Mjerenje izmjeničnog napona mikrokontrolerom. Višenamjenski vatmetar s galvanskom izolacijom

Često je potrebno izmjeriti snagu određene električne opreme. Osim toga, ponekad je korisno znati istovremeno i struju opterećenja I i napon U, a ne samo snagu (nije bitno koju), već i ukupni P i aktivni S (često se brkaju i to nije uvijek razjašnjeno na koji se na ovaj ili onaj način misli). Također, u nizu specifičnih slučajeva, potrebno je znati faktor snage mreže jednak P/S (aka kosinus φ (phi) - fazni kut između napona i struje), jalovu snagu Q i sam φ.

Objašnjenje različitih električnih pojmova i dubokih teorijskih temelja je izvan opsega ovog članka; sve se to može pronaći u specijaliziranim izvorima, kao što su udžbenici o TOE (na primjer) i niz publikacija na Internetu.

Obični multimetar neće pomoći u rješavanju gore navedenih problema, jer... Mjerenjem, čak i istodobnim (sa 2 instrumenta), struje opterećenja i napona u mreži dobivamo samo S=UI, a svi ostali parametri ostaju nedostupni, jer Samo ti i ja nismo dovoljni da ih izračunamo.

Dostupna rješenja

Za rješavanje ovih problema postoje posebni uređaji - vatmetri i univerzalni volt-amper-fazometri, ali budući da Budući da se radi o posebnoj opremi, a ne o uređajima opće namjene, teško ih je pronaći, a ponekad i nisu jeftini. Osim toga, takvi uređaji ne prikazuju uvijek sve parametre odjednom. Na internetu postoje, na primjer, vrlo jednostavni i jeftini dizajni, ali oni su vrlo visoko specijalizirani (na primjer, mjere samo φ).

Kao jedan primjer korištenja AVR MK, Atmel objavljuje opis dizajna određenog brojila električne energije temeljenog na dostupnoj bazi elemenata -. Ali ovaj proizvod teško da je prikladan kao mjerni instrument, jer... pokazuje samo utrošenu snagu na elektromehaničkom brojilu s kotačićima s brojevima (slično kućanskim brojilima).

Autor članka uspio je pronaći prilično univerzalni uređaj na Internetu -. Ovo je vatmetar izgrađen na ATMega8 MCU, koji mjeri sve gore navedene parametre. No detaljna analiza otkrila je da uređaj ima mnogo nedostataka, od kojih su neki navedeni u tom članku. O tome se također detaljnije govori u nastavku.

Tvrtka nudi cijeli niz različitih električnih mjernih mikrosklopova (Energy-Meter IC), namijenjenih izgradnji električnih brojila i rješavanju drugih električnih mjernih problema. Nisu jako skupi, imaju detaljnu tehničku dokumentaciju i mnogo primjera njihove uporabe u kombinaciji s raznim mikrokontrolerima, ali, nažalost, ti mikro krugovi nisu svugdje i nisu uvijek dostupni (ponekad je lakše pronaći neku vrstu rashodovanih ili malo pokvarenih električno brojilo s nekim -mikrokrugom nego sam mikrokrug), što je za autora članka bio glavni razlog odbijanja njihove uporabe u predloženom uređaju.

U isto vrijeme, svi gore opisani zadaci prilično su teški za obične AVR mikrokontrolere, koji su mnogo pristupačniji i ponekad jeftiniji od mikro krugova iz AD. Štoviše, za stvaranje univerzalnog mjernog uređaja još uvijek ne možete bez MK i drugih komponenti.

Metode mjerenja promjenjivog napona/struje, snage i frekvencije

Prije razmatranja dizajna samog uređaja, potrebno je zadržati se na nekim teorijskim aspektima mjerenja promjenjivog napona, struje i drugih parametara električne mreže.
Odmah napomenimo da ćemo mjeriti srednje kvadratne vrijednosti napona i struje, jer one najbliže odgovaraju uobičajenim efektivnim vrijednostima - .

Svaki signal mora se normalizirati prije mjerenja - tj. dovesti u dopušteno područje i ostale parametre korištene mjerne jedinice. U našem krugu, mjerna jedinica je ADC integriran u AVR MK, sposoban mjeriti napon u rasponu od 0-5V. Primjena drugih napona na njega (negativnog ili većeg od 5V) dovest će do kvara, u najboljem slučaju, samo ADC-a, au najgorem slučaju, cijelog MK-a.

Mjerenje izmjeničnog mrežnog napona sastoji se od 2 točke:

1. "Negdje staviti" negativni poluval sinusnog vala, jer ne spada u ADC raspon.
2. Provjerite da maksimalna (amplituda) vrijednost pozitivnog poluvala ne prelazi 5V.

U najjednostavnijem slučaju obje točke su riješene serijski spojenom diodom i djeliteljem napona (možete koristiti obične otpornike plus potenciometar s više okretaja za lakše podešavanje).
Pravilno spojena dioda ima ulogu poluvalnog ispravljača i odsijeca negativni poluval, sprječavajući ga da prođe u daljnji krug.

Razdjelnik smanjuje (skaluje) napon na traženi raspon. Koeficijent dijeljenja treba odabrati ne na temelju standardnih 220V, već barem na 260V, jer Napon u mreži je izuzetno rijetko 220V, često varira unutar određenih granica i, osim toga, često postoje kratkotrajni "naponi" (visoki napon) i "padovi" (niski napon).

Ovaj sklop je jednostavan, jeftin, pouzdan i ima dovoljnu točnost, zbog čega se velika većina AC voltmetara, digitalnih i analognih, temelji na njemu. Na ovom principu radi i uređaj.

Da bi se dobio stvarni napon, potrebno je izmjereni napon na ulazu ADC-a pomnožiti s faktorom dijeljenja razdjelnika i s 2, kako bi se "kompenzirao" negativni poluval koji dioda prekida.
Nedostaci ovog pristupa su sljedeći:

1. Samo idealna dioda prekida negativni poluvalni napon na nultoj razini. Prave diode otvaraju se malo kasnije, na naponu +0,4..+1V. Oni. uvijek gubimo dio pozitivnog poluvala.
2. Množenje s 2 pri izračunavanju stvarnog efektivnog napona vrijedi samo za pravu sinusoidu, tj. kada je negativni poluval apsolutno simetričan pozitivnom poluvalu istog perioda. U stvarnim elektroenergetskim mrežama, u prisutnosti puno smetnji, reaktivnih opterećenja i drugih čimbenika, možemo reći da su polovice sinusoide općenito asimetrične. Stoga množenje s 2 nosi dodatnu pogrešku, koja se ne može pouzdano procijeniti (i uzeti u obzir).

Međutim, u uvjetima konstantne promjene amplitude i efektivne vrijednosti napona, te se pogreške mogu zanemariti.

Postoji još jedan način mjerenja napona - "uklopiti" cijeli sinusni val u raspon 0..+5V. Da biste to učinili, morate ga "povisiti" za pola ADC raspona (tj. +2,5 V) i podesiti razdjelnik tako da cijela sinusoida leži između 0 i +5 V.

U ovom slučaju, oba su nedostatka eliminirana - dioda nije potrebna i ADC mjeri oba poluvala napona sa svim njihovim "značajkama". U daljnjim izračunima također je potrebno nekako uzeti u obzir +2,5 V koji je dodao krug. Ali uz pomoć softvera mikrokontrolera (računalstva) to je vrlo lako učiniti.
Jedini vidljivi nedostatak ove metode je koeficijent dijeljenja. 2 puta više (budući da unosimo oba poluvala, a ne samo jedan), što povećava grešku mjerenja. Ali opet, u uvjetima stalnog mijenjanja napona u amplitudi i vrijednosti, to ne dovodi do primjetnih pogrešaka.

Postoje najmanje dva sklopna rješenja za ovu metodu - razdjelnici i kondenzatori, kao i središnja točka koja se koristi u krugu predloženog uređaja (isti +2,5 V) na op-ampu.
Ali razdjelnici ne osiguravaju galvansku izolaciju mjerene mreže i našeg uređaja. To stvara brojne neugodnosti.

Stoga se uređaj bez galvanske izolacije mora koristiti s velikim oprezom; sve komponente kruga moraju se pažljivo izolirati od okoline i moraju se poduzeti neke druge mjere opreza. Osim toga, ako rezultate mjerenja želimo negdje prenijeti, recimo na računalo, nećemo moći svoj uređaj spojiti izravno, na primjer, na COM port preko jednostavnog pretvarača tipa MAX232. Da biste to učinili, morat ćete odvojiti sve komunikacijske linije, na primjer, s optokaplerima itd.

Da biste prevladali ovaj nedostatak, možete postaviti obični silazni transformator ispred razdjelnika (kao u izvoru napajanja) i prvo podesiti koeficijent dijeljenja kako bi sinusoida odgovarala ADC rasponu. Upravo je to rješenje korišteno u predloženom uređaju.

U zaključku predstavljamo formulu za izračunavanje srednje kvadratne vrijednosti napona: , gdje je N broj mjerenja po razdoblju (učestalost uzorkovanja), u i su trenutna mjerenja napona. K – koeficijent koji uzima u obzir razdjelnik i transformator.
Mjerenja se mogu provoditi tijekom razdoblja i tijekom nekoliko razdoblja s naknadnim usrednjavanjem. Ako ne govorimo o izgradnji struktura poput osciloskopa, tada je poželjnije usrednjavanje, jer Obično su od interesa prosječne vrijednosti, a ne trenutne.

Mjerenje struje.
Nijedan ADC sam po sebi ne može mjeriti struju kao takvu. ADC mjeri samo napon. To znači da je potrebno pretvoriti struju u napon, izmjeriti taj napon i pretvoriti ga natrag u struju.
Najjednostavniji način pretvaranja struje u napon je shunt, u biti snažan otpornik niskog otpora Rsh. Protočna struja opterećenja In stvara pad napona Ush na otporniku, izravno proporcionalan vrijednosti In. Poznavajući otpor shunta, pomoću Ohmovog zakona možemo izračunati struju opterećenja: In=Ush/Rsh. Velika većina ampermetara, i kazaljki i digitalnih, temelji se na šantu.

Ova metoda je vrlo jednostavna, razumljiva i jeftina. Osim toga, takav čvor je potpuno linearan (jednakost In=Ush/Rsh se poštuje u cijelom rasponu pogonskih struja) i nema nikakve reaktivne komponente, jer otpornik je 100% aktivni element.
Ali, uz jednostavnost i nisku cijenu, sklopovi temeljeni na šantovima imaju brojne nedostatke:

Nedostaci 2, 3 i 4 su vrlo ozbiljni, mogu dovesti do vrlo katastrofalnih posljedica (oštećenje uređaja, strujni udar, itd.). Zbog toga svi široko korišteni ampermetri imaju znakove upozorenja sa značenjem "mjerite velike struje (10 A i više) ne dulje od 10-20 sekundi."
Dizajn se temelji na šantu, što znači da ima sva četiri nedostatka.

Drugi način mjerenja struje je korištenje strujnog transformatora (CT). Takav transformator je zavojnica kroz koju je provučeno nekoliko (1-3) zavoja žice, preko koje se napaja teret. U snažnim industrijskim CT-ovima, umjesto zavoja žice, koristi se debela metalna sabirnica (ploča). Načelo rada CT-a u biti je isto kao kod konvencionalnog transformatora - elektromagnetsko polje struje u vodiču primarnog namota (I1, struja opterećenja, In) inducira struju (I2) u sekundarnom namotu, proporcionalan In. To je I2=In*K, K – koeficijent prijenosa struje (njegove vrijednosti su standardizirane – 1:500, 1:1000 itd.). Zatim se ova struja pretvara shuntom Rb u napon, koji se već može izmjeriti konvencionalnim voltmetrom (ili ADC) i pretvoriti u napon. Jer Struja sekundarnog namota uvijek je vrlo mala, tako da ovdje nisu potrebni vrlo snažni shuntovi i ne izgaraju zbog činjenice da rade s maksimalnom snagom.

Za CT-ove naznačene za struje do 25 A, snaga shunt otpornika je obično samo 0,125 W. I to običan, lako dostupan otpornik za široku upotrebu, a ne neki rijetki i oskudni specijalni dio.

Izračun struje opterećenja pri korištenju CT-a ima oblik: In=I2/K. I2=U2/(Rb+R2), gdje je U2 napon na shuntu Rb, R2 je otpor sekundarnog namota. Stoga In = U2/(K*(Rb+R2)). U biti isti Ohmov zakon.
Više o CT-ovima i principima njihova rada možete pročitati u specijaliziranim člancima, na primjer, u.

Glavne prednosti TT u odnosu na shunt:

1. Galvanska izolacija.
2. Mogućnost mjerenja velikih struja (npr. industrijskih 500A).
3. Prekinuti namot ne dovodi do pregorjevanja ostatka mjernog kruga.
4. CT ne unosi praktički nikakva izobličenja u izmjereni krug zbog činjenice da se primarni namot sastoji od nekoliko zavoja žice, a njegov induktivitet je izuzetno nizak. U snažnim industrijskim CT-ovima nema čak ni ovih nekoliko zavoja, postoji jednostavno jedna debela snažna žica provučena kroz namot ili sabirnicu.

Ali postoji niz nedostataka:

1. CT-ovi su puno skuplji od otpornika za usmjeravanje.
2. U nekim slučajevima, CT-ovi proizvode neki fazni pomak u izlaznoj struji u odnosu na ulaz.
3. Prekid shunta sekundarnog namota dovodi do njegovog izgaranja (u suštini oštećenja samog CT-a) i do izobličenja parametara mjerenog kruga.
4. U velikom rasponu struja, CT su nelinearni, tj. gornji K nije konstanta. To je izravna posljedica magnetske histereze jezgre transformatora. To se može kompenzirati dijeljenjem cijelog raspona izmjerenih struja na dijelove (podraspone) i korištenjem različitih K za svaki podraspon. Osim toga, postoje CT-ovi s jezgrama izrađenim od raznih specijalnih legura koje imaju nisku histerezu.

Ostale metode mjerenja struje i tipovi CT-a ovdje nisu razmatrani. Postoji mnogo recenzija i članaka o ovoj temi, na primjer,.

Predloženi uređaj koristi CT za osiguravanje galvanske izolacije od mjerene mreže.
Formula za izračunavanje efektivne vrijednosti struje gotovo je ista kao i za napon.

Mjerenje djelatne i jalove snage .
Iz TOE () je poznato da se aktivna snaga trošila izračunava kao integral umnoška trenutnog napona i struje kroz jedno frekvencijsko razdoblje: . U digitalnim mjernim uređajima integrali se ne izračunavaju, pa ova formula ima oblik: , gdje su u, i trenutne vrijednosti struje i napona izmjerene pomoću ADC-a, N je broj mjerenja struje i napona po razdoblju. Slično naponu i struji, aktivna snaga se može mjeriti kroz nekoliko razdoblja i prema tome prilagoditi N.
Ukupna (S), djelatna (P) i jalova (Q) snaga međusobno su povezane jednakošću. Stoga, znajući S i P, možete lako izračunati.

Mjerenje faktora snage mreže i faznog kuta.
Ova dva parametra su strogo nedvosmisleno međusobno povezana, jer faktor snage nije ništa više od kosinusa faznog kuta (φ) između napona i struje (vidi TOE). Stoga se bilo koji od njih može izmjeriti, a drugi se izračunava pomoću jednostavne trigonometrije.

Prva metoda (možda najočitija i najjednostavnija) je detektirati vrijeme između početka perioda sinusoide napona i početka sinusoide struje, ponovno ga izračunati u φ i zatim odrediti kosinus. Ovako radi algoritam za određivanje kuta.

Međutim, ima jedan vrlo ozbiljan nedostatak - ova metoda očito radi samo na idealnim i "čistim" sinusoidima, bez smetnji, koje su iznimno rijetke u stvarnom životu. Naime, elektroenergetske mreže su pune raznih smetnji, smetnji i drugih "artefakata", zbog kojih je teško točno odrediti "pravi" početak razdoblja.

Stoga, ako, recimo, u stanu ova metoda daje potpuno normalan rezultat, tada u nekoj tvornici s puno alatnih strojeva, strojeva za zavarivanje i druge moćne energetske opreme može doći do čiste besmislice (na primjer, konstantno mijenjanje vrijednosti kuta ). Čak i na "bezopasnim" opterećenjima, ponekad se mogu primijetiti jaka izobličenja, na primjer, strujni sinusoidi. Autor, primjerice, ima zvučnike Sven BF-11R, oblik struje kroz koji više podsjeća na nekakvu osakaćenu pilu s višestupanjskim piramidalnim poluvalovima nego na sinusni val. Iako, pošteno govoreći, treba napomenuti da autor nije proveo veliko istraživanje o ovoj temi zbog nedostatka tehničkih mogućnosti.

Druga metoda slijedi iz relacije . To jest, znajući napon, struju i aktivnu snagu, lako možete odrediti faktor snage. Unaprijediti, . Prema autoru, ova metoda je najpouzdanija. To je ono što se koristi u predloženom uređaju.

Jasno je da sve tri potencije, kut i kosinus treba izračunati samo kada je U<>0 i ja<>0. Inače se mogu jednostavno vratiti na nulu bez ikakvih izračuna.

Dijagram uređaja, detalji

Dijagram električnog kruga vatmetra prikazan je na sl. 1.

Riža. 1. Dijagram električnog kruga

Strujni krug uređaja sastoji se od 2 dijela - analognog (lijevo od DIP sklopke SW1) i digitalnog (desno).

Analogni dio sastoji se od mjernih transformatora za napon (T1), struju (T2) i čvorišta za pristajanje.
Otpornik R2 je potenciometar za fino podešavanje napona koji se dovodi u ADC.
T2 je strujni transformator Talema AC1025 napunjen na otpornik R1 od 100 Ohma snage 0,125 W. Ove parametre otpornika preporučuje proizvođač transformatora. Osim toga, prema istraživanju autora, takav otpornik osigurava najbolju linearnost korištenog CT-a. Primarni namot je 2 zavoja obične jednožilne žice s poprečnim presjekom od 1-1,5 mm, što je sasvim dovoljno za kućna opterećenja snage do 2 kW i struje do 10A. Debljina ove žice ne utječe na karakteristike i konfiguraciju kruga.

Čvor R3, C1, C3, DA1.1 – oblikovalnik srednje točke za "podizanje" sinusoida na polovicu ADC raspona. Op pojačalo DA1 – u osnovi bilo koje. Autor je koristio i LM358 i rail-to-rail MCP601. Što se tiče pinouta kućišta (bar DIP) oni su identični.

Razdjelnik R4, R5, R6 – lanac za mjerenje velikih (od 4-5A) struja.
Diodni parovi VD1-VD2, VD3-VD4, VD5-VD6 i R7 klasična su zaštita ADC ulaza od prenapona (točnije od izlaska sinusoide izvan granica od 0..+5V). VD1-VD4 – po mogućnosti Schottky. Također možete koristiti "specijalizirane" sklopove dioda poput BAV199 (1 sklop sadrži 1 par dioda) ili slično.
Svi potenciometri (R2, R3 i R5) su po mogućnosti višestruki. Oni će vam omogućiti da izvršite najprecizniju prilagodbu čvorova kruga.

Sklop ne sadrži nikakve filtre na ulazima ADC-a zbog činjenice da su korišteni transformatori dizajnirani za rad sa strujama frekvencije 50/60 Hz i slabo prenose visokofrekventne signale. No detaljna istraživanja autor nije proveo zbog nedostatka potrebne opreme (generatori različitih frekvencija, itd.).

Za mjerenje struje predviđena su 2 kanala - slaba struja (T2-R7-ADC2) i jaka struja (T2-R4-R5-R6-ADC3). Ova odluka je zbog činjenice da velika opterećenja (4-5A i više) dovode do pojave na izlazu CT-a napona većeg od 4,5-5V u amplitudi. Vrhove poluvalova takvog napona odsjeći će diodni par VD3, VD4, što znači da je praktički nemoguće izmjeriti struju iznad navedenih vrijednosti. Firmware kontrolera automatski odabire koji će od dva signala koristiti.

Digitalni dio sklopovi - AtMega16 mikrokontroler, standardni alfanumerički LCD zaslon tip HD44780 i drugi elementi. Spojni krugovi su standardni za ove komponente. Prilikom spajanja zaslona vodite se dokumentacijom za određeni model, jer Postoje različiti pinouts (pinouts). Autor zna za 2. Dijagram prikazuje najčešći.
Jedini uvjet za zaslon je da mora biti rusificiran, jer Sve poruke se izdaju na ruskom jeziku.

Otpornik R8 je običan (ne višestruki), koji se koristi za postavljanje željene razine kontrasta slike na LCD-u.
R9 i SB5 – pozadinsko osvjetljenje. Denominacija R9 nije naznačena, jer Različiti LCD modeli imaju različitu struju pozadinskog osvjetljenja. Može se izračunati korištenjem Ohmovog zakona koristeći trenutnu vrijednost pozadinskog osvjetljenja za određeni zaslon. Ako zaslon nije osvijetljen, R9 i SB5 uopće nisu potrebni.

R11, VD6 - indikator "napajanje".
Nisu potrebne posebne postavke za digitalni dio. S dijelovima koji se mogu servisirati, ispravnom instalacijom i programiranim upravljačem, strujni krug počinje raditi odmah nakon uključivanja struje.

Sam MK može biti modifikacije AtMega 16/16A. Modifikacija sa slovom L ne može se koristiti - obično ne radi na frekvenciji od 16 MHz. Pitanja overclockinga poput "kako natjerati AVR-ove sa slovom L da rade na frekvenciji od 16 MHz" ovdje se ne razmatraju. Možete koristiti druge - Mega32, 64, 128, ali za njih ćete morati ponovno kompajlirati firmware u skladu s tim.

Prilikom programiranja (firmware), osim učitavanja datoteke wattmetr.hex na kontroler, potrebno je i:
1. postavite način rada kvarcnog rezonatora (CKSEL3..0=1111)
2. postavite CKOPT=0 (obavezno, jer je kvarc 16MHz)
3. postaviti JTAGEN=1. Ako se to ne učini, tada LCD neće raditi ispravno, jer se JTAG kontroler (4 najznačajnija PC bita) ne može isključiti softverom.
4. flash EEPROM s informacijama o početnoj konfiguraciji (datoteka wattmetr.eep).

Autor je za programiranje koristio zasebni programator PonyProg s LPT sučeljem. Autorski dizajn koristi kontroler u DIP kućištu i konektor za njega, tako da na dijagramu i na tiskanoj ploči nema konektora za spajanje ISP programatora, već nožice PB5-PB7 (na njih je spojen programator) su namjerno ostavljeni slobodni.

Svi gumbi nisu fiksni. Njihov dizajn je bilo koji, ovisno o očekivanim radnim uvjetima. SB1-SB3 i VD5 koriste se samo pri postavljanju i kalibraciji uređaja, tako da se mogu postaviti izravno na ploču, SB4 i SB2 također se koriste za prebacivanje načina prikaza informacija na zaslonu, tako da je bolje prikazati izvana ili ga duplicirati radi lakše kalibracije (2 gumba spojena paralelno – na ploči i na kućištu). Za spajanje dupliciranih tipki, na ploči se izrađuju posebne slavine za konektore.
Svrha gumba i LED-a bit će opisana u nastavku u odjeljcima "Kalibracija" i "Rad".

Treba napomenuti da dijagram ne uključuje nikakav UART pretvarač razine (pinovi 14, 15 kontrolera). To je zbog činjenice da vrsta i sama prisutnost ili odsutnost takvog pretvarača uvelike ovisi o tome na što će se uređaj spojiti. Ako je COM port, onda je MAX232 čip, ako je USB, onda je nešto poput FT232BM, ako je na neki drugi kontroler, onda možda pretvarači uopće nisu potrebni itd.

Autorov dizajn uključuje povezivanje s drugim AVR mikrokontrolerom, tako da u njemu uopće nema pretvarača. Otpornik R12 je neophodan za održavanje visoke razine na Rx ulazu u nedostatku prijenosa (prema pravilima rada UART-a) ili kada se ovo sučelje uopće ne koristi.

Dijagrami sklapanja za MAX232, FT232 itd. nisu navedeni ovdje; mogu se naći u dokumentaciji za ove mikro krugove. Također možete koristiti USB kabele iz starih mobilnih telefona s izvornim UART sučeljem (kao što je PL2303). Ali prije toga, trebali biste provjeriti je li izlaz kabela log. TTL razine, ne RS232.
Za testiranje rada sučelja, autor je koristio MAX232 čvor sastavljen na drugoj ploči. Ova je jedinica bila povezana s uređajem pomoću standardnog audio kabela iz računalnog CD/DVD pogona.

Krug se napaja iz bilo kojeg 5V istosmjernog izvora. Na primjer, iz klasičnog napajanja na stabilizatoru s jednim čipom LM7805 - sl. 2. Također možete koristiti bilo koji drugi izvor napajanja koji daje 5V, bateriju, USB priključak računala, itd.

Riža. 2. Napajanje

Ako planirate napajati krug iz iste mreže na koju je priključeno izmjereno opterećenje (kao, na primjer, u svakodnevnom životu, u stanu), tada možete kombinirati transformatore T1 oba kruga. Oni. koristite jedan, s dva neovisna sekundarna namota. Dakle, u autorskom primjerku koristi se jedan transformator sa dva sekundara od po 15V.

Krug se može sastaviti na bilo koji prikladan način.

Članak je popraćen i crtežom tiskane pločice izrađene u poznatom programu. Uključuje korištenje dvostranog PCB-a i implementaciju malog broja vias (metaliziranih) rupa. Međutim, ako se čini nemogućim napraviti dvostrano ožičenje i metalizirane rupe (na primjer, kod kuće, koristeći), tada:
1. postavite na jednostrani PCB samo sloj M2, koji sadrži većinu svih staza;
2. umjesto metaliziranih otvora, možete napraviti obične;
3. Zamijenite sve tragove sloja M1 (zajedno s odgovarajućim viasovima) žicama premosnika. Vrlo je prikladno koristiti za ovo rezanje nogu radio komponenti, na primjer, otpornika i kondenzatora.

Također treba obratiti pozornost na sljedeće značajke:

• Mjerni transformatori T1 i T2 na ploči nisu razvedeni jer mogu biti različitih dizajna i dimenzija. Autorska kopija, na primjer, koristi drugi namot transformatora napajanja kao T1. Namoti transformatora spojeni su na ploču pomoću žica s konektorima.
• R1 (CT shunt) nije usmjeren na pločicu, trebao bi biti zalemljen izravno na CT pinove. Ovo smanjuje rizik od kvara šanta.
• Za spajanje LCD-a, ploča ima konektor, čiji redoslijed kontakata odgovara najčešćem rasporedu zaslona prikazanom na slici 1. Prilikom sastavljanja uređaja obavezno provjerite opis svog LCD primjerka jer u praksi postoje mnoge razlike - nestandardni redoslijed kontakata, njihov položaj na bočnoj strani ploče zaslona, ​​SMD kontakti itd.
• Na ploči se nalazi četverostruki DIP prekidač, jer... Nije uvijek moguće pronaći trostruki na prodaji. Ako je moguće koristiti trostruki, tada umjesto lijevog prekidača na ploči (krug 40. noge regulatora) trebate zalemiti žičanu premosnicu (ili položiti stazu u sloj M1 i napraviti 2 dodatne metalizirane rupe ).

Pažnja! Autor je sastavio i otklonio pogreške uređaja na matičnoj ploči, jer namijenjen je za korištenje kao dio drugog uređaja. Stoga je predloženi crtež samo teoretski i nije ispitan u praksi.
BP prema sl. 2 sastavljen je na gotovoj tvornički izrađenoj trafostanici. Njegov crtež je također priložen.

Postavljanje sheme

Pažnja! Prije postavljanja kruga, trebali biste otvoriti sve 3 DIP sklopke SW1 (ili ukloniti MK iz kruga). Ako se koristi četverostruki prekidač, tada se linija 40. kraka regulatora ne mora otvarati.
Općenito, poželjna je manipulacija DIP prekidačima, jer Postoje podaci da neki primjerci (ili modeli) LCD-a pregore ako se ne inicijaliziraju odmah nakon paljenja, iako autor nije naišao na takve. Ako se kontroler ukloni, tada ga neće imati tko inicijalizirati.

Postavljanje strujnog kruga svodi se na podešavanje potenciometara R2, R3 i R5 sljedećim redoslijedom:
1. Dok je opterećenje isključeno, upotrijebite R3 za postavljanje napona u točki A na +2,5 V u odnosu na masu kruga.
2. Primijenite napon na T1 i postavite izlaz R2 na 1V u odnosu na točku A. Ako imate osciloskop, provjerite sinusoidu na izlazu R2 tako da leži unutar +1..+4,5V (tj. nije odsječen diodama VD1-VD2). Ako imate laboratorijski autotransformator ili stabilizator s mogućnošću malog povećanja napona, tada možete primijeniti povećani napon na T1 ulaz (na primjer, 260-270V) i prilagoditi sinusni val prema njemu tako da postoji neki margina preko raspona ulaznog napona.
3. Spojite snažno opterećenje (4-5A - na primjer, glačalo od 1 kW) i pomoću R5 postavite napon na izlazu razdjelnika na približno 5 puta manji nego na njegovom ulazu. Ako koristite obični voltmetar, onda u odnosu na točku A. Ako imate osciloskop, provjerite da sinusoida iz izlaza razdjelnika nije odsječena diodama.

Mjerenja uvijek vršite osciloskopom u odnosu na tlo.
Ako je sinusni val negdje odsječen, očitanja uređaja bit će netočna.
Nakon konfiguracije vraćamo vezu između analognog dijela kruga i MK (uključite sve DIP sklopke).
Kalibracija instrumenta je opisana u nastavku.

Firmware

Mikrokod kontrolera napisan je u jeziku C pomoću CvAVR prevoditelja.
Konstantno ispituje ADC kanale, preračunava napon na svojim ulazima u stvarne izmjerene vrijednosti i prikazuje dobivene vrijednosti na zaslonu.

Svaki mjerni ciklus traje 0,5 sekundi, nakon čega se podaci obrađuju (izračunavaju izmjereni parametri) i prikazuju. Svako mjerenje uključuje mjerenje napona na ulazima ADC1-ADC3 i izračunavanje preliminarnih vrijednosti, na temelju kojih se izračunavaju potrebni napon, struja itd. Ovaj pristup je detaljnije opisan u nastavku.

Mjerenja se provode pomoću TC0 prekida timera s frekvencijom od 5 kHz.
Oni. 100 puta po razdoblju (20 ms), u prekidu timera, mjerenja se izvode sa sva 3 ADC kanala (ADC1-ADC3). Nakon 0,5 sekundi, mjerač vremena se isključuje i izračuni se provode. Napon srednje točke (ADC0) mjeri se svaki put prije pokretanja mjerača vremena. To vam omogućuje smanjenje utjecaja slučajnih valova napona srednje točke na očitanja uređaja.

Sada pogledajmo metode za mjerenje fizičkih veličina implementirane u mikrokod kontrolera.
Gore su navedeni teorijski pristupi mjerenju različitih električnih veličina, ali ovdje je potrebno razmotriti praktične razlike od teorije i značajke provedbe ovih mjerenja.
Vrlo je teško implementirati sve formule dane u teoretskom uvodu izravno u mikrokontroler, ako ne reći da je to uopće nemoguće.

Činjenica je da svi oni uvijek impliciraju da su sve veličine uključene u njih (na primjer, trenutni napon i struja) stvarni (pokretni zarez, ako govorimo u programskom jeziku) brojevi. Ali u mikrokontrolerima općenito, a posebno u AVR-u, ne postoji aritmetički koprocesor koji je sposoban zbrajati ili množiti dva takva broja čak iu 10 ciklusa takta. Takve radnje provode se putem softverske emulacije, koja radi vrlo sporo. Da ne spominjemo dugotrajne, iterativne algoritme za vađenje kvadratnog korijena i izračunavanje trigonometrijske funkcije arccos (arkkosinus) koja se koristi za izračunavanje φ.

Drugim riječima, implementirate li takve radnje u rukovatelja prekida koji se poziva čak i jednom svake milisekunde, tada takav rukovatelj neće moći završiti unutar 1 ms, što će u najboljem slučaju dovesti do užasnih "kočnica", a većina vjerojatno do potpunog zamrzavanja kontrolera. I jedno i drugo zapravo znači potpunu neoperativnost uređaja.

Možete koristiti druge metode za njihovo izračunavanje, kao što su tablični algoritmi (za kvadratni korijen i arc kosinus) i manipulacija "skaliranim" vrijednostima (na primjer, struja se ne može izračunati u frakcijskim amperima, već u cijelim miliamperima - 1,253 A = 1253 mA), itd. Ali oni imaju mnogo vlastitih nedostataka - programski kod je "napuhan" nepotrebnim operacijama, čineći već prilično složene algoritme zbunjujućim i nejasnim. Osim toga, to povećava potrošnju memorije (i RAM-a i Flasha), što ponekad jako nedostaje u MK-u. Točnost takvih izračuna također često trpi.
U isto vrijeme, jednostavne matematičke transformacije teorijskih formula omogućuju vam potpuno izbjegavanje svih ovih problema uz zadržavanje mogućnosti korištenja pomičnog zareza te funkcija sqrt i arccos iz standardne C biblioteke.

Razmotrimo ovu metodu na primjeru izračuna napona.
U teoretskom dijelu članka data je formula (1), gdje je u i trenutna vrijednost napona, koja se pak izračunava kao u=K*u adc (2), gdje je u adc napon na ADC ulaz, K je konstanta uzimajući u obzir opći omjer dijeljenja transformatora T1 i razdjelnika R2. Prema dokumentaciji o MK (3). Zamjenom (3) u (2), a zatim u (1), dobivamo gdje je ADC i vrijednost očitana iz ADC registra podataka nakon završetka mjerenja. A ovo je čisto cjelobrojna vrijednost, pa čak i bez predznaka.
Slijedi da su kvadriranje (u suštini množenje) i zbrajanje (koje se mora provesti u tijelu TC0 rukovatelja prekidom tajmera) cjelobrojne operacije s kojima se MK (ne zaboravimo da sadrži hardverski cjelobrojni množitelj) može lako nositi u 1 -2 mjere. A imajući pri ruci cjelobrojni zbroj kvadrata trenutnih uzoraka ADC-a za određeni broj frekvencijskih razdoblja i znajući njihov broj (N u gornjim formulama), možete zaustaviti mjerenja i izvršiti sve daljnje izračune korištenjem pomičnog zareza i funkcija standardnog matematičkog jezika Si.

Također, odmah nakon mjerenja svakog kanala, kod iz ADC0 kanala (srednja točka) oduzima se od očitanog ADC koda, čime se kompenzira porast sinusoide za 2,5 V.

Povezane tvrdnje vrijede i za struju (postoji samo drugačiji koeficijent K, uzimajući u obzir odnos između struje opterećenja i napona na shuntu R1) i za djelatnu snagu.

Za kosinus i druge količine nisu potrebne transformacije formula jer svi su izračunati izvan prekida timera na temelju napona, struje i aktivne snage koji su već dostupni.

Značajan nedostatak predloženog firmvera je gotovo potpuni nedostatak mehanizama za kompenzaciju nelinearnosti CT-a. Dva su razloga za to.

Prva i glavna stvar je da autor nema određenu ispitnu klupu za stvaranje različitih struja opterećenja kako bi konstruirao točan grafikon ovisnosti napona na izlazu CT-a o struji opterećenja. Kućanski aparati za to nisu prikladni, jer... ne dopuštaju ravnomjerno istraživanje cijelog niza struja. Grafikoni dani u DS za TT također nisu prikladni, jer premali su i pregrubi za ovu vrstu zadatka. DS za mnoge TT modele pati od ovog nedostatka.

Drugi je mogući nedostatak RAM memorije u korištenom MK za implementaciju takvog algoritma. Možda će biti potrebno zamijeniti ga drugim MK s većom količinom memorije, na primjer, AtMega32. Međutim, detaljna istraživanja u tom smjeru nisu provedena zbog prvog razloga.
Ovaj nedostatak je djelomično kompenziran prisutnošću 2 strujna mjerna kanala i kontroliranim pragom prebacivanja između njih, jer Svaki kanal koristi vlastiti kalibracijski faktor. Oni. Prihvatljiva očitanja mogu se postići za najčešće mjerena opterećenja.

Drugi nedostatak je što uređaj ponekad pokazuje negativnu aktivnu snagu P (što ne može biti, osim ako, naravno, ne priključite električni generator J). To se događa jer mjerenja nisu sinkronizirana s mrežom – tj. mjerenja moraju započeti na početku razdoblja, ali u predloženom krugu i mikrokodu postoji slična sinkronizacija.

Jer pogreška se odnosi samo na predznak snage, onda se taj nedostatak može djelomično "kompenzirati" korištenjem P modula, koji se postavlja u postavkama.

Kalibracija/podešavanje instrumenta

Jer Budući da je instrument mjerni uređaj, potrebno ga je kalibrirati prije uporabe.
Kalibracija se vrši pomoću tipki SB1-SB4. Ulazak u mod podešavanja/kalibracije i prebacivanje stupnjeva kalibracije vrši se tipkom SB1. U nekim slučajevima na zaslonu se može prikazati nekoliko vrijednosti, ali vrijednost promijenjena u svakoj fazi uvijek je ista, zatvorena je u uglastim zagradama "<", ">". Ostali su navedeni kao referenca i opće informacije.

Vrijednosti koje se mogu uređivati ​​mogu se mijenjati pomoću gumba SB2, SB3 - smanjenje/povećanje, respektivno. Sve vrijednosti (osim ako nije drugačije navedeno) trebaju biti navedene do najbliže stotinke. Način točnosti postavlja se tipkom SB4 i prikazuje LED VD5. Ako je VD5 uključen, korak promjene je 0,01 (povećana točnost), inače - 0,1.

Napredak kalibracije/podešavanja:

1. Primijenite strujni krug.
2. Pritisnite SB1. Uređaj će prijeći u način rada postavki, na zaslonu će se prikazati "Postavke", a zatim, nakon otprilike 1 sekunde, "U napajanje (podrška)". Ovdje trebate navesti napon napajanja kruga ili napon podrške (AREF krak regulatora).
3. Pritisnite SB1. Pojavit će se riječi "Voltmeter". Broj desno od njega je efektivni izmjenični napon na ulazu ADC1 (u odnosu na točku A), u 2. retku je faktor pretvorbe napona ADC1 u rezultirajući napon i editabilan, tzv. “željeni” napon – ono što želimo vidjeti na displeju. Ovdje trebate postaviti željeni napon (pomoću referentnog voltmetra). Faktor pretvorbe izračunava se automatski.

Zatim se oba kanala ampermetra kalibriraju na isti način, postavlja se prag za prebacivanje trenutnih mjernih kanala i način korištenja aktivne snage - kao što jest ili modulo Zatim možete spremiti postavke u EEPROM kontrolera ili vratiti zadane postavke (tzv. “tvorničke” postavke).
Trenutni kanali označeni su Lo (ADC2) i Hi (ADC3). Moraju se kalibrirati referentnim ampermetrom spojenim u seriju s opterećenjem.

Kanal velike struje (Hi) trebao bi biti kalibriran na opterećenju velike snage (1 kW ili veće). To je zbog činjenice da niske struje opterećenja daju nizak napon na CT izlazu, koji, budući da je također smanjeni razdjelnik R4-R6, može ići u područje buke i pogrešaka ADC-a. Kao rezultat toga, očitanja mogu su netočni.
Preklopni prag se postavlja u amperima s točnošću od desetinki. Pomoću ove vrijednosti regulator odabire koji će strujni kanal koristiti za prikaz na zaslonu i daljnje izračune S, P, Q, itd. Prag treba odabrati tako da regulator mjeri sinusoidu bez izobličenja diodama VD3, VD4. Prema istraživanju autora, vrijednost od 4A sasvim je prihvatljiva. To je obično nešto manje od trenutne potrošnje glačala od 1 kW. Za dijagnosticiranje rada praga, možete koristiti pin 19 (PD5) kontrolera. Dnevnik. Na njemu se formira 0 ako uređaj koristi Lo kanal, 1 – Hi. Ako želite, možete spojiti dijagnostičku LED diodu na ovu nogu.

Tvorničke postavke:
ADC podrška (napon napajanja) – 5V.
Faktor pretvorbe napona – 150.
Faktor pretvorbe za kanal slabe struje je 1,30.
Faktor pretvorbe za kanal velike struje je 6,50.
Prag za prebacivanje strujnih kanala je 4,00 A.
Profil prikaza – 1.
Način rada aktivne snage - "kakav jest".

Rukovanje uređajem

Predloženi uređaj je vrlo jednostavan za korištenje.
Odmah nakon uključivanja javlja se poruka dobrodošlice; nakon 1 sekunde uređaj ulazi u radno stanje i počinje prikazivati ​​izmjerene parametre na zaslonu. Očitanja se ažuriraju otprilike jednom u sekundi.
Uređaj ima dva tzv “profili prikaza” - skupovi simultano prikazanih parametara:

1. 1. red displeja – U, I, S; 2. – P, cos(φ),φ.
2. 1. - U, I, S; 2. – P, Q, φ.

Skup profila i njihov sastav su fiksni;
Za promjenu profila morate pritisnuti tipku SB4 i držati je dok se na zaslonu ne pojavi poruka “Profil promijenjen”. Nakon što se pojavi ova poruka, otpustite gumb.

“Tvorničke” postavke sadrže 1. aktivni profil. Možete zapamtiti trenutni profil tako da ga uređaj odmah koristi kada se uključi, pomoću tipke SB2. Tipku SB2 potrebno je držati dok se ne pojavi poruka “Profil spremljen”. Prilikom kalibracije uređaja, trenutni profil se ne mijenja, međutim, kada se postavke vraćaju na tvorničke postavke, profil 1 postaje trenutni.

Odabir profila ne sprema se automatski. Ovo se radi kako bi se uštedio EEPROM resurs.
Izbor profila ni na koji način ne utječe na sastav izlaznih informacija putem UART-a.

Također biste trebali obratiti pozornost na sljedeću značajku - CT s primarnim namotom je funkcionalno i strukturno sličan radio anteni. Uređaji za traženje skrivenih žica u zidovima i srodnim strukturama rade na ovom principu. U tom smislu, kada nema opterećenja, uređaj ponekad prikazuje "smeće" - neku vrstu struje i snage izazvane smetnjama. Te se smetnje ne pojavljuju na rezultatima mjerenja s priključenim opterećenjem.
Ne postoje sredstva za borbu protiv ove pojave.

Prema autoru, najradikalniji način da se to prevlada je ugradnja neke vrste mikroprekidača u utičnicu opterećenja i njegovo ispitivanje u mikrokodu. Ako je sklopka otvorena, opterećenje nije spojeno i mjerenja struje se ne vrše ili se zanemaruju (struja je prisiljena na nulu).

Sučelje za razmjenu podatakaUART

Predloženi uređaj ima mogućnost ispisivanja rezultata mjerenja putem standardnog UART serijskog sučelja. Da. možete ga koristiti kao dio složenijih uređaja ili ga spojiti na računalo za automatizirano prikupljanje informacija.
Parametri razmjene podataka – 38400, 8N1.
Protokol razmjene je vrlo jednostavan - jednobajtnom naredbom 0xAA kontroler proizvodi blok informacija veličine 15 bajtova u sljedećem formatu - tablici. 1.

Stol 1.

Treba napomenuti sljedeću značajku protokola - sve vrijednosti se prenose u obliku cijelog broja (struje u miliamperima, kosinus, koji je uvijek manji od 1, pomnožen sa 100). To se radi iz sljedećih razloga:
- cijeli brojevi zauzimaju manje prostora - 1 ili 2 bajta. Brojevi s pomičnim zarezom u korištenom dijalektu jezika C uvijek su 4 bajta. Osim toga, sve izlazne vrijednosti uklapaju se u format cijelog broja bez značajnog gubitka točnosti.
- jer Nije unaprijed poznato kakva će arhitektura računalnog sustava biti povezana s uređajem, tada bi se format plutajućih brojeva mogao pokazati potpuno drugačijim od onog koji se koristi u uređaju, što će uvesti dodatne poteškoće u dekodiranje bloka podataka.

Dvobajtni brojevi se prenose u formatu tzv. mali Indijanac – t.j. Niži bajt dolazi prvi, a zatim visoki bajt.
Tu su i značajke:
- nema mogućnosti kalibracije i očitavanja informacija o kalibraciji putem UART-a;
- u načinu rada kalibracije UART sučelje nije dostupno (MK ne reagira na njega). Gube se zahtjevi za podacima koji su poslani dok je kalibracija bila u tijeku;
- MK može slati informacije približno jednom u sekundi (nakon završetka mjerenja i izračuna svih izmjerenih vrijednosti), o čemu treba voditi računa pri izradi sustava za ispitivanje uređaja. Stoga ga ne smijete pretrpavati zahtjevima za podatke jer to može ometati rad mjernog modula.

Kako bi ilustrirao kako upravljati uređajem, autor je razvio Windows demo aplikaciju WinAppWattmeter.exe za PC. Napisan je u C# i radi u WinXP i novijim okruženjima. Također je potrebno imati .NET 2.0 platformu i jedan COM port (fizički ili virtualni USB) na koji treba spojiti uređaj. Izvori ove aplikacije kompajlirani su u VS.NET 2005 i novijim verzijama. Verzije VS Express i .NET Compact nisu testirane.

Tehničke karakteristike, prednosti i nedostaci uređaja

Prednosti:

1. Potpuna galvanska izolacija od mjerene mreže.
2. Mogućnost napajanja iz bilo kojeg izvora - napajanje, baterije, USB port računala itd.
3. Širok raspon postavki.
4. Dostupna baza elemenata.
5. Širok raspon mjernih veličina.
6. Mogućnost prijenosa rezultata mjerenja na druge računalne sustave (npr. na PC).

Mane:

1. Nelinearnost CT-a dovodi do pogrešaka u mjerenju struje u cijelom rasponu. To značajno otežava procjenu točnosti mjerenja (neki rasponi struje su izmjereni točno, ostali s pogreškama, i to različitim). Ovi rasponi jako ovise o koeficijentima podešenim u načinu rada za kalibraciju uređaja i stoga nisu fiksni. Na primjer, možete kalibrirati tako da na malim opterećenjima kao što su punjači za mobitele, lemilice ili žarulje za stan očitanja budu točna, ali na snažnijim opterećenjima (pegle, sušila za kosu, električni štednjaci, pećnice, mikrovalne pećnice, perilice rublja) ) će se mjeriti s pogreškama.
2. Sam TT može biti težak i skup dio za nabavu.
3. Kada nema opterećenja, uređaj ponekad pokazuje neku struju induciranu u primarnim namotima CT-a i, kao rezultat toga, neku snagu i druge parametre.

Detaljne tehničke karakteristike uređaja nisu navedene, jer Postoje prilično široke mogućnosti za njegovu konfiguraciju i prilagodbu.

Korišteni CT model potencijalno omogućuje mjerenje struja do 25A, no za potpuno korištenje tog raspona potrebno je modificirati ulazni (analogni) stupanj sklopa i mikrokod.
Raspon mjerenih napona također ovisi o korištenom transformatoru. Ako je normalno, "iz izvora napajanja", onda je to "standardni" raspon od oko 180-250 V, a ako uzmete neki posebno napravljen transformator, onda možete izmjeriti 380 volti.

Rasponi vrijednosti određeni tipovima podataka koji se koriste i algoritamskim značajkama mikrokoda – U=1..999v, I=1mA..65A, S/P/Q – svaki 1..999 odgovarajućih jedinica.
Trenutna potrošnja kruga je 28-30 mA bez uzimanja u obzir struje pozadinskog osvjetljenja zaslona. Ova struja je različita za različite LCD modele. Njegova tipična vrijednost je 100-120 mA.
Također, struja se može neznatno razlikovati od zadanih vrijednosti kada se koriste različiti LCD i op-amp modeli.

Fotografije

Za kraj nekoliko fotografija uređaja.

Jedinica za napajanje. Fizički postoji jedan transformator, s dva neovisna namota. Jedna služi samom napajanju, druga (2 žute žice s desne strane) - mjerenje T1.

Ploča za razvoj uređaja. Napomena (još jednom): ovo je prototip. Trafostanica nije proizvedena prema nacrtu Sprinta, jer Planirano je da uređaj radi kao dio drugog proizvoda, koji je još u razvoju. Stoga vas molimo da ne obraćate pozornost na dva bloka, drugi zaslon i LED diodu s lijeve strane. Nemaju nikakve veze s opisanim uređajem.

Lemilo 25W. Prikaz profila 2.

Bez opterećenja. Prikaz profila 2. Hvatamo smetnje i kvarove na CT namotu. Rezultat je "lijeva" struja od 68 mA sa svime što ona podrazumijeva.

Isto kao gore, ali bez smetnji. Prikaz profila 2.

Pegla 1kW. Profil prikaza 1. Negativna aktivna snaga J - mod "ispravak" je onemogućen. Svijetli druga LED dioda s lijeve strane - znak korištenja kanala velike struje (pin 19 (PD5) kontrolera). Postavljen prag – 4A

Popis isporučenog materijala

Wattmetr-Mega16-16MHz.zip – firmware kontrolera s izvorima. Također u arhivi postoji gotova datoteka mikrokoda wattmetr.hex i datoteka tvorničkih postavki (EEPROM) - wattmetr.eep.
WinAppWattmeter.zip – demo aplikacija s izvorima (.NET 2.0, C# pod VS.NET 2005+). Postoji i gotova exe datoteka (bez virusa).
Plata\*.* - crteži tiskanih pločica u .lay formatu (Sprint 5).

1. LA. Bessonov, Teorijske osnove elektrotehnike, ur. 9, u 2 sveska. Moskva, "Viša škola", 1996.
2. Elektronski fazometar - http://kazus.ru/shemes/showpage/0/104/1.html Aka - Radio br. 5, 1990., str
3. Atmel AVR465: Jednofazni mjerač snage/energije s detekcijom neovlaštenog otvaranja.
4. Digitalni vatmetar na MK - http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/23/
5. Strujni transformator - http://bsvi.ru/transformator-toka/
6. Moderni industrijski strujni senzori. "Moderna elektronika", listopad, 2004
7. Mjerenje efektivne vrijednosti napona - http://arv.radioliga.com/content/view/107/43/

Popis radioelemenata

Prelazimo na završni dio ciklusa pregleda senzora, u kojem ćemo pogledati istosmjerne i izmjenične strujne i naponske senzore. Za sve ostale senzore koji nisu uključeni u glavnu seriju, napravit ćemo dodatne recenzije kada iznenada budu potrebni u budućim člancima.
Ovaj članak otvara novu seriju materijala o mjerenju parametara kvalitete električne energije, koji će uključivati ​​pitanja povezivanja senzora struje i napona na mikrokontroler, razmatranje algoritama za rad analizatora kvalitete električne energije, značenje pojedinih pokazatelja kvalitete električne energije i što oni znače . Osim toga, dotaknut ćemo se teme koja zabrinjava mnoge o točnosti digitalizacije i obrade podataka, a koja je spomenuta u komentarima na prvi članak.

Strujni senzori

Mjerni shunt

Najjednostavniji i najtočniji način mjerenja struje. Kao što znate, kada struja teče kroz aktivni otpor, na njemu dolazi do pada napona, proporcionalnog izmjerenoj struji. Odlično, uzimamo otpornik i postavljamo ga u otvoreni krug mjerenog kruga:


Slika 10: Strujni šant senzora struje
Pad napona na šantu proporcionalan je propuštenoj struji:
(10)
Sukladno tome, ovisno o potrebnom naponu na izlazu senzora, odabiremo potrebni otpor shunta. Ali! Pad napona preko šanta dovest će do gubitaka i topline, tako da smo pri velikim strujama prisiljeni biti zadovoljni niskim vrijednostima ulaznog napona kako bismo ograničili gubitke. Ovi komercijalno proizvedeni tipovi daju standardni izlazni napon od 75 mV:

Slika 11: Strujni shunt tipa ShSM
Većina shunt mjernih glava kalibrirana je na 75 mV. Obratite pozornost na drugi par vijaka - oni su dizajnirani posebno za spajanje na mjerni uređaj kako bi se smanjili gubici.
Za mjerenje struje pomoću takvih shuntova potrebna je uporaba operacijskih pojačala. Istovremeno, prosječno pojačanje je 20-40, što je unutar mogućnosti široko korištenih operacijskih pojačala. U principu, to se može napraviti na temelju jednog bipolarnog tranzistora.
Dobijamo sljedeći dijagram:


Slika 12: Korištenje operacijskog pojačala kao pojačala
Treba uzeti u obzir da će kod mjerenja izmjenične struje izlazni signal biti bipolaran te se operacijsko pojačalo mora napajati iz bipolarnog izvora napajanja.
Za svaki slučaj, pogledajmo kako funkcionira naša shema:


Slika 13: Simulacija pojačala senzora struje
Primijenimo 75mV na ulaz, pomnožimo s 20, na izlazu imamo signal s amplitudom od 1,5V za struju od 10A. U sljedećem ćemo članku otkriti zašto je bipolarni signal loš.
Prednosti:

• visoka točnost;
• širok raspon napona i frekvencija;

Mane:

• nema galvanske izolacije;
• niska učinkovitost.

Instrumentalni strujni transformator

Mjerni strujni transformator je transformator čiji je primarni namot spojen na izvor struje, a sekundarni namot spojen je na mjerne instrumente ili zaštitne automate.
Strujni transformatori koriste se za mjerenje struja u strujnim krugovima velike struje, često s visokim potencijalom. Na primjer, htjeli smo izmjeriti struju u 10 kV mreži. Ili, želimo dobiti jednostavan i relativno jeftin način galvanskog odvajanja kruga mjerene struje našeg 220V uređaja. Glavni problem strujnih transformatora je taj što mogu mjeriti samo izmjenični napon.
Strujni transformator je uvijek opterećen. Ako je sekundarni namot strujnog transformatora otvoren, tada će se na njemu pojaviti potencijal od nekoliko tisuća kilovolti, što će ozlijediti osoblje i onesposobiti uređaj probijanjem njegove izolacije.
Transformatori dolaze s ugrađenim primarnim namotom. Na primjer:

Slika 14: Strujni transformator serije Coilcraft CS2106L
Ili ovi slonovi, koji imaju nešto poput primarnog namota u obliku ogromne sabirnice, ili čak prozor za prolaz žica kroz njega


Slika 15: Industrijski višeamperski strujni transformator
Glavni nedostatak strujnog transformatora je taj što radi samo na određenoj frekvenciji. Korak ulijevo, korak udesno - egzekucija. Za to je kriva metalna jezgra.
Ali ako ga maknemo, dobivamo zračni transformator, odnosno tzv. Svitak Rogowskog:

Slika 16: Dijagram spajanja zavojnice Rogowskog
Za razliku od drugih senzora koji zahtijevaju interakciju s mjerenim krugom, zavojnica Rogowskog može se postaviti na vrh žica mjerenog kruga poput remena.
Neki mjerni instrumenti opremljeni su sljedećim senzorima:


Slika 17: Senzor zavojnice Rogowskog
Raspon izmjerenih struja je od desetaka do tisuća ampera, ali oni pate od niske točnosti.
Prednosti:

• galvanska izolacija;
• rad s visokim strujama od tisuća ampera;

Mane:

• mjeri samo izmjeničnu struju u određenom frekvencijskom području (osim svitka Rogowskog);
• mijenja fazu signala i zahtijeva kompenzaciju

Senzori struje s Hallovim efektom

Senzori ovog tipa koriste učinak potencijalne razlike koja se javlja kada se vodič kroz koji teče struja stavi u magnetsko polje.

Slika 18: Hallov efekt
Prilikom izrade senzora uzimamo magnetski krug, prolazimo žicu kruga koji se mjeri kroz njega i postavljamo Hallov senzor u dio magnetskog kruga, dobivajući senzor struje otvorenog tipa:


Slika 19: Otvoreni Hallov senzor struje
Prednost takvog senzora je njegova jednostavnost. Nedostatak je prisutnost magnetizacije jezgre, čime se povećava nelinearnost očitanja.
Dodajmo namot jezgri i pustimo kroz njega struju proporcionalnu izmjerenoj struji:


Slika 20: Senzor struje s Hallovim efektom kompenzacije
Uz nultu pristranost jezgre povećavamo linearnost senzora i njegovu klasu točnosti. Međutim, u svom dizajnu, takav senzor je blizak strujnim transformatorima, pa se stoga njegov trošak značajno povećava.
Poput transformatora, postoje tipovi senzora koji vam omogućuju da kroz njih provučete strujnu žicu:


Slika 22: Hallov senzor struje
Postoje senzori s podijeljenom jezgrom - ali njihova cijena je jednostavno izvan tablica.
Senzore s integriranim strujnim krugom temeljenim na Hallovom efektu s galvanskim odvajanjem od 2,1 kV i 3 kV proizvodi Allegro. Zbog svoje male veličine ne pružaju visoku točnost, ali su kompaktni i jednostavni za korištenje.


Slika 23: Allegro ACS754 strujni senzor

• ACS712 senzor – mjerenje istosmjerne i izmjenične struje do 30A s točnošću od ± 1,5%
• ACS713 senzor – optimiziran za mjerenje istosmjerne struje do 30A. Ima dvostruko veću osjetljivost od svog univerzalnog pandana.
• ACS754 senzor – mjerenje istosmjerne i izmjenične struje do 200A s točnošću od ± 1,5%
• ACS755 senzor – optimiziran za mjerenje istosmjerne struje.
• Senzor ACS756 je senzor za mjerenje istosmjerne i izmjenične struje do 100A s naponom napajanja 3-5V.

Slika 24: Izlazni napon senzora u odnosu na struju
Prednosti:

• širok raspon izmjerenih struja s frekvencijama do 50-100 kHz i više;
• mjeri istosmjernu i izmjeničnu struju.
• galvanska izolacija

Mane:

• Skup

Dodatne poveznice:

Istosmjerni mjerni transformatori analogiu.ru/6/6-2-2.html
Rogowski svici www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/54046
Hall efekt na Wikipediji: ru.wikipedia.org/wiki/Hall_Effect
Hallovi senzori robocraft.ru/blog/electronics/594.html
Danilov A. Moderni industrijski senzori struje www.soel.ru/cms/f/?/311512.pdf
Dizajn sklopova na temelju analognog pojačala HCPL-7851 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2010_04_26.pdf

Zaključak

Postavio sam si zadatak napraviti pregled senzora koje zajednica najčešće koristi pri razvoju raznih uređaja. Većina senzora nije uključena u ciklus samo iz razloga što mi neće biti potrebni u skoroj budućnosti za moje materijale, ali neki od njih su u planu. Svakako ću napraviti zaseban materijal sa senzorima ubrzanja i kutne brzine, kompasom i primjerima, stoga pratite nove članke!

Jednostavan voltmetar izmjeničnog napona frekvencije 50 Hz izrađen je u obliku ugrađenog modula koji se može koristiti zasebno ili ugraditi u gotov uređaj.
Voltmetar je sastavljen na mikrokontroleru PIC16F676 i 3-znamenkastom indikatoru i ne sadrži mnogo dijelova.

Glavne karakteristike voltmetra:
Oblik mjerenog napona je sinusoidan
Maksimalna vrijednost izmjerenog napona je 250 V;
Frekvencija mjerenog napona - 40…60 Hz;
Rezolucija prikaza rezultata mjerenja je 1 V;
Napon napajanja voltmetra je 7…15 V.
Prosječna potrošnja struje - 20 mA
Dvije mogućnosti dizajna: sa i bez napajanja na brodu
Jednostrana PCB
Kompaktan dizajn
Prikaz izmjerenih vrijednosti na 3-cifrenom LED indikatoru

Principski prikaz voltmetra za mjerenje izmjeničnog napona

Otpornici R6 i R7 stvaraju napon od 2,5 volta (pola snage) na ulazu ADC-a. Kondenzator C5, relativno malog kapaciteta, zaobilazi ADC ulaz i pomaže smanjiti pogreške mjerenja. Mikrokontroler organizira rad indikatora u dinamičkom načinu rada na temelju prekida od mjerača vremena.

--
Hvala na pozornosti!
Igor Kotov, glavni urednik časopisa Datagor

Dobro! Gratis je gotov. Ako želite datoteke i korisne članke, pomozite mi!

ADC - Analogno-digitalni pretvarač. Iz naziva možete pogoditi da se na ulaz dovodi analogni signal koji se pretvara u broj.

Prvo što treba reći je da ADC mikrokontrolera može mjeriti samo napon. Za mjerenje drugih fizikalnih veličina, prvo ih je potrebno pretvoriti u napon. Signal se uvijek mjeri u odnosu na točku koja se naziva referentni napon, ta ista točka je maksimum koji se može izmjeriti. Kao izvor referentnog napona (VS), preporučuje se odabrati visoko stabilan izvor napona, inače će sva mjerenja plesati zajedno s referentnim.

Jedna od najvažnijih karakteristika je rezolucija koja utječe na točnost mjerenja. Cijelo mjerno područje podijeljeno je na dijelove. Minimalna nula, maksimalni napon ION. Za 8-bitni ADC to je 2^8=256 vrijednosti, za 10-bitni ADC to je 2^10=1024 vrijednosti. Dakle, što je dubina bita veća, signal se može točnije izmjeriti.

Recimo da mjerite signal od 0 do 10V. Mikrokontroler koji koristimo je Atmega8, s 10-bitnim ADC-om. To znači da će raspon od 10 V biti podijeljen na 1024 vrijednosti. 10V/1024=0,0097V - ovim korakom možemo mjeriti napon. Ali imajte na umu da će mikrokontroler smatrati vrijednosti 0,0097, 0,0098, 0,0099... istima.

Ipak, korak od 0,01 je sasvim dobar. Međutim, postoji nekoliko preporuka bez kojih se ova točnost neće postići, na primjer, za mjerenja s točnošću od 10 bita, frekvencija na kojoj ADC radi treba biti 50-200 kHz. Prva transformacija traje 25 ciklusa i 13 ciklusa nakon toga. Dakle, na frekvenciji od 200 kHz možemo istisnuti maksimum
200 000/13 = 15 384 mjerenja.

Kao izvor referentnog napona može se koristiti unutarnji ili vanjski izvor. Napon unutarnjeg izvora (2,3-2,7 V) ne preporučuje se korištenje zbog niske stabilnosti. Vanjski izvor se spaja na AVCC ili Aref pin, ovisno o postavkama programa.

Kada koristite ADC, AVCC pin mora biti spojen. AVCC napon ne smije se razlikovati od napona napajanja mikrokontrolera za više od 0,3 V. Kao što je rečeno, maksimalni izmjereni napon jednak je referentnom naponu (Vref), u rasponu je 2V-AVCC. Dakle, mikrokontroler ne može mjeriti više od 5V.

Da biste proširili raspon mjerenja, morate mjeriti signal kroz razdjelnik napona. Na primjer, maksimalni izmjereni napon je 10V, referentni napon je 5V. Da biste proširili raspon mjerenja, trebate smanjiti izmjereni signal za 2 puta.

Formula za izračunavanje djelitelja izgleda ovako:

U izlaz = U u R 2 /(R 1 + R 2)

Zamijenimo naše vrijednosti u formulu:

5 = 10*R2/(R1+R2)

oni. možete uzeti bilo koja dva identična otpornika i spojiti ih prema dijagramu

Stoga, kada mjerimo napon kroz razdjelnik, trebamo pomnožiti dobivenu ADC vrijednost s koeficijentom = Uout/Uin.

Kompletna formula za izračunavanje izmjerenog napona izgledat će ovako:
U=(referentni napon*ADC vrijednost*koeficijent djelitelja)/broj ADC bitova

Primjer: referentni 5V, izmjerena ADC vrijednost = 512, faktor razdjelnika =2, ADC 10-bitni.

(5*512*2)/1024=5V - stvarna izmjerena vrijednost napona.

Neki programeri napišu program tako da mikrokontroler automatski izračuna koeficijent djelitelja; izlazni signal se mjeri standardnim uređajem i ta se vrijednost unosi u program. Sam mikrokontroler povezuje pravi napon sa svakom ADC vrijednošću; sam proces je jednokratan i naziva se kalibracija.

Prijeđimo na implementaciju softvera. Izradite projekt s navedenim parametrima. Također ćemo spojiti zaslon na priključak D za prikaz informacija.

Mjerenje će se provesti u automatskom načinu rada, kod se obrađuje u prekidu, referentni napon spojen je na AVCC pin. U biti, trebamo samo obraditi primljene podatke. Izmjereni podaci pohranjuju se u varijablu adc_data. Ako trebate skenirati nekoliko kanala, odaberite koje kanale želite skenirati, a podaci će biti za pin 0 u adc_data, za pin 1 u adc_data, itd.

U glavnoj petlji dodajte retke:

rezultat=((5,00*adc_podaci)/1024,00); //pretvorite ADC vrijednost u volte
sprintf(lcd_buffer,"U=%.2fV",rezultat); //stavi rezultat u privremenu varijablu
lcd_puts(lcd_buffer); //prikaz

Mala napomena: da biste koristili brojeve s pomičnim zarezom, trebate promijeniti (s)printf Features: int, width to float, width, precision u postavkama projekta. Ako se to ne učini, nećemo vidjeti desetinke i stotinke.

Dakle, samo smo pretvorili ADC vrijednost u volte i prikazali je na zaslonu. Rezultat u Proteusu izgleda ovako:

Otpornik se može koristiti za promjenu napona; izmjereni napon se prikazuje na zaslonu. Prilikom sastavljanja na stvarnom hardveru, trebate spojiti kondenzator od 0,1 µF na Aref nogu. Lekcija se pokazala malo teškom, ali mislim da će vam se svidjeti.

Proteus datoteka i firmware:

Ažuriraj:
Trenutno mjerenje:

Prilično jednostavan uređaj koji mjeri napon, struju i pokazuje ukupnu snagu koju troši opterećenje na frekvenciji od 50 Hz.

Tijekom popravaka ili prilikom provjere i testiranja novih uređaja često je potrebno dovod napona iz LATR-a, te je potrebno kontrolirati napon i struju. U tu svrhu razvijen je voltmetar-ampermetar i sastavljen na mikrokontroleru s LCD indikatorom. Budući da se mjere napon i struja, ukupna snaga se lako izračunava. Rezultat je vrlo kompaktan mjerač.
Tehnički podaci
1. Granice promjene izmjerenog napona su 0 – 255 V, rezolucija 0,5 V. Očitanja se prikazuju u koracima od 1 volta.
2. Granice za promjenu izmjerene struje 0 – 10 Ampera, rezolucija 20 mA. Očitanja se prikazuju u koracima od 10 mA.
3. Prividna snaga izračunava se kao umnožak struje i napona i prikazuje se samo cjelobrojna vrijednost u volt-amperima.

Shematski dijagram

Fragment isključen. Naš časopis postoji na donacijama čitatelja. Puna verzija ovog članka dostupna je samo

Izmjerena struja teče kroz shunt R1, napon koji se uklanja iz njega pojačava se operacijskim pojačalom i kroz lanac R8 i C8 dovodi se na ulaz mikrokontrolera. Prvi stupanj na OP1 je invertirajuće pojačalo s integrirajućim kondenzatorom C3 u povratnom krugu. Zbog činjenice da bi napon uklonjen iz OP1 trebao biti oko 5 volti, čip pojačala dobiva povećanu snagu (9-15 volti). Drugi stupanj na OP2 uključuje se repetitorom i nema nikakvih posebnosti. Kondenzator C3 služi za smanjenje smetnji tijekom rada ADC mikrokontrolera.

Mjerni ulazi RA0 i RA1 primaju konstantni stabilizirani prednapon od 2,5 volta preko otpornika R11 i R13. Ovaj napon omogućuje ispravno mjerenje pozitivnih i negativnih poluciklusa ulaznih napona.
Na mikrokontroler PIC16F690 spojen je LCD zaslon koji prikazuje 2 reda od po 16 znakova. Otpornik R14 služi za podešavanje optimalnog kontrasta zaslona. Otpornik R15 određuje struju pozadinskog osvjetljenja zaslona.
Uređaj se napaja iz zasebnog transformatora od 9-12 V. Stabilizator snage +5 V sastavljen je na čipu 78L05 i nema posebnih značajki.

--
Hvala na pozornosti!

--
Hvala na pozornosti!
Igor Kotov, glavni urednik časopisa Datagor

Dobro! Gratis je gotov. Ako želite datoteke i korisne članke, pomozite mi!