處理 220V-AC 電源電壓和測量 AC 負載的真實功率、電壓和電流參數一直被認為是電子設計人員在電路設計和計算方面面臨的一大挑戰。當我們處理電感負載時，情況會變得更加復雜，因為電感負載會改變交流信號的正弦波形（電阻負載不會）。

　　在這篇文章中，我介紹了一種可以測量負載的交流電壓、RMS 電流、有功功率、視在功率、功率因數和能耗 （KWh） 的電路。我使用了一個 Arduino-Nano 板作為處理器，以使其對初學者來說更具教育性和吸引力。該設備獨立測量上述參數并在 4*20 LCD 上顯示結果。測量錯誤率約為 0.5% 或更低。

　　A. 電路分析

　　圖 1 顯示了交流電能測量電路的示意圖。很明顯，該設計的兩個主要組件是 Arduino-Nano 板 和 HLW8032 芯片。

　　圖1-數字式交流電能表裝置示意圖

　　A-1：電源輸入

　　我開始從上到下解釋原理圖。P1 和 P2 是電源連接器，可為 220V 電??源和負載提供牢固的螺釘連接。C1 是一個 100nF X2 額定電容，可降低輸入噪聲。F1、R1 和 R2 提供電源輸入保護。T1 是一種共模扼流圈，也用于降低共模噪聲。

　　R3、R4、R5 和 R6 是 4 毫歐 2512 電阻器，并聯構成一個 4W 1 毫歐分流電阻器。您應該從 1% 的 2512 封裝電阻器中選擇這些電阻器。如果由于某種原因您無法使用這些電阻器，則可以并聯使用兩個 2 毫歐電阻器，但是，上述組合在精度和額定分流功率方面提供了最佳結果。

　　A2：非隔離電源

　　HLW8032 芯片的電源應該是非隔離的，參考市電。原因是芯片必須直接讀取分流電阻和電源電壓值。C2 是一個 470nF-630V 電容器，用于降低電源電壓，R8 用于限制電流。R7減少C2的放電時間。D1 和 D2 為整流二極管，D3 為 15V 穩壓二極管，用于將電壓調節在 15V 左右。C4、C5 和 R9 創建一個低通 RC 濾波器，以盡可能降低噪聲。

　　REG-1 是 TS2937CW50 ［3］ 5V 線性穩壓器。很明顯，它將電壓調節并固定為 5V。C3 是輸出電容，它可以降低穩壓器噪聲。

　　A-3：隔離供應

　　該部分由 U1 組成，即 HLK-PM01 交直流轉換模塊。它為 Arduino 板提供隔離電源。C6、C7 和 L1 提供低通 Pi 濾波器以降低 U1 的輸出噪聲。

　　A-4：能量計

　　這部分的主要部件是IC1，它是HLW8032芯片。數據表顯示：“HLW8032是一款高精度電能計量IC，采用CMOS工藝制造，主要應用于單相應用。它可以測量線路電壓和電流，并計算有功功率、視在功率和功率因數。裝置內部集成了兩個∑-Δ型ADC和一個高精度電能計量內核。HLW8032可以通過UART口進行數據通信，采用5V供電，內置3.579M晶振，采用8Pin的SOP封裝。HLW8032具有高精度、低功耗、高可靠性、環境適應性強等特點，適用于單相兩線制電力用戶的電能計量?！?/p>

　　C8 和 C9 是去耦電容。C10、C11、R12 和 R15 是分流電阻讀取網絡的一部分（參見數據表）。R16.。.R20 和 C12 也是電壓測量網絡的一部分（參見數據表）。IC2 和 IC3 是數字隔離器（光耦合器），用于將數字串行信號傳輸到 Arduino 板。R10 和 R13 是上拉電阻。

　　A-5。Arduino納米

　　AR1 是著名的 Arduino-nano 板，IDC1 是 2*8 IDC 連接器，用于將 4*20 綠色背光字符 LCD 連接到板。R23…R26 是下拉電阻，R22 調節 LCD 的對比度。C13 和 C14 是去耦電容。

　　B. PCB 布局

　　圖 2 顯示了設計的 PCB 布局。它是兩層 PCB 板，我使用了各種 SMD 和通孔組件。圖 3 顯示了 PCB 板和裝配圖的 3D 視圖。

　　圖 2-數字電能表電路的PCB布局

　　圖 3-PCB 板和裝配圖的 3D 視圖

　　C. 校準

　　要校準設備，您只需要一個電阻負載（例如經典燈泡，而不是 LED 燈泡！）和一個精確的 RMS 萬用表。我使用了 Silent SDM3045X 萬用表（圖 4）。請觀看 YouTube 視頻了解更多詳情。

　　圖 4-RMS電流測量（校準過程）

　　完成該步驟后，您必須更改“HLW8032.h”頭文件（Arduino 庫）中的分流電阻值。轉到第 62 行并修改“float CurrentRF”值。就我而言，最佳值是 0.0012。

　　D. 代碼

　　Arduino 代碼已插入到下面的框中。您還可以從我自己的 GitHub 存儲 ［4］ 下載 Arduino 庫。我假設您知道如何手動安裝 Arduino 庫。這很容易。

　　#include "HLW8032.h"

#include
#define SYNC_TIME 500

const int rs = 12, en = 11, d4 = 10, d5 = 9, d6 = 8, d7 = 7;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

static unsigned long start_time, end_time;
HLW8032 HL;

void setup()
{
? lcd.begin(20, 4);
? HL.begin(Serial, 4);
? start_time = millis();
}

void loop()
{

? end_time = millis();
? HL.SerialReadLoop();

? if (end_time - start_time > SYNC_TIME)
? {
? ? if (HL.SerialRead == 1)
? ? {
? ? ? lcd.setCursor(0, 0);
? ? ? lcd.print("Voltage[V]: ");
? ? ? lcd.setCursor(12, 0);
? ? ? lcd.print(HL.GetVol() * 0.001, 2);

? ? ? lcd.setCursor(0, 1);
? ? ? lcd.print("Current[A]: ");
? ? ? lcd.setCursor(12, 1);
? ? ? lcd.print(HL.GetCurrent(), 2);

? ? ? lcd.setCursor(0, 2);
? ? ? lcd.print("Power[W]: ");
? ? ? lcd.setCursor(10, 2);
? ? ? lcd.print(HL.GetActivePower() * 0.001, 2);

? ? ? lcd.setCursor(0, 3);
? ? ? lcd.print("Energy[KWh]: ");
? ? ? lcd.setCursor(13, 3);
? ? ? lcd.print(HL.GetKWh(), 2);
? ? }
? ? start_time = end_time;
? }
}

　　E. 測試

　　校準后，您可以在任何您喜歡的地方使用該設備。圖 5 顯示了 LCD 屏幕上的打印信息。在您的工作場所和家中，此設備有很多用例。玩得開心！

　　圖 5-交流負載的計算參數（電壓、電流、功率、KWh）

　　F. 液晶顯示器

　　使用的 LCD 是標準的綠色背光 4*20 字符 LCD。LCD和板子之間的連接方式是直接點對點連接。這意味著IDC的第一個引腳（左側）從左側（VSS）連接到LCD的第一個引腳。圖 6 顯示了 LCD 接線。

　　圖 6-4*20 LCD連接板

　　G. 物料清單

　　圖 7 顯示了物料清單。Octopart 網站是構建任何類型 BOM 的非常好的工具。

　　圖 7-材料清單