8032的电源端，应并联两个用于滤除来自电网高频及低频噪声的小电容。HLW8032接收来自锰铜电阻采样后的电流信号和来自电阻网络的电压信号。

HLW8032具有通信串口，可采用异步串行通信方式，允许用两个单向引脚进行数据通信。选用STM32F103ZET6单片机的串口与前者搭建有线的通信电路。

2.3 蓝牙通信电路设计

蓝牙技术能够在最具挑战性的环境下实现高度可靠的通信和出色的距离，因此，我们选择了蓝牙模块实现数据传输。本小组采用STM32F103ZET6单片机内部的串行口与蓝牙模块搭建数据通道。它将已被主控MCU处理过的电参数的数字量传输至移动设备的小程序平台，小程序再将数据调到前端可视化，并同时将相应的实时数据储存到小程序的云数据库，使电参数的测量数值可以直观地被用户获取，也方便后期的历史数据调用与分析。当测量装置未与微信小程序建立蓝牙通信前，蓝牙指示灯闪烁。蓝牙连接之后，蓝牙指示灯长亮。

采用的HC-08蓝牙串口通信基于Bluetooth Specification V4.0 BLE蓝牙协议的数传设计。蓝牙最大发射功率为4dBm，接收灵敏度为-93dBm。HC-08蓝牙电路设计可用于代替全双工通信时的物理连线。MCU向模块发送串口数据，模块的RXD端口收到串口数据后，自动将数据以无线电波的方式发送到空中，支持Android操作系统设备接受信号，进而获取数据包，从而达到数据的透传，没有繁琐的物理线路使数据的传输与接收更加方便。

3 软件设计

3.1 STM32F103ZET6数据处理程序设计

STM32F103ZET6在接收来自HLW8032的数据信号之后，将数字量从寄存器中进行读取，根据电流、电压等电参数的计算公式进行程序计算，数据根据ASCII码和数组的形式分别被传输至OLED液晶屏和蓝牙通信芯片。STM32F103ZET6中的程序流程图如图3所示。

图 3 系统程序流图

主控MCU在接收到第一次数据后开始执行计算程序，当计算数据被传输至液晶屏和蓝牙芯片后进行下一次的数据处理。由于STM32的高速计算和高速通信，数据的可视化可进行实时显示。

3.2 微信小程序的数据可视化设计

对采集端数据的接收和可视化的方式相对复杂而且多样化，传统的方式多用单片机驱动数码管或者LCD模块，新型方式多用计算机实现。

文献[5]提出了数据的无线传输，用LCD模块实现可视化，此方法虽然实现了数据透传，但是对接收数据的处理有极大的局限性。文献[6]用Visual Studio 2017编程生成可人机交互的界面，并实时监控所需数据，最后将数据保存至计算机，该方法能够比较灵活地对采集的数据进行可视化及存储操作，但是这必须保证计算机有Visual Studio 2017编程软件，从而降低了适用性和便捷性。文献[7]提出用蓝牙模块和便携设备实现单相电参数的显示，此方法虽然可靠性高、经济，但是需要一个专用的便携设备，从而局限了其适用性。

近几年，微信的发展越发的迅速，其中微信小程序也给传统APP带去了巨大的威胁，对于实现一些不是很复杂的功能，微信小程序避免了相对复杂的下载和安装环节，只需要简单的搜索打开即可，既不占用较大的手机内存，而且使用也很方便，因此，微信小程序的发展也将是未来软件发展的一个主要方向。

本文使用微信小程序调用蓝牙相关的小程序API，接收蓝牙模块相关的事件回调从而实现数据的可视化，并能自动将接收的数据上传至云数据库生成历史数据。本技术可直接使用手机微信小程序连接设备远程读取和储存测量数据，具有可靠性、适用性、经济性、便捷性的特点。图7为微信小程序数据可视化的设计结构框架。

图 4 微信小程序设计结构框架

4 装置测试校验

将该装置连接在吹风机、烧水壶和笔记本电脑上进行测试，并将微信小程序的显示结果与UT802台式万用表、VC470功率计量仪的测量结果进行误差比较。

实验过程中OLED液晶屏显示数据与微信小程序实时数据相对应，说明了小程序的实时性与可靠性都很高，满足低电压的单相测量要求。将测量数据与相应用电器的额定功率比较可知，本装置的测量数据均在合理范围以内，并将两者显示的测量数据与测量仪器（万用表）的测量数据进行误差分析，由表1可得误差较小，测量结果精确，整体误差不超过2%。

表1 测量数据与误差分析

5 展望

本产品的开发与设计符合了当今“智能电器”的发展，本技术实现了低电压（家用单相电压）的电参数采集，其测量结果可以为各种控制或者软件提供第一手数据，从而便于接下来的再开发，再利用。该技术既可以为个体用户提供数据服务，指导经济用电和安全用电，为打造“节能减排家庭”、“节能减排社区”提供技术支持；也可以利用在重要电器的监测或电能控制，其数据库更能作为企业优化电器的依据，以便达到节能环保的要求。结合大数据存储和分析技术，本产品可以可靠地为居民区和商业区的用电量作出短期负荷预测。

如果将该技术电压等级提升到高电压之后，便可以利用在很多重要的环境之中，起到实时监测和警告的效果。电压高的地方不能由人工测量其电参数，该技术便能很好地实现线路中的在线监测，如果将该技术运用于电网之中，将会对每个结点的电参量进行检测，为实时优化电网运行，监测电网运行故障提供帮助。基于该技术设计的电参数测量装置具有成本低、方便携带安装的特点，因此在独立的交流系统以及负荷波动较大、网络结构复杂的配电网中也可稳定发挥监测功能。

近年来，大数据在电商、通信行业、金融行业积累了大量的数据，取得了长足的发展，制造业由于在数据积累和数据广度上还不够，发展较缓，本技术可以为与电力系统相关的数据库扩充数据。

随着能源互联网的提出，近年来新能源汽车等大功率直流负荷以及新能源分布式电源等直流电源加速接入电网，增加了电网调峰调频的难度和电压控制的难度。所以，各个电气接口的数据监测较以往都更加重要，该技术的广泛应用将可能为我国发展新型电网有着十分重要的意义。因此，本技术在市场上的发展具有很大的前景，将该技术加以拓展便能够达到理想的效果。

6 结束语

测量装置基于HLW8023功率计量芯片，以STM32控制器为核心，采用液晶显示屏和蓝牙通信的微信小程序进行实时显示。在微信小程序上还可将测量数据进行存储和查阅，便于进一步的数据分析与挖掘。通过深入合理的硬件和软件设计，在节约成本的同时，实现了精确测量单相电压、电流、功率、用电量及功率因数的功能，并且实现了远程通信，使电参数的收集更加智能化、便利化。