CN105092959A

CN105092959A - 一种智能功率表和功率测量系统

Info

Publication number: CN105092959A
Application number: CN201510530106.7A
Authority: CN
Inventors: 武鹏飞; 陈增鹏
Original assignee: Shenzhen Ku Zhai Science And Technology Ltd
Current assignee: Shenzhen Ku Zhai Science And Technology Ltd
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明涉及一种智能功率表和功率测量系统，所述智能功率表用于测量负载的用电信息，包括控制模块、电源模块和功率模块，其中，所述功率模块用于感测所述负载的用电参数并产生表征用电参数的脉冲信号，所述控制模块用于根据所述脉冲信号计算所述负载的用电信息并将该用电信息上传至外部服务器，所述电源模块用于为所述功率模块和控制模块提供电能。实施本发明可以提高功率测量精度，降低电路规模，并且可以使功率测量更加智能。

Description

一种智能功率表和功率测量系统

技术领域

本发明涉及用电器的有功功率测量领域，特别是涉及带智能控制的功率测量系统和方法。

背景技术

随着社会的发展和人们生活水平的提高以及节能环保意识的不断增强，人们迫切需要实时测量并控制用电器的电能消耗。普通的家用插座已经无法满足用户的需求，既无法实时测量功率，也无法远程控制能耗。因此，智能插座应运而生。现有的智能插座大多只能远程断开电网与用电器的电连接，而不能查看用电器当前的有功功率等用电信息，有的虽然能够查看用电信息，但采用的却是电压互感器、电流互感器等传统的功率计算器，导致了测量时误差较大、电路复杂等缺点，这也限制了智能插座的快速普及。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能、高精度并且结构简单的智能功率表。

本发明为解决现有智能插座功能单一、功率测量精度差等缺点，发明了一种智能功率表，用于测量负载的用电信息，所述智能功率表包括控制模块、电源模块和功率模块。其中，所述功率模块用于感测所述负载的用电参数并产生表征用电参数的脉冲信号。所述控制模块用于根据所述脉冲信号计算所述负载的用电信息并将所述用电信息上传至外部服务器。所述电源模块用于为所述功率模块和控制模块提供电能。

所述功率模块包括与负载串联的电流采样元件、与交流输入相连的电压采样电路和功率测量芯片，其中，所述功率测量芯片根据电流采样元件测得的第一反馈电压V1和电压采样电路测得的第二反馈电压V2输出频率为fosc的脉冲信号。

所述功率测量芯片输出的脉冲信号fosc与所述负载的有效功率FCF的计算公式为：FCF＝(V1*V2*48)/(VREF*VREF)*fosc/128，其中，VREF为预设常量。

进一步地，所述控制模块根据下列公式计算所述负载的有功功率FCF：Pref/Fref＝P/F，其中，Pref和Fref为预设常量，F为测得脉冲信号的频率。

进一步地，所述控制模块是WiFi模块；所述控制模块还用于对系统进行校准。

优选的，当所述功率测量模块输出的脉冲信号的周期大于等于100ms时，所述控制模块利用计时器测量所述脉冲信号的单个脉冲周期。

优选的，当所述脉冲信号的周期小于100ms时，所述控制模块在一个预定时间T内对所述脉冲信号进行计数获取预定时间T内的脉冲个数n。

优选的，所述智能功率表还包括电磁继电器，所述电磁继电器的受控端与所述负载串联，所述电磁继电器的控制端与所述控制模块相连。

本发明还提供一种功率测量系统，用于监测负载的用电参数，所述系统包括：

具有交互界面的用户端、云服务器和如前所述的智能功率表；其中，所述云服务器与所述用于接收来自智能功率表的所述用电参数并将所述用电参数转发至所述用户端；所述用户端接收并在该交互界面显示来自所述云服务器的所述用电参数。

进一步地，所述用户端还用于接收用户指令向所述云服务器发送用于控制负载开关的指令，所述服务器向所述用户端转发所述指令，所述智能功率表响应于所述指令控制所述负载开启或断开；述智能功率表还用于向所述服务器发送负载状态，所述服务器向所述用户端转发所述负载状态，并且所述用户端还用于在用户界面显示所述负载状态。

本发明的有益效果是：实施本发明可以提高功率测量精度，降低电路规模，并且大幅提高了使用体验，方便了用户的操作。

附图说明：

图1为本发明智能功率表一种实施例的结构示意图；

图2为图1中功率模块的一种实施例的电路示意图；

图3为本发明测量功率的脉冲周期的一种实施例流程图；

图4为本发明智能功率表程序设计一种实施例的流程图；

图5为本发明校正功率程序设计一种实施例的流程图；

图6为本发明交互过程的一种实施例结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的功率测量系统包括智能功率表100、云服务器200和用户端300。其中，智能功率表100、云服务器200和用户端300通过互联网相连。负载400可以是使用交流市电的家用电器，例如为冰箱、洗衣机、热水器等，可以插接在智能功率表100的插座上。智能功率表100可以通过插头插接在插线板等处以从市电网获取电能。智能功率表100用于监测负载400的一个或多个用电参数这些参数例如包括电压、电流，并根据监测得到的用电参数产生负载400的用电信息，例如有功功率、实测电压和实测电流。智能功率表100将获得的用电信息上传至云服务器200，云服务器200可以对这些用电信息进行存储、处理或者转发给用户端300。用户端300，例如为手机、个人电脑、平板电脑等终端，通过互联网接收并显示来自云服务器200的用电信息。

如图1所示，智能功率表100包括电源101、功率模块102和控制模块103。电源101用于将市电输入转换为直流并为功率模块102和控制模块103供电。电压101可以是各种交直流转换电路，包括降压电路、滤波电路和稳压电路，例如可以通过阻容降压电路搭配三端稳压管电路构造。功率模块102与负载400相连，用于监测负载400的用电参数，并产生代表用电参数的脉冲信号。控制模块103检测来自功率模块102的脉冲信号的频率并根据该频率计算负载400的用电信息，并将计算得到的用电信息通过互联网传输至云服务器200。控制模块103例如为WiFi模块、蓝牙模块、Zigbee模块或者手机通信模块等。

图2为图1中功率模块102的一种实施例的电路图。如图2所示，功率模块102包括与负载400串联的电流采样电阻R4、与交流输入相连的电压采样电路R和功率测量芯片IC1。其中，功率测量芯片IC1为深圳市合力为科技生产的HLW8012的功率测量芯片。HLW8012是单相电能计量芯片，可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值；SOP8封装，体积小，广泛应用于智能家电、节能插座，智能路灯、智能LED灯等应用场合。

在本实施例中，功率模块102包括AC电源输入端211、212，可以通过插座与市电网相连用于汲取AC电源，即交流电源。AC电源输入端211与负载400的一端相连，负载400的另一端分别于R3的一端和R4的一端相连，R3的另一端与滤波电容C1的一端相连，并作为电流信号输入V1P中，C1的另一端接地。同时，电阻R8-R12串联作为电压采样电路R，AC电源输入端211与电阻R8-R11串联，R11的另一端与分压电阻R12相连。R12的分压信号V2输入功率测量芯片IC1的V2P引脚中，R12的另一端与地相连。AC电源输入端212与R14的一端相连后接地，同时与R5的一端相连，R5的另一端与滤波电容C2相连，并作为电流信号输入功率测量芯片IC1的VIN引脚中，C2的另一端接地。可以看出R4作为电流感应元件感应流过负载400的电流并产生压降V1，V1输入功率测量芯片IC1的V1P和V1N引脚。

功率测量芯片IC1的21、22、23端口分别与控制模块200(图中未示出)相连。控制模块200例如为WiFi模块，通过设定SEL的值就可以控制HLW8012的CF1引脚输出指示电压的脉冲信号、还是输出指示电流的脉冲信号；通过测量CF、CF1引脚的信号就可以计算出负载400的有功功率、电流和电压等用电信息。

功率模块102还包括DC电源输入端24。DC电源输入端24与电源101的输出端VDD相连，给芯片供电。DC电压输入端24同时与滤波电容C3相连。滤波电容C3另一端与地GND相连后接地。

功率测量芯片IC1通过其引脚CF输出的脉冲信号的频率来指示负载400的有功功率的高低。功率越大，输出的脉冲信号的频率越大。WiFi模块只需要通过一个IO口就可以捕获到CF引脚的频率，相应的也就得到了功率。获得功率后，WiFi模块就能通过网络将功率值上传到服务器存起来，方便用户了解用电信息，进行相应的管理。

功率测量芯片IC1输出的脉冲信号fosc与负载400的有效功率FCF的换算公式为：FCF＝(V1*V2*48)/(VREF*VREF)*fosc/128；其中，VREF为预设常量。控制模块103根据下列公式计算所述负载的有功功率P：Pref/Fref＝P/F，其中，Pref和Fref为预设常量，F为测得脉冲信号的频率。

从上述方案中可以看出，测量到的功率的准确度跟WiFi模块捕获到的频率值有关，捕获到的频率是否准确直接影响到了有功功率的准确与否。功率测量芯片IC1输出的脉冲信号的软件测量频率方法有两种：

1：单周期测量方法：被测量脉冲周期大于100ms时，使用计时器测量脉冲信号的单个脉冲的周期；

2：计数脉冲测量方法：被测量脉冲周期小于100ms时，使用计数器在单位时间内计数脉冲个数。

这两种方法可以配置为WiFI模块的两种中断处理程序，通过不同的中断(单周期测量中断和计数脉冲测量中断)分别调用，也可以配置为不同子程序，由主程序分别调用。如果如果两种测量频率方法配置为中断处理程序，可以将CF引脚输出的脉冲信号作为中断源，利用脉冲信号的上升沿、下降沿或者高低电平触发中断。本发明还提供了根据脉冲的周期判断使用何种策略频率方法的处理流程。如图3所示，本发明的测量功率的脉冲周期的方法包括如下步骤：

步骤1：测量脉冲信号；

步骤2：启动定时器；

步骤3：记录100MS时间内的脉冲个数；

步骤4：判断脉冲个数是否大于2，如果是，进入步骤5，否则，进入步骤6；

步骤5：说明被测脉冲小于或等于100MS，采用计数脉冲测量方法；

步骤6：说明脉冲大于100MS，采用单周期测量方法。

使用不同的周期测量方法能够减少软件测量误差，如：在负载功率为3600W时，代表其有效功率的脉冲信号的频率约是870Hz，周期T＝1/870＝1.14ms，如果使用的是1ms定时器，则会有3600*(0.14/1.14)＝442W的误差，这样引起的误差较大。通过使用计数脉冲测量方法就可以避免产生这么大的误差。

在具体实施例中，功率测量需要通过对WiFi模块进行编程来实现，图4为本发明智能功率表程序设计一种实施例的流程图。如图4所示，智能功率表程序包括以下步骤：

步骤S01,初始化WiFi模块；

步骤S02，开中断；

步骤S03，进入主循环；

步骤S04，测量CF引脚输出的脉冲信号的脉冲周期和CF引脚输出的脉冲信号的脉冲个数；

步骤S05，是否是校正模式，如果是，进入步骤S06，否，进入步骤S07；

步骤S06，进入校正程序，进入步骤S08；

步骤S07，计算功率值，返回步骤S03，依次执行；

步骤S08，校正程序是否完成，如果是，进入步骤S09，否，进入步骤S010；

步骤S09，校正程序完成，返回步骤S03，依次执行；

步骤S10，继续执行校正程序。

从本发明的功率获取方案中可以看出，只要测量得到CF引脚输出的脉冲信号的脉冲个数，就能得到有功功率值。通过相似的方法，还可以得到CF1引脚输出的脉冲信号的脉冲个数，并计算出负载400的电流和电压等用电信息。

值得注意的是，之所以执行步骤S06是因为就算是同一种类的芯片，测量出来的结果可能不一样，为了排除这样误差，本发明还提供了一种校正方案。如图5所示，校正方案包括以下步骤：

步骤S01：初始化参数cal_Times(校正时间计数变量)和E_Plus_CNT(脉冲计数变量)；

步骤S02：判断是否进入CF中断(即计数脉冲测量中断)，是，执行步骤S03，否，执行步骤S04；

步骤S03：E_Plus_CNT++，即将E_Plus_CNT变量加一，执行步骤S04；

步骤S04：判断是否进入1ms中断(即单周期测量中断)，是，执行步骤S05，否则，执行步骤S06；

步骤S05：cal_Times++，即将cal_Times变量加一，然后执行步骤S06；

步骤S06：判断cal_Times是否等于3600(即校正时间3.6S)，是，执行步骤S07，否，返回步骤S02；

步骤S07：记录E_Plus_CNT当前值，得到脉冲数量N；

步骤S08：记录当前脉冲信号的周期。

对于本发明的校正方案，其原理是：1度电＝1KWH＝1KW*3600S；1000W负载工作36S耗电0.01度，工作3.6S耗电0.001度；500W负载工作72S耗电0.01度，工作7.2S耗电0.001度。对功率为1000W的负载，将校正时间设定为3.6S，统计校正时间内脉冲信号的脉冲数量N，则每统计10*N个脉冲个数，就说明负载消耗0.01度电，以此作为功率校正值。可以利用功率校正值和脉冲数量N对控制模块103的预设常量进行校正。

智能功率表100还可以包括电磁继电器，电磁继电器的受控端与负载400串联，电磁继电器的控制端与控制模块103的输出端相连。控制模块103可以接收云服务器200的命令对电磁继电器进行控制。在一个具体实施例中，可以利用WiFi模块作为控制模块103，利用WiFi模块的输出引脚与电磁继电器的控制端相连。这样，WiFi模块就能够通过输出引脚控制负载400的工作状态。

本发明提供的智能功率表在1000:1范围内可达到±0.3％的精度，比电压互感器、电流互感器等传统的功率计算器有较大提升。并且，本发明的智能功率表由于采用了集成功率测量芯片，电路规模大为减小。

在具体实施中，为了实现对负载400进行远程管理，本发明设计了远程控制方案，如：图6所示，本方案包含三个交互过程。

过程1：智能功率表100将测量得到的功率值上传到云服务器200，云服务器200将功率值发送给客户端300，客户端300接收到功率值后将其显示在安装于客户端的APP(APPLICATION，应用软件)的UI(UserInterface，交互界面)上。

过程2：APP接受用户操作(例如触动开关，按键等)将开关指令上传到云服务器，云服务器将指令发送给智能功率表100，智能功率表100接收到指令后执行相应的开关动作，由控制模块102对电磁继电器进行操作，控制负载400回路开启或断开。

过程3：智能功率表100将负载400状态更新到云服务器200，云服务器200将设备的状态发给APP，APP收到指令后更新负载400的状态。

通过这种配置，用户可以轻松地在远端使用用户端了解负载的有功功率等用电信息，并且可以使用户在远端控制负载的用电状态。

综上所述，实施本发明可以提高功率测量精度，降低电路规模，并且大幅提高了使用体验，方便了用户的操作。因而本发明有较显著的进步性。

以上具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种智能功率表，用于测量负载的用电信息，其特征在于，包括控制模块、电源模块和功率模块，其中，所述功率模块用于感测所述负载的用电参数并产生表征用电参数的脉冲信号，所述控制模块用于根据所述脉冲信号计算所述负载的用电信息并将该用电信息上传至外部服务器，所述电源模块用于为所述功率模块和控制模块提供电能。

2.根据权利要求1所述的智能功率表，其特征在于，所述功率模块包括与负载串联的电流采样元件、与交流输入相连的电压采样电路和功率测量芯片，其中，所述功率测量芯片根据电流采样元件测得的第一反馈电压V1和电压采样电路测得的第二反馈电压V2输出频率为fosc的脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的智能功率表，其特征在于，所述功率测量芯片输出的脉冲信号fosc与所述负载的有效功率FCF的计算公式为：

FCF＝(V1*V2*48)/(VREF*VREF)*fosc/128，其中，VREF为预设常量。

4.根据权利要求2所述的智能功率表，其特征在于，所述控制模块根据下列公式计算所述负载的有功功率FCF：Pref/Fref＝P/F，其中，Pref和Fref为预设常量，F为测得脉冲信号的频率。

5.根据权利要求1所述的智能功率表，其特征在于，所述控制模块是WiFi模块；所述控制模块还用于对系统进行校准。

6.根据权利要求2所述的智能功率表，其特征在于，当所述功率测量模块输出的脉冲信号的周期大于等于100ms时，所述控制模块利用计时器测量所述脉冲信号的单个脉冲周期。

7.根据权利要求2所述的智能功率表，其特征在于，当所述脉冲信号的周期小于100ms时，所述控制模块在一个预定时间T内对所述脉冲信号进行计数获取预定时间T内的脉冲个数n。

8.根据权利要求1所述的智能功率表，其特征在于，所述智能功率表还包括电磁继电器，所述电磁继电器的受控端与所述负载串联，所述电磁继电器的控制端与所述控制模块相连。

9.一种功率测量系统，用于监测负载的用电参数，其特征在于，所述系统包括：

具有交互界面的用户端、根据权利要求1-8任一项所述的智能功率表和云服务器；其中，所述云服务器与所述用于接收所述用电参数并将所述用电参数转发至所述用户端；所述用户端接收并在该交互界面显示来自所述云服务器的所述用电参数。

10.根据权利要求9所述的功率测量系统，其特征在于，所述用户端还用于接收用户指令向所述云服务器发送用于控制负载开关的指令，所述服务器向所述用户端转发所述指令，所述智能功率表响应于所述指令控制所述负载开启或断开；所述智能功率表还用于向所述服务器发送负载状态，所述服务器向所述用户端转发所述负载状态，并且所述用户端还用于在用户界面显示所述负载状态。