Меню

Самодельный ваттметр переменного тока

Самодельный ваттметр переменного тока

Цифровой ваттметр на МК.

Автор: LINKS_234 aka Шимко Андрей
Опубликовано 14.07.2009

Данная работа представляет собой небольшой приборчик на дешёвой элементной базе, который позволяет определить потребляемые нагрузкой мощности на переменном токе частотой 50Гц, т.е. от сети или трансформаторов. Причём определяет он именно потребляемые в данный момент мощности, и никоим образом не является счётчиком электроэнергии. Мощностей три — полная, активная и реактивная. О существовании других я не знаю. Так же в показаниях выводится значение косинуса угла сдвига фаз, благодаря которому и производятся расчёты полной и реактивной мощности .
Проектирование ваттметра было целью дипломной работы, поэтому ТЗ формировалось руководителем работы и хорошим преподом — Бобром А.И. В формировании ТЗ главным фактором было то, что этот препод должен проводить лабораторные работы и иметь в наличии множество приборов и стендов. Т.к. в стране бардак и денег как обычно ни у кого нету — многим приходится выезжать на учащихся. Посему множество стендов изготовлено руками учащихся на дипломном проектировании. Данную работу предполагается использовать для изучения КЗ и ХХ на трансформаторе, который подключён к сети через автотрансформатор, посему и ТЗ ограничилось такими параметрами как :
— максимальная измеряемая мощность — 650Вт (655,36 , если быть точным );
— шаг определения угла сдвига фаз — 1° (это же касается и таблицы косинусов);
— от максимальной мощности зависят измеряемый ток и напряжение — амплитуда напряжения до 256*1,41 (В), а тока — до 2,56*1,41 (А);
— погрешности были заданы на уровне не более 10% от Рном, хотя я думаю лучше сказать — 10% от Sмакс, однако по мере уменьшения измеряемой мощности погрешности будут расти из-за того, что напряжение делится на 141, а битность АЦП всего 10.
Исходя из этих основных параметров можно сказать что данный ваттметр может быть полезен начинающим и как пример для дальнейших разработок аналогичных приборов, потому как не всё ещё гладко в схеме и прошивке, но он работает.
Итак, схема:

Кое-какие комментарии по схеме:
— цепь питания стандартная, никаких излишеств кроме фильтрации питания на аналоговую часть МК (дроссель и конденсатор на лапах МК)
— R5 для подсветки, при таком номинале подсветка средняя и видна при недостатке света, так же она не сильно кочегарит линейный стабилизатор, посему у меня он без радиатора стоит.
— R4 необходим для регулировки контрастности ЖКИ.
— С7 — фильтрация помех, т.к. ИОН внутренний, а нога от него не отключается.
— С10 — фильтрация помех по питанию ЖКИ, частенько при дребезге контактов он сбивается и показывает ахинею . Этот кондёр немного исправляет ситуацию.
— С11 — та же самая фильтрация, только по измеряемой цепи, т.к. при подключении и отключении нагрузки помехи бывают очень страшные. Данный кондёр выдран из фильтра питания платы от копира. Такие же есть в комповских БП на входе, только не стоит с номиналом перебарщивать, т.к. реактивные элементы создают сдвиги фаз.
— R7 и SMBJ5.0A служат для ограничения напряжения при всплесках тока. SMBJ5.0A — это супрессор, трансил или защитный диод. Работает он как стабилитрон, с той лишь разницей что не рассчитан на долговременную стабилизацию и при превышении напряжения на которое рассчитан открывается и способен шунтировать большие токи на десятки микросекунд. Необходимость в нём и резисторе возникла после того, как спалил один МК из-за искрения вилки в розетке. Однако наряду с защитой появляется один нехороший баг — начинает скакать косинус и активная с реактивной мощности на ХХ из-за наводок, хоть при этом полная мощность нулевая и остальные расчёты не должны проходить.
— R1, R2, VD1 — делитель на 141, и диод выполняет роль ограничителя прохождения обратной полуволны на АЦП.
— R6, VD6 — токовый шунт и мощный диод для того, чтобы отрицательная полуволна шла через него.
— ЖКИ у меня SC1602BULT, т.к. других фирм найти проблематично, а этот сделан бравыми тайваньскими ребятами, у которых девиз как и у Америки — сделаем всё через одно место , чтобы весь мир завидовал. Посему у Америки дюймы вместо метров, а у тайваньцев подключение питания другое и таблица символов не соотвествует ни одной из стандартных. При этом контроллер совместим с HD44780.
Ну собственно и всё по элементам. Как и писал выше — ничего необычного и дефицитного.

Теперь краткий анализ вычислений и методики определения величин.
Тактовый генератор АЦП настроен на частоту 125кГц . Оцифровка идёт один период, т.е. 20мс. Одна оцифровка длится 13 тактов АЦП. АЦП всего один, поэтому его каналы надо оцифровывать последовательно. Оцифровка канала тока и напряжения ничем практически не отливается за исключение разных переменных и каналов. При оцифровке каждое измеренное значение сравнивается с предыдущим, и если новое больше — оно запоминается. Таким образом можно определить полную потребляемую мощность. Угол сдвига фаз определяется же путём программного определения перехода полуволны через ноль (или лучше сказать приближения синусоиды к нулю). При условиях соответствующих переходу полуволны синусоиды через ноль в возникает прерывание от таймера, внутри которого выполняются все арифметические действия с полученными значениями для вычисления мощностей и косинуса. Это основной код. Остальное всё не имеет большого значения и стандартно.

Здесь:
U — напряжение сети;
I — ток через нагрузку;
U * — амплитудное значение напряжения после резистивного делителя;
U ** — амплитудное значение напряжения на токоизмерительном резисторе;
UADC0 — оцифровываемое напряжение на входе ADC0 микроконтроллера;
UADC1 — оцифровываемое напряжение (соответствующее измерямому току) на входе ADС1 микроконтроллера;
а — область запоминания времени таймера , соответствующего переходу синусоиды через ноль;
b — погрешность запоминания времени таймера (определения перехода синусоиды через ноль).

Моя печатка, которая для дипломки сделана. Половина на ней не разведена, одна дорожка забыта и не совсем удачная разводка. Посему свою версию печатки не выкладываю и предлагаю всем заинтересованным развести её под себя и с учётом требований к хорошей помехозащищённости аналоговых цепей.

Вид сверху на печатку и транс в корпусе. Корпус покупался на рынке. Мастер из колледжа сказал что возят их из Польши. Стоит сие чудо около 3у.е.

Верхняя часть корпуса с розеткой, фильтрующим кондёром и ЖКИ модулем.

Вид сверху на это чудо собранное в корпус.

Вид спереди. Ничего кроме ЖКИ, за приклеенным оргстеклом, и выступающими болтами стоек не видно.
Итак, если кто-то ещё не заметил — гальванической развязки в приборе нету, посему трогать токоведущие части ваттметра опасно для жизни и рекомендуется избегать с ними контакта.
Именно поэтому я приклеил оргстекло, а за ним расположил ЖКИ. Стойки же железные, но они прикручены болтами к ЖКИ в тех местах, которые предусмотрены производителем и не касаются пайки и проводников ПП, а под одну, чтобы исключить контакт, подложена картонная шайба, которые используют при монтировании материнских плат в корпус.

Работаем на ХХ и ловим глюки (или наводки).

Работаем на лампу накаливания 60Вт и показываем вполне реальные значения. К слову — для определения потребляемой мощности и калибровки прибора пользовался мультиком Mastech MY-6. При этом напряжение в сети было 210В, а тока через лампу составил 0.22А Куда пропали 2Вт — не могу сказать, однако измерил делить напряжения, скорректировал формулу и по току также скорректировал формулу, потому как в идеале там должен был быть резистор 0.707 Ом.
Косинус по-моему вполне достоверный получился. Он соответствует углу в 2°. Конечно можно ввести поправку на угол при чисто активной нагрузке, но надо учитывать что провода, их изоляция и т.п. тоже вносят реактивную составляющую в мощность.

Читайте также:  Преобразователи электрического тока выпрямители

Так горит лампа. Полосы — рассинхронизация между фотиком и частотой мерцания лампы. На глаз этого конечно же не заметно и лампа светит так же как и от сети. От чего это на фотках заметно — не знаю. То ли сопротивление через диод ниже намного оказывается, то ли все лампы так будут мерцать .
Ещё одно замечание — косинус отличный от 1.000 следует читать как 0.XXXX . Знак угла сдвига фаз не указывается, т.к. не хватает места на ЖКИ и обычно преобладают индуктивные нагрузки.
Буду рад за любые комментарии, критику и предложения по данному устройству. Также есть желание привести прошивку и схему в более удачный вид, посему заинтересованных прошу высказываться, и со своей стороны обещаю помогать с любыми проблемами, возникшими при повторении.

Источник

БЫТОВОЙ ВАТТМЕТР

Бытовой ваттметр из германии

А учитывая смешную цену данного устройства — всего 8уе, купил не задумываясь, чему впоследствии был рад. Без всяких изменений в конструкции, данный бытовой ваттметр может измерять электрические параметры (переменный ток, напряжение) без подключения к сети 220В. Это происходит за счёт собственного питания — две маленькие батарейки по 1,5В.

Питание бытового ваттметра

Бытовой ваттметр собран в красивом и прочном корпусе. Да не маде ин чина, а настоящая европа — Гамбург. О чём и говорит наклейка на обратной стороне корпуса прибора.

Бытовой ваттметр вилка подключения к розетке

Проверяем его возможности:

1. Измерение напряжения сети в вольтах (V),

Бытовой ваттметр меряет напряжение

2. Измерение тока нагрузки в амперах (A),

Бытовой ваттметр меряет ток

3. Измерение потребления мощности в ваттах,

Измерение мощности ватметром

4. Общее количество потребленной электроэнергии (KWh – киловатт-час) и стоимость потребленной электроэнергии.

Бытовой ваттметр может даже измерять стоимость электроэнергии, если вы введёте цену одного киловатт-часа. Причём если в сети пропадёт питание, показания всё равно запомнятся, за счёт резервных батареек. Кстати ваттметр работает и без них, но чтоб измерение можно было проводить автономно — они необходимы.

Разобранный измеритель мощности

Конечно мы разберём корпус и заглянем внутрь. Здесь видна небольшая плата с залитым чипом, который выполняет обработку сигнала, снимаемого с датчика и вывод информации на ЖКИ дисплей.

контроллер управления дисплеем измерителя

Датчик собран на отдельной плате, на которой имеется и плавкий предохранитель. Уверен, что немного изменив схему, можно добиться от ваттметра измерения даже постоянного тока и напряжения.

Плата датчика фирменного ваттметра

Забыл сказать — данный бытовой ваттметр работает как своеобразный сигнализатор — предохранитель. Можно задать максимально допустимый уровень нагрузки, и как только мощность превысит это значение ваттметр начнёт подавать звуковые сигналы.

ваттметр для измерения мощности нагрузки

Только теперь я понял, как мне не хватало подобного прибора! Включая через него различные устройства — электродвигатели, ламповые усилители, микроволновые печи, сварочные инверторы и другую аппаратуру, можно сразу видеть нормально ли работает устройство. А переключая кнопкой mode режим измерений — вольты, амперы, ватты; можно без всякого мультиметра контролировать целый ряд важных параметров. Благодаря красивой синей подсветке, параметры видны даже в темноте. Думаю это именно тот случай, когда проще и дешевле прибор купить, чем спаять.

Форум по обсуждению материала БЫТОВОЙ ВАТТМЕТР

Самодельный активный предварительный усилитель с НЧ-ВЧ регулировками на ОУ TL072, для УМЗЧ.

Усилитель мощности звука с двойной термостабилизацией — теория работы схемы и практическое тестирование.

Тонкомпенсированный регулятор громкости с адаптацией к регулятору тембра — теория и практика.

Источник

Ваттметр на Arduino – измерение напряжения, тока и мощности

У инженеров и просто энтузиастов в мире электроники достаточно часто возникает необходимость в проведении каких-либо измерений, одним из которых является измерение мощности. Поэтому в данной статье мы рассмотрим создание самодельного ваттметра на основе платы Arduino, с помощью которого можно будет измерять напряжение, ток и мощность электрического сигнала.

Внешний вид самодельного ваттметра на основе Arduino

Некоторые могут сказать зачем делать такой прибор если его можно сейчас сравнительно недорого купить. Да, это так. Но ведь наверняка некоторым из вас хочется сделать более продвинутый ваттметр чем тот, который можно просто купить. Используя плату Arduino для создания ваттметра мы можем выводить измеряемые значения на экран компьютера, строить их график, сохранять их значения на SD карту когда их значения находятся в заданных интервалах и многое другое.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
  2. Операционный усилитель LM358 (купить на AliExpress).
  3. Регулятор напряжения LM7805 (купить на AliExpress).
  4. ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
  5. Шунтирующий резистор 0.22 ohm 2Watt (купить на AliExpress).
  6. Подстроечный потенциометр 10 кОм (Trimmer pot) (купить на AliExpress).
  7. Резисторы 10 кОм, 20 кОм, 2,2 кОм, 1 кОм (купить на AliExpress).
  8. Конденсаторы 0,1 мкФ (купить на AliExpress).
  9. Тестируемая нагрузка.
  10. Перфорированная или макетная плата.

Работа схемы

Схема ваттметра на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема ваттметра на основе платы Arduino

Для облегчения понимания схема разделена на 2 части. Верхняя часть схемы – это ее измерительная часть, а нижняя часть схемы служит для проведения вычислений и отображения их результатов. Места соединения обоих частей схемы обозначены с помощью меток.

Схема спроектирована для работы с напряжением в диапазоне 0-24V с током 0-1A – эти параметры специально подобраны для работы с Solar PV (солнечная фотоэлектрическая система). Но если вы поймете принципы работы этой схемы вы легко можете расширить диапазоны ее работы до необходимых вам. Основополагающий принцип работы этой схемы заключается в измерении напряжения и тока в нагрузке чтобы затем рассчитать потребляемую нагрузкой мощность. Значения всех измеряемых параметров будут отображаться на экране ЖК дисплея 16х2.

Далее рассмотрим работу по отдельности небольших элементов представленной схемы чтобы лучше понять ее работу.

Измерительный блок

Измерительный блок схемы состоит из делителя напряжения на двух резисторах для измерения значения напряжения и шунтирующего резистора с неинвертированным операционным усилителем для измерения силы тока. Делитель напряжения показан на следующем рисунке:

Делитель напряжения, используемый в нашем проекте

Входное напряжение на этой схеме обозначено как Vcc. Как мы говорили ранее, схема спроектирована для измерения напряжений от 0V до 24V. Но плата Arduino не может измерять такие большие напряжения – она может измерять напряжения только в диапазоне 0-5V. Соответственно, мы должны преобразовать измеряемое напряжение в диапазоне 0-24V в диапазон 0-5V. Это преобразование как раз и осуществляется с помощью представленного делителя напряжения. Соответственно, и номиналы резисторов в схеме этого делителя (10 кОм и 2,2 кОм) как раз подобраны таким образом, чтобы преобразовывать диапазон 0-24V в диапазон 0-5V. Если вам нужно изменить диапазон измеряемых схемой напряжений вам всего лишь нужно изменить значения номиналов резисторов в представленной схеме делителя напряжения. Значение напряжение на выходе делителя напряжения можно рассчитать по хорошо известной формуле:

Vout = (Vin × R2) / (R1 + R2)

Преобразованное к диапазону 0-5V напряжение со средней точки делителя напряжения у нас на схеме обозначено меткой Voltage. В дальнейшем это преобразованное значение напряжения подается на аналоговый вход платы Arduino.

Читайте также:  Средства защиты от электро тока

Далее мы должны измерять ток через нагрузку (LOAD). Поскольку микроконтроллеры могут считывать только аналоговые значения напряжения нам необходимо преобразовать значение тока в значение напряжения. Это можно сделать при помощи добавления шунтирующего резистора – в соответствии с законом Ома падение напряжения на нем будет пропорционально протекающему по нему току. Поскольку на шунтирующем резисторе падение напряжения будет очень маленькое мы будем использовать операционный усилитель чтобы усилить его. Схема для осуществления этого процесса показана на следующем рисунке:

Схема для измерения тока через нагрузку

Значение сопротивления шунтирующего резистора (SR1) в нашем случае равно 0.22 Ом. Как было указано ранее, наша схема спроектирована для измерения силы тока в диапазоне 0-1A, поэтому в соответствии с законом Ома при максимальном токе через нагрузку 1 А падение напряжения на нашем шунтирующем резисторе будет примерно 0.2V. Это напряжение мало для считывания микроконтроллером, поэтому мы используем операционный усилитель в неинвертированном усилительном режиме чтобы усилить это напряжение до значения, которое можно комфортно считать с помощью платы Arduino.

Операционный усилитель в неинвертированном режиме показан на вышеприведенной схеме. Усилитель спроектирован таким образом чтобы его коэффициент усиления составлял значение 21, итого получаем 0.2*21 = 4.2V. Формула для расчета коэффициента усиления представленного операционного усилителя выглядит следующим образом:

Gain = Vout / Vin = 1 + (Rf / Rin)

Если вам нужно изменить диапазон измеряемых схемой значений тока вам необходимо изменить значение сопротивления шунтирующего резистора, а также значения сопротивлений резисторов, влияющих на коэффициент усиления операционного усилителя.

В нашем случае значение сопротивления резистора Rf равно 20 кОм, а значение сопротивления резистора Rin равно 1 кОм, что обеспечивает коэффициент усиления 21 для операционного усилителя. Далее напряжение с выхода операционного усилителя подается на RC фильтр, состоящий из резистора 1 кОм и конденсатора 0,1 мкФ. Данный фильтр предназначен для фильтрации нежелательных шумов. Далее отфильтрованное напряжение подается на аналоговый вход платы Arduino.

И, наконец, последний компонент который нам необходимо рассмотреть в блоке измерений нашей схемы – это регулятор напряжения. Поскольку мы подаем на вход схемы изменяемое напряжение нам необходимо стабилизированное напряжение +5V для питания платы Arduino и операционного усилителя. Это регулированное (стабилизированное) напряжение в нашей схеме обеспечивается с помощью регулятора напряжения 7805. Конденсатор добавлен на выход схемы регулятора для фильтрации шума.

Регулятор напряжения на основе микросхемы 7805

Блок вычислений и отображения информации

В блоке измерений мы спроектировали схему чтобы конвертировать измеряемые значения и тока в диапазон напряжений 0-5V, которые непосредственно подаются на аналоговые входы Arduino. В этой же части схемы мы подсоединяем эти провода с напряжениями к плате Arduino, а также подключаем к плате Arduino алфавитно-цифровой ЖК дисплей для отображения результатов измерений. Схема этого блока представлена на следующем рисунке.

Блок вычислений и отображения информации в проекте ваттметра на Arduino

Как вы можете видеть из схемы, контакт с значением напряжения подключается к аналоговому контакту A3, а контакт со значением тока – к аналоговому контакту A4 платы Arduino. ЖК дисплей запитывается от напряжения +5V с регулятора 7805 и подключен к цифровым контактам платы Arduino в 4-битном режиме. Мы также используем потенциометр 10 кОм, подключенный к контакту Con ЖК дисплея чтобы регулировать его контрастность.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы рассмотрим его основные фрагменты.

Цель функционирования программы – считать значения аналогового напряжения с контактов A3 и A4 и рассчитать напряжение, ток и мощность, а потом отобразить все это на экране ЖК дисплея.

Вначале программы нам необходимо инициализировать используемые контакты: A3 и A4 для измерения напряжения и тока соответственно, и цифровые контакты 3, 4, 8, 9, 10 и 11 для подключения ЖК дисплея.

Источник

Цифровой ваттметр переменного тока

Microchip PIC18F252

Каждый, наверное, когда-нибудь задумывался над вопросом, сколько потребляет тот или иной бытовой электроприбор. Например, сколько энергии потребляет телевизор в дежурном режиме? Как изменяется энергопотребление холодильника в различных режимах работы? Для этих целей вам потребуется ваттметр переменного тока, и в статье мы подробно рассмотрим конструкцию одного из вариантов прибора (Рисунок 1).

Цифровой ваттметр переменного тока
Рисунок 1. Цифровой ваттметр переменного тока.

Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.

Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 – 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании Microchip серии PIC18F252, который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.

Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.

Принципиальная схема

Схема и проект печатной платы разработаны в бесплатной среде проектирования SoloPCB tools. Принципиальная схема прибора изображена на Рисунке 2. Полный список примененных компонентов приведен в Таблице 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема цифрового ваттметра
переменного тока.

Для вычисления потребляемой мощности нам необходимо знать напряжение на нагрузке и потребляемый нагрузкой ток. Напряжение, которое должно быть измерено, является напряжением сети переменного тока, поэтому необходимо учитывать, что оно может быть в диапазоне 207 В – 253 В. С целью повышения точности измерений необходимо выполнять измерение напряжения сети, а не использовать в расчетах фиксированное среднее значение 230 В.

Линии сети электропитания подключаются к разъему J1 (AC IN, вход переменного напряжения). Аналоговый узел для измерения напряжения сети состоит из резистивного делителя (R1, R2 R3), прецизионного источника опорного напряжения (U3) и АЦП (U5). Резистивный делитель, включенный между фазой и нейтралью, предназначен для понижающего масштабирования напряжения с коэффициентом R1/(R1+R2+R3)=1/201. Таким образом мы понижаем пиковое значение напряжения величиной ±320 В в уровня ±1.59 В. Затем с помощью источника опорного напряжения REF03 (Analog Devices) мы задаем смещение этого напряжения вверх на величину 2.5 В, и в результате диапазон ±320 В будет соответствовать входному диапазону АЦП 0.91 В – 4.09 В.

После масштабирования и смещения напряжение на резисторе R2 считывается аналого-цифровым преобразователем (U5) MCP3202 (Microchip) и передается в 12-разрядном формате по интерфейсу SPI в микроконтроллер. Для изолирования микроконтроллера от аналоговых узлов используются высокоскоростные оптопары HCPL-0630. Второй канал АЦП используется для измерения опорного напряжения 2.5 В – это значение будет использоваться в качестве поправочного коэффициента в расчетах.

Читайте также:  Измерение сопротивления обмоток постоянному току силового трансформатора нормы

Линии сети переменного тока, нейтраль и заземление от разъема J1 непосредственно подключаются к выходному разъему J2 (AC OUT), линия фазы проходит через датчик тока (U4) ACS712-20A компании Allegro. Это малошумящий аналоговый датчик тока на основе эффекта Холла с гальванической развязкой от измеряемой линии и возможностью измерения постоянного и переменного тока. Для повышения шумовых характеристик и точности измерений имеется вывод для подключения фильтрующего конденсатора. При нулевом токе выходное напряжение датчика составляет 2.5 В. При протекании тока через выводы IP+ и IP- выходное напряжение датчика меняется в соответствии с масштабным коэффициентом 100 мВ/А, следовательно, при протекающем токе +20 А выходное напряжение составит 4.5 В и 0.5 В при токе -20 А. Аналоговое значение датчика тока преобразуется в цифровую форму с помощью еще одной микросхемы АЦП MCP3202.

Датчик тока имеет диапазон измерений ±20 А, но, учитывая ограничения по току для разъемов и держателя предохранителя, узел измерения переменного тока защищен предохранителем 16 А, включенным в фазовую линию.

Для питания аналоговых узлов и микроконтроллерной части используется трансформаторный блок питания (Рисунок 3). Трансформатор имеет две идентичные вторичные обмотки, с которых снимается переменное напряжение 6 В. Далее напряжение выпрямляется и стабилизируется с помощью микросхемы 78L05 (U1, U2) с типовой схемой включения. Светодиоды D2 и D3 предназначены для индикации напряжения питания.

Цифровой ваттметр переменного тока
Рисунок 3. Входной и выходной разъемы, трансформатор
блока питания ваттметра.

В ваттметре используется 8-разрядный МК PIC18F252. Он выполняет считывание значений напряжения и тока, выполняет вычисление их среднеквадратичных значений и среднее значение потребляемой мощности. Непосредственно к МК подключен ЖК индикатор, на котором отображаются указанные значения. Может использоваться как 4-, так и 8-битный режим работы. Для работы с внешними АЦП используется интегрированный в МК модуль SPI интерфейса. Несмотря на то, что в схеме используется кварцевый резонатор 20 МГц, микроконтроллер тактируется частотой 5 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъем ICSP (J3) (Рисунок 4).

Цифровой ваттметр переменного тока
Рисунок 4. Микроконтроллер, АЦП, элементы гальванической
развязки на печатной плате ваттметра.

Список использованных компонентов

Обозначение
в схеме
Наименование,
номинал
Корпус,
примечание
U1, U2 78L05 SOT-89
U3 REF03 SO-8
U4 ACS712-20A SO-8
U5, U10 MCP3202-BI/SN SO-8
U6, U7, U8 HCPL-0630 SO-8
U9 PIC18F252-I/SO SO-28
BR1, BR2 Диодный мост DF08S 800 В / 1 А
TR1 Трансформатор
HR-E3013051
2 × 6 В, 1.5 VA
LCD1 TC1602D Двухстрочный
ЖК индикатор
C1, C18 470 мкФ 25 В 10 мм × 10 мм
C2, C17 100 мкФ 16 В 6.3 мм × 5.4 мм
C11, C12 22 пФ 50 В smd 0805, керамика
C9 1 нФ 50 В smd 0805, керамика
C2, C4, C5, C6, C7,
C8,C10, C13, C22, C14,
C15, C16, C17, C20
100 нФ 50 В smd 0805, керамика
C21 1 мкФ 25 В smd 1206, керамика
R16 0 Ом smd 0805, 1%
R2, R3 1 МОм
R5, R6, R17 1 кОм
R1, R14, R15, R18,
R19
10 кОм
R7, R8, R9, R13 2.5 кОм
R4, R10, R11, R12 330 Ом
D2, D3 Красный светодиод smd 0805
D1 Диод Шоттки SS14 1 А / 40 В, корпус SMA
Y1 Кварцевый резонатор 20 МГц
F1 Держатель предохранителя Для поверхностного
монтажа
J1, J2 Винтовой клемник 1×3 шаг 5.2 мм
J3 Штыревой разъем 1×5 шаг 2.5 мм

Печатная плата

Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).

Цифровой ваттметр переменного тока: проект печатной платы
Рисунок 5. Вид проекта печатной платы цифрового
ваттметра в среде SoloPCB.

Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.

Примечание:

При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.

Программа микроконтроллера

Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.

После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:

Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:

Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.

На рисунках ниже изображены измерения с помощью цифрового ваттметра: Рисунок 6 – потребляемая мощность паяльной станции в режиме нагрева, Рисунок 7 — водонагревателя мощностью 2 кВт.

Цифровой ваттметр переменного тока
Рисунок 6. Измерение потребляемой мощности паяльной
станции с помощью цифрового ваттметра.
Цифровой ваттметр переменного тока
Рисунок 7. Измерение потребляемой мощности 2 кВт
водонагревателя.

Загрузки

Листинг исходного кода программы микроконтроллера (компилятор CCS C) – скачать

Проектные файлы SoloPCB (схема, печатная плата, библиотеки элементов) – скачать

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник



СХЕМА ПРОСТОГО ВАТТМЕТРА

Если нужно сделать прибор для измерения потребляемой мощности бытовой техники. Не обязательно усложнять схему микроконтроллерами, ЖК индикаторами и прочими дорогими радиокомпонентами. В этой конструкции не понадобятся даже транзисторы. Достаточно часть тока от потребителя через небольшой трансформатор подать на диодный выпрямитель, а дальше на стрелочный индикатор, чтоб иметь достаточно точный индикатор мощности до 1 киловатта. При необходимости можно увеличить этот диапазон хоть до 10 кВт.

Измеритель мощности переменного тока

схема ваттметра простого

Основа работы устройства — трансформатор тока, который по сути то же самое что обычный трансформатор. Одна обмотка у него 3000 витков тонкой проволоки, намотанной на железном сердечнике — это вторичная обмотка. Первичная обмотка представляет собой пару витков сетевого шнура. Отношение тока, протекающего через первичную сторону и вторичную обмотки, является обратным соотношением числа витков. Линейность будет правда не идеальной, но для средней точности пойдёт. В конце концов 540 ватт потребляет устройство или 580 — не слишком важно. Однополупериодный выпрямитель представляет собой конденсатор небольшой ёмкости и германиевые диоды, прямое падение напряжения при переходе измряется индикатором на 100 мкА. Выбрать предел измерений 1000 Вт и 100 Вт можно подключив резистор параллельно стрелочной головке.

конструкция самодельного измерителя мощности

При испытаниях и настройке (подбирая сопротивления), использовалась 100 Вт лампа накаливания и прожектор на 500Вт. То есть подключайте нагрузку, мощность которой вы знаете заранее, и по ней выставляйте нужные показания индикатора. Готовый ваттметр можно разместить в любой пластиковой коробочке, или же встроить в сетевой фильтр. В этом случае нужно будет найти небольшой стрелочник, типа индикатора уровня записи от старого магнитофона.

Originally posted 2019-04-16 17:00:44. Republished by Blog Post Promoter

Источник