CN104635042B - 用于智能家居的电能采集模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于智能家居的电能采集模块，包括供电电源电路、电压电流检测电路、电能计量电路和数据处理电路，供电电源电路为电能计量电路、数据处理电路的芯片供电，电压电流检测电路将被测电压、电流转换成芯片输入范围的信号作为电能计量电路中计量芯片的输入，电能计量电路接收电压、电流数字信号，计算功率、电压、电流，通过串口输出数据，数据处理电路接收电能计量电路输出的电能信号，作后续处理工作并通过串口输出电能信号到通信模块。

Description

用于智能家居的电能采集模块

技术领域

本发明涉及的是电能采集模块，具体是一种用于智能家居中带独立供电并能把采集的电能信息通过串口通讯的方式传输给通信电路的电能采集模块。

背景技术

随着经济的发展、技术的提高、环保及安全意识的增强，人们对家庭电器用电的节能性、便捷性和安全性等要求越来越高，希望随时随地都能对家庭电器用电情况进行监视和控制。因此可实现远程监控功能的智能家居受到了广泛的关注和深入的研究，并大为推广。智能家居系统中要求获取各个电器的实时电能信息和运行状态，通过电能采集模块可以计量每个电器的电能信息，并把电能信息传输到通信模块节点，由通信模块节点把数据传输到上位机进行显示和存储等处理。

经对现有技术的公开文献检索发现，中国专利申请号：201010165239.6，公开日：2011.11.09，名称：面向智能电网的多功能电表，该技术公开一种面向智能电网的多功能电表，由计量模块、电源模块、通信模块、显示模块等，具有电量计量、数据处理、实时监测等功能。但是，该发明作为电表电路设计，体积较大，而且没有设计与通信节点的通信功能，不适用作智能家居的电能采集模块。

公开号为203894323U的中国实用新型专利公开的一种低功耗电能采集装置，其公开的内容无法实现其发明目的。

发明内容

本发明的目的在于补充现有技术的空缺，提供一种用于智能家居中带独立供电和数据传输功能的电能采集模块。本发明不仅能在模块自身上显示所采集的电能信息，而且能把电能信息通过串口通信的方式传输给智能家居中的通信模块节点，实现从各电器到上位机传输电能信息的功能。而且，本发明所述电能采集模块及其驱动电路均由系统的220V～5V/3.3V供电电源部分供电，用给电器供电的220V交流电整流得到5V/3.3V直流电为芯片和电路元件供电，不用提供额外的电源，简化电路并且节省空间，最大限度保证体积方面满足便捷性的要求。本发明使得电能采集模块保持体积较小的情况下稳定可靠地工作，可满足智能家居系统实现获取各个电器电能信息的技术要求。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

用于智能家居的电能采集模块，包括供电电源电路、电压电流检测电路、电能计量电路和数据处理电路，供电电源电路为电能计量电路、数据处理电路的芯片供电，电压电流检测电路将被测电压、电流转换成芯片输入范围的信号作为电能计量电路中计量芯片的输入，电能计量电路接收电压、电流数字信号，计算功率、电压、电流，通过串口输出数据，数据处理电路接收电能计量电路输出的电能信号，作后续处理工作并通过串口输出电能信号到通信模块。

其中，供电电源电路为两级电路，包括第一级电路和第二级电路，第一级电路输入电压为220V交流电，由电器供电电源而来，输出电压为5V；第二级电路输入电压为第一级输出的5V直流电压，输出电压为3.3V直流电压。

供电电源电路包括由四个二极管组成的全桥整流电路、三端稳压IC、稳压芯片，全桥整流电路正极输出接三端稳压IC的Vin管脚，220V电源经过四个二极管组成的全桥整流电路得到12V的波动的直流电压，12V的波动的直流电压输入三端稳压IC，通过三端稳压IC得到稳定的DC5V电压，DC5V电压作为稳压芯片的输入，得到稳定的DC3.3V电压。

其中，电压电流检测电路包括电压互感器、第一电阻、第一滤波电容、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、电流互感器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻，第二滤波电容。

电压互感器的输入端连接计量进线，电压互感器的正极端与计量进线的正极之间串联第一电阻，电压互感器、电流互感器的输入正极与计量进线的正极之间串联保险丝。

电压互感器的输出正极端连接第三电阻一端，第三电阻另一端与第四电阻串联，第四电阻另一端连接电压互感器的输出负极，第二电阻一端连接第三电阻和电压互感器的输出正极的公共端，第二电阻另一端连接第一滤波电容，第五电阻一端连接第四电阻和电压互感器的输出负极的公共端，第五电阻的另一端连接第一滤波电容。

电流互感器的输入正极连接计量进线，电流互感器的输入端负极连接计量出线，电流互感器的输出正极连接第八电阻一端，第八电阻另一端与第九电阻串联，第九电阻另一端连接电流互感器的输出负极，第六电阻一端连接第八电阻和电流互感器的输出正极的公共端，第六电阻另一端连接第二滤波电容，第十电阻一端连接第九电阻和电流互感器的输出负极的公共端，第十电阻的另一端连接第二滤波电容，第七电阻的两端分别连接电流互感器输出的正负极。

其中，电能计量电路包括芯片CS5463，芯片CS5463由DC5V供电，芯片CS5463的管脚AGND、DGND共地，时钟晶振4.096MHz，CS5463芯片电压通道引脚VIN±两端输入电压信号，电流通道引脚IIN±两端输入电流信号，芯片CS5463计量了负载用电信息后通过通过三线串行接口(SPI)向数据处理电路进行数据传输。

其中，数据处理电路包括芯片ATMEGA16L，芯片ATMEGA16L的VCC、AVCC管脚分别接DC5V电源，GND、AREF管脚接地，SS、MOSI、MISO、SCK管脚分别接芯片CS5463的CS、SDI、SDO、SCLK管脚，芯片ATMEGA16L驱动4401BS共阳数码管显示屏显示电能信息，并通过串口向通信模块传输电能数据。

所述电流互感器的变比为2000:1。

所述第一电阻阻值为110kΩ。

所述第二电阻、第五电阻为470Ω。

所述三端稳压IC型号为LM7805。

所述稳压芯片型号为AMS1117。

本发明有益效果是：把交流220V电能转换为5V/3.3V给芯片和驱动电路元件供电，最大限度地减小整个模块的体积，符合智能家居系统便捷性、美观性的要求，简化电路并且节省空间；通过电压电流检测电路和电能计量电路，能获取电器实时电能信息，保证高精度；通过数据处理电路，既能在电器节点上显示电器实时电能信息，又能通过串口把信息数据传输到通信模块，又通信模块把数据传输到上位机，使得上位机收集所有电器电能信息数据。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明所述供电电源电路的示意图。

图3为本发明所述电压电流检测电路的示意图。

图4为本发明所述计量芯片CS5463的电路示意图。

图5为本发明所述芯片ATMEGA16L的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的系统作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示，本实施例所述用于智能家居的电能采集模块，包括供电电源电路、电压电流检测电路、电能计量电路和数据处理电路。供电电源电路为电能计量电路、数据处理电路及驱动电路元器件提供电源，电压电流检测电路通过电压互感器、电流互感器把被测电压、电流转换成芯片输入范围的信号作为电能计量电路中计量芯片的输入，计量芯片CS5463接收电压、电流数字信号，计算功率、电压、电流，通过串口输出数据。数据处理电路的数据处理芯片ATMEGA16L接收电能测量芯片输出的电能信号，作后续处理工作，包括驱动数码管显示屏显示电能信息，通过串口输出电能信号到通信模块。

如图2所示，供电电源电路分为两级电路，包括第一级电路和第二级电路，第一级电路输入电压为220V交流电，由电器供电电源而来，输出电压为5V；第二级电路输入电压为第一级输出的5V直流电压，输出电压为3.3V直流电压，供电电源电路为电能计量电路的计量芯片、数据处理电路的数据处理芯片供电。供电电源电路包括由四个二极管组成的全桥整流电路、三端稳压IC、稳压芯片，全桥整流电路正极输出接三端稳压IC的Vin管脚，市电电源AC220V经过四个二极管组成的全桥整流电路得到12V的波动的直流电压。直流电压在三端稳压ICLM7805的输入电压7V～18V的范围内，通过三端稳压ICLM7805可以得到稳定的DC5V电压，DC5V电压作为芯片AMS1117稳压芯片的输入，即可得到稳定的DC3.3V电压。

如图3所示，电压电流检测电路包括电压互感器T1、第一电阻R1、第一滤波电容C1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、电流互感器T2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10，第二滤波电容C2。

电压互感器T1的输入端连接计量进线，电压互感器T1的正极端与计量进线的正极之间串联第一电阻R1，电压互感器T1、电流互感器T2的输入正极与计量进线的正极之间串联保险丝F1。

电压互感器T1的输出正极端连接第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端与第四电阻R4串联，第四电阻R4另一端连接电压互感器T1的输出负极，第二电阻R2一端连接第三电阻R3和电压互感器T1的输出正极的公共端，第二电阻R2另一端连接第一滤波电容C1，第五电阻R5一端连接第四电阻R4和电压互感器T1的输出负极的公共端，第五电阻R5的另一端连接第一滤波电容C1。

电流互感器T2的输入正极连接计量进线，电流互感器T2的输入端负极连接计量出线，电流互感器T2的输出正极连接第八电阻R8一端，第八电阻R8另一端与第九电阻R9串联，第九电阻R9另一端连接电流互感器T2的输出负极，第六电阻R6一端连接第八电阻R8和电流互感器T2的输出正极的公共端，第六电阻R6另一端连接第二滤波电容C2，第十电阻R10一端连接第九电阻R9和电流互感器T2的输出负极的公共端，第十电阻R10的另一端连接第二滤波电容C2，第七电阻R7的两端分别连接电流互感器T2输出的正负极。

in1和in2是计量进线，连接AC220V的火线零线；out1和out2是计量出线，连接负载为负载供电。保险丝F1提供过流保护。第一电阻R1为限流电阻，阻值110kΩ，通过第一电阻R1把AC220V电压转换成AC2mA左右的电流。电压互感器T1为1:1的电流型电压互感器，输出为2mA电流。通过取样第三、第四电阻R3、R4得到相应采样电压作为计量芯片CS5463电压通道的差分输入。第二、第五电阻R2、R5阻值为470Ω，起到限制电流，保护输入引脚，第二、第五电阻R2、R5与第一滤波电容C1组成低通回路，过滤输入信号的高频谐波。

电流互感器T2变比为2000:1，把负载电流变成小电流，通过第八电阻R8、第九电阻R9得到相应采样电压作为计量芯片CS5463电流通道的差分输入。

第六、第七电阻R6、R7限制电流，保护输入引脚，第六、第七电阻R6、R7与第二滤波电容C2组成低通回路，过滤输入信号的高频谐波。

如图4所示，电能计量电路包括芯片CS5463，芯片CS5463由DC5V供电，芯片CS5463的管脚AGND、DGND共地，时钟晶振4.096MHz，CS5463芯片电压通道引脚VIN±两端输入电压信号，即可在内部计算得到各个电气参数数据。电流通道引脚IIN±两端输入电流信号，管脚VA+、VD+接DC5V，芯片CS5463计量了负载用电信息后通过通过三线串行接口(SPI)向数据处理电路进行数据传输。

如图5所示，数据处理电路包括芯片ATMEGA16L，芯片ATMEGA16L的VCC、AVCC管脚分别接DC5V电源，GND、AREF管脚接地，SS、MOSI、MISO、SCK管脚分别接芯片CS5463的CS、SDI、SDO、SCLK管脚，芯片ATMEGA16L驱动4401BS共阳数码管显示屏显示电能信息，并通过串口向通信模块传输电能数据。芯片CS5463计量了负载用电信息后，通过SPI串口传输到单片机ATMEGA16L，由ATMEGA16L完成驱动数码管显示屏、向通信模块传输数据信息。ATMEGA16L具有USART和SPI两种串行接口，同时具有32个通用I/O口，适合本电路的开发。ATMEGA16L的管脚VCC、AVCC分别接DC5V电源，管脚GND、AREF接地，管脚SS、MOSI、MISO、SCK分别接芯片CS5463的管脚CS、SDI、SDO、SCLK，芯片ATMEGA16L接收CS5463传输的采集到的用电信息。芯片ATMEGA16L的管脚PA0～PA7和PB0～PB3作为输出管脚驱动4401BS共阳数码管显示屏显示电能信息。

本实施例最大限度地减小整个模块的体积，满足智能家居系统对于便捷性、美观性的要求，通过芯片CS5463得到高精度的电能信息，由芯片ATMEGA16L接收电能信息后，驱动数码管显示屏显示电能信息，同时通过串口传输给通信模块，再传输到上位机。通过这样的方式，智能家庭系统中每个电器所连接的电能采集模块都能显示电器实时电能信息，同时上位机能获取所有电器的实时电能信息进行优化和处理。

Claims (8)

1.用于智能家居的电能采集模块，包括供电电源电路、电压电流检测电路、电能计量电路和数据处理电路，供电电源电路为电能计量电路、数据处理电路的芯片供电，电压电流检测电路将被测电压、电流转换成芯片输入范围的信号作为电能计量电路中计量芯片的输入，其特征是：电能计量电路接收电压、电流数字信号，计算功率、电压、电流，通过串口输出数据，数据处理电路接收电能计量电路输出的电能信号，作后续处理工作并通过串口输出电能信号到通信模块，供电电源电路为两级电路，包括第一级电路和第二级电路，第一级电路输入电压为220V交流电，由电器供电电源而来，输出电压为5V；第二级电路输入电压为第一级输出的5V直流电压，输出电压为3.3V直流电压；供电电源电路包括由四个二极管组成的全桥整流电路、三端稳压IC、稳压芯片，全桥整流电路正极输出接三端稳压IC的Vin管脚，220V电源经过四个二极管组成的全桥整流电路得到12V的波动的直流电压，12V的波动的直流电压输入三端稳压IC，通过三端稳压IC得到稳定的DC5V电压，DC5V电压作为稳压芯片的输入，得到稳定的DC3.3V电压；

电压电流检测电路包括电压互感器、第一电阻、第一滤波电容、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、电流互感器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻，第二滤波电容；

电压互感器的输入端连接计量进线，电压互感器的正极端与计量进线的正极之间串联第一电阻，电压互感器、电流互感器的输入正极与计量进线的正极之间串联保险丝；

电压互感器的输出正极端连接第三电阻一端，第三电阻另一端与第四电阻串联，第四电阻另一端连接电压互感器的输出负极，第二电阻一端连接第三电阻和电压互感器的输出正极的公共端，第二电阻另一端连接第一滤波电容，第五电阻一端连接第四电阻和电压互感器的输出负极的公共端，第五电阻的另一端连接第一滤波电容；

电流互感器的输入正极连接计量进线，电流互感器的输入端负极连接计量出线，电流互感器的输出正极连接第八电阻一端，第八电阻另一端与第九电阻串联，第九电阻另一端连接电流互感器的输出负极，第六电阻一端连接第八电阻和电流互感器的输出正极的公共端，第六电阻另一端连接第二滤波电容，第十电阻一端连接第九电阻和电流互感器的输出负极的公共端，第十电阻的另一端连接第二滤波电容，第七电阻的两端分别连接电流互感器输出的正负极。

2.根据权利要求1所述的用于智能家居的电能采集模块，其特征是：电能计量电路包括芯片CS5463，芯片CS5463由DC5V供电，芯片CS5463的管脚AGND、DGND共地，时钟晶振4.096MHz，CS5463芯片电压通道引脚VIN±两端输入电压信号，电流通道引脚IIN±两端输入电流信号，芯片CS5463计量了负载用电信息后通过三线串行接口(SPI)向数据处理电路进行数据传输。

3.根据权利要求1所述的用于智能家居的电能采集模块，其特征是：数据处理电路包括芯片ATMEGA16L，芯片ATMEGA16L的VCC、AVCC管脚分别接DC5V电源，GND、AREF管脚接地，SS、MOSI、MISO、SCK管脚分别接芯片CS5463的CS、SDI、SDO、SCLK管脚，芯片ATMEGA16L驱动4401BS共阳数码管显示屏显示电能信息，并通过串口向通信模块传输电能数据。

4.根据权利要求1所述的用于智能家居的电能采集模块，其特征是：所述三端稳压IC型号为LM7805。

5.根据权利要求1所述的用于智能家居的电能采集模块，其特征是：所述稳压芯片型号为AMS1117。

6.根据权利要求1所述的用于智能家居的电能采集模块，其特征是：所述电流互感器的变比为2000:1。

7.根据权利要求1所述的用于智能家居的电能采集模块，其特征是：所述第一电阻阻值为110kΩ。

8.根据权利要求1所述的用于智能家居的电能采集模块，其特征是：所述第二电阻、第五电阻为470Ω。