» » «V6» — измеритель RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности (Atmega 8)

 
 
 
16

«V6» — измеритель RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности (Atmega 8)

Разместил if33 19 марта 2014. Просмотров: 16 348


Весьма часто возникает необходимость знать величину потребляемой (активной) мощности различными нагрузками. Для решения данной задачи и благодаря комментариям и пожеланиям, высказанные к моей предыдущей статье «Вольтметр-амперметр переменного тока с вычислением мощности на PIC16F690» и был построен новый прибор «V6», измеряющий действующие (RMS) значения этих величин на частоте 50 Гц.

Как посчитать правильно?

Действующее значение тока и напряжения можно определить по формуле:
«V6» — измеритель RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности (Atmega 8)

Вычисляется активная мощность через интеграл по одному периоду от мощности мгновенной:

Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник.
Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи.
Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах:
S = U * I

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в Вольт-Амперах, а не в Ваттах.

На практике измеряемый период делим на некоторое число частей и измеряем напряжение и ток на каждом участке. Таким образом, мы получаем функции U (t) и I (t). Точнее, не сами функции, а таблицу их значений – поэтому от интегрирования переходим к суммированию:


Здесь N – количество отсчётов, приходящееся на один период сетевого напряжения.

Технические характеристики измерителя RMS-значений

1. Пределы изменения измеряемого напряжения 50 – 255 Вольт, дискретность 0,5 Вольта. Показания отображаются с шагом 1 Вольт.
2. Пределы изменения измеряемого тока:
1-й диапазон 0 – 1 Ампер, дискретность — 2 mA
2-й диапазон 1 – 20 Ампер, дискретность — 0,04 A
3. Активная мощность отображается в Ваттах.
4. Полная мощность отображается в Вольт-Амперах.

Принципиальная схема

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Измеряемое напряжение через входной делитель поступает на вход микроконтроллера ADC4 (PC4) через конденсатор.
Измеряемый ток протекает по шунту, напряжение, снимаемое с него, усиливается инвертирующими операционными усилителями и поступает на вход микроконтроллера ADC1 (PC1) на первом диапазоне и на вход ADC2 (PC2) на втором диапазоне. В связи с тем, что размах напряжения, снимаемого с ОУ должен быть около 5 Вольт, на микросхему усилителя поступает повышенное питание (9-15 Вольт).
На вход ADC3 (PC3) поступает постоянное стабилизированное смещение около 2,5 Вольта. Это напряжение позволяет правильно измерять положительный и отрицательный полупериоды входных напряжений.
На вход ADC5 (PC5) поступает сетевое напряжение, ограниченное до 5-и Вольт, для синхронизации измерений с сетью (аппаратный детектор перехода через ноль).
Конденсаторы, подключённые параллельно входам ADC, служат для уменьшения помех при работе АЦП микроконтроллера.
К микроконтроллеру подключён LCD дисплей, с отображением 2-х строк по 16 символов.
Питание прибора осуществляется от встроенного бестрансформаторного источника на микросхеме LNK306DN c выходным напряжением 10 Вольт. Стабилизатор питания +5 Вольт собран на микросхеме 78L05 и особенностей не имеет.

Внимание! Устройство имеет гальваническую связь с питающей сетью. При настройке необходимо все подключения необходимо производить только при отключённом сетевом питании устройства.
Обязательно проверить по даташиту правильность подсоединения питания (ножки 1 и 2) своего ЖК индикатора.


Программа

Программа написана на языке Bascom-AVR и снабжена комментариями. Применён микроконтроллер Atmega8 с довольно большим объёмом памяти, что позволило применить LCD дисплей и подготовить программу на языке высокого уровня без особых ухищрений. Тактовая частота внутреннего генератора выбрана 8 МГц, опорное напряжение выбрано равным напряжению питания микроконтроллера с целью уменьшения помех и повышения точности измерения.
Измерения производятся, согласно рисунку в течение одного периода входного напряжения


Предварительно измеряется 2,5V, получаемое от микросхемы TL431, и затем измеряется входное напряжение. В случае положительной полуволны измеряемое напряжение будет равно разности Uвх – U2,5V, а в случае отрицательной полуволны будет равно U2,5-Uвх. За один период делается около 175-190 измерений. Затем производится обработка результатов измерений и вычисление значений. Следует учесть, что напряжение с токового шунта усиливается инвертирующим усилителем и, поэтому при вычислениях его необходимо инвертировать повторно. Это хорошо видно на приведённой диаграмме.
Переключение диапазонов тока и форматирование результатов производиться автоматически, практически незаметно для пользователя.
Описание программы очень подробно отображено в комментариях к ней.
Программируется микросхема в режиме последовательного программирования через SPI, используя разъем дисплея. Дисплей вынимается на время программирования и подключается программатор. При этом прибор должен быть отключён от сети! Конфигурационные биты указаны на снимке


Детали и конструкция

Все детали установлены на печатной плате. Дисплей вставляется в разъёмы платы. Шунт выполнен в виде четырёх параллельно соединённых резисторов мощностью 0,1 Ом 2 Вт. В связи с тем, что различные типы дисплеев могут иметь различное подключение питания (ножки 1 и 2), то на печатной плате питание на ножки дисплея 1 и 2 поступает через перемычки. Их надо коммутировать правильно, в соответствии с применяемым дисплеем.
Вид собранного прибора без кожуха

Плата без дисплея

Вид на плату со стороны печати
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Плата установлена в корпусе из пластмассы.


Настройка

Необходимо проверить монтаж платы и включить устройство.
1. Вращая резистор (первый слева), выставляем оптимальную контрастность дисплея. На индикаторе должны отобразиться нулевые значения, тока и мощности.
2. Вращая резистор (четвёртый слева), устанавливаем показания напряжения на дисплее равными напряжению, поданному на вход.
3. Для настройки правильных показаний амперметра на 1-ом диапазоне подключаем нагрузку (лампу накаливания на 60 – 100 Ватт) через контрольный амперметр. При этом на индикаторе должны отобразиться значения тока. Вращая резистор (третий слева), устанавливаем показания тока на дисплее равными току на контрольном амперметре.
4. Для настройки правильных показаний амперметра на 2-ом диапазоне подключаем нагрузку (лампу накаливания или какую-либо другую нагрузку мощностью более 200 Вт) через контрольный амперметр. При этом на индикаторе должны отобразиться значения тока. Вращая резистор (второй слева), устанавливаем показания тока на дисплее равными току на контрольном амперметре.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.


Итоги:

Познакомился с микроконтроллерами AVR и научился программировать на языке Bascom-AVR.
Получился прибор, легко меряющий мощности, потребляемые различной бытовой техникой как активную, так и полную.

При разработке использованы следующие материалы:

1. «Вольтметр-амперметр переменного тока с вычислением мощности на PIC16F690» (комментарии и пожелания, высказанные к моей предыдущей статье).
2. «Сделай сам RMS-вольтметр на микроконтроллере ATMEGA8». Автор: hgm0
3. «True RMS измеритель мощности с функцией контроля и управления нагрузкой». Автор: civil
4. Даташиты на детали

Файлы:

Схема, печатная плата и программа с прошивкой:
21-03-2014 Обновлена схема RMS-V6.7z | Файл 57,53 Kb загружен 181 раз.

Иван Внуковский,
г. Днепропетровск, Украина
Иван Внуковский (if33)
Украина, г. Днепропетровск
Профиль if33
Радиолюбитель, стаж более 40 лет. Работал на заводе инженером КБ, инженером по обслуживанию ЭВМ, механиком по ремонту бытовой техники. Сейчас на пенсии.
 

Понравилось? Палец вверх!

  • всего лайков: 57

Поделись с друзьями!

Связанные материалы:


Схема на Датагоре. Новая статья Высоковольтный БП (0-350V, 0.5А max) с вольт-амперметром на PIC16F690... Иногда при регулировочных работах требуется сравнительно высокое напряжение питания устройств...
Схема на Датагоре. Новая статья V7 — Измерение RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности. Облегченная версия... После публикации моей статьи «V6» — измеритель RMS-значений напряжения, тока, активной и полной...
Схема на Датагоре. Новая статья TA7317P – микросхема для устройств защиты акустических систем... Усилители мощности с двуполярным питанием должны иметь узел для защиты подключаемых к ним...
Схема на Датагоре. Новая статья Вольтметр-амперметр переменного тока с вычислением мощности на PIC16F690 [Обновлено]... Довольно простой прибор измеряющий напряжение, ток и показывающий полную мощность потребляемую...
Схема на Датагоре. Новая статья Какой громкоговоритель лучше?... Это перевод с украинского статьи, с которой я решил ознакомить датагорцев, когда прочитал статью...
Схема на Датагоре. Новая статья Сделай сам лабораторный импульсный блок питания. Часть 6. Защита ИБП и регуляторы тока нагрузки... Ограничение выходного тока импульсного блока питания необходимо прежде всего для защиты испытуемой...
Схема на Датагоре. Новая статья Простая аналоговая электронная нагрузка... Все, кто хоть как-то сталкивался с изготовлением, ремонтом блоков питания задавался вопросом – где...
Схема на Датагоре. Новая статья Фолловер Андреа Чуффоли... © Andrea Ciuffoli and audiodesignguide.com - оригинальная статья © Datagor Russian Edition,...
Схема на Датагоре. Новая статья 3-х фазный регулятор с Системой Импульсно-Фазового Управления.... 3-х фазный регулятор с СИФУ Регулятор собран на печатной плате размерами 120х150 мм, и...
Схема на Датагоре. Новая статья TDA8920... TDA8920 - высококачественный усилитель мощности класса "D" с очень низким уровнем рассеяния. ...
Схема на Датагоре. Новая статья Стандарты измерения выходной мощности... В этой статье вкратце рассказывается о мощности. Разъясняются такие параметры как номинальная и...
Схема на Датагоре. Новая статья Даташит TDA7294 pdf datasheet... 100В - 100Ватт DMOS аудио усилитель с цепями MUTE/ST-BY TDA7294 монолитная микросхема в корпусе...
<
  • Гражданин
20 марта 2014 00:17

Александр / alx25v

  • С нами с 10.10.2009
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 4 публикации
 
  • 0
На схеме забыл подвести +10в на питание оперов.

<
  • Гражданин
20 марта 2014 23:01

Иван Внуковский / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 14 публикаций
 
  • 0
На схеме забыл подвести +10в на питание оперов.

К сожалению я допустил ошибку, спасибо, что подсказали.
Необходимо соединить катод диода D4 с верхней обкладкой конденсатора C16

<
  • Главный редактор
21 марта 2014 10:23

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 638 комментариев
  • 261 публикация
 
  • 0
Иван, я поправил схему, заменил в статье картинку и архив. Посмотрите, теперь всё ОК?

<
  • Гражданин
21 марта 2014 10:58

Иван Внуковский / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 14 публикаций
 
  • 0
Спасибо Игорь. Все правильно.

<
  • Главный редактор
21 марта 2014 12:10

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 638 комментариев
  • 261 публикация
 
  • 0
Это вам спасибо за очередную полезную разработку!
ЗдорОво, что вы так легко перескакиваете между "камнями" и средами разработки!
Браво, Иван! drinks

<
  • Гражданин
21 марта 2014 22:30

Сергей / Chugunov

  • С нами с 30.09.2009
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 309 комментариев
  • 29 публикаций
 
  • 0
Хороший аппарат и хорошо сделан, но для меня сложноват.
Возможностей много, устройство скорее для электриков (реактивная мощность), а для домашних нужд, думаю, достаточно знать мощность, которая крутит счётчик и за которую мы платим.
Нужно знать киловатт-часы, а их, к большому сожалению, нет.
Интересно было бы знать сколько квт-час потребляет стиральная машина, компьютер, телевизор, водонагреватель, насос и т. п. т. е. устройства с импульсными блоками питания и "рваным" режимом работы.
Учитывая непрерывно и быстро растущие тарифы, любопытно узнать, сколько и за что платим.

<
  • Гражданин
22 марта 2014 02:33

Иван Внуковский / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 14 публикаций
 
  • 0
Хороший аппарат и хорошо сделан, но для меня сложноват.

Да, несколько сложный, поэтому я сделал еще один вариант (V7), в котором питание осуществляется от маленького трансформатора. Шунт вынесен отдельно и может быть на ток 1, 5, 10, 20, 50 и 100 ампер. Измерение производиться на одном диапазоне, что упрощает настройку прибора. Можно и этот вариант тоже опубликовать, если есть такая потребность.
Нужно знать киловатт-часы, а их, к большому сожалению, нет.

Киловатт-часы измеряются счетчиком энергии и равны произведению активной мощности на время ее потребления.
Полная мощность нужна для расчета проводки или степени ее нагрева.
Кстати на фото "Плата установлена в корпусе из пластмассы" видны показания прибора при подключении к нему прибора "Облучатель ртутно-кварцевый ОКН-11М", в котором ртутная лампа питается через конденсатор. Импульсные блоки питания меня тоже несколько удивили - КПД у них составляет 65 - 85%, зато мощность полная и активная отличается не очень много. Утюг, на котором написана мощность 1500 Вт, оказалось, потребляет 1200 Вт. В телевизоре мощность напрямую зависит от яркости просмотра 90 - 150 Вт. Зато в спутниковом тюнере активная мощность в дежурном и рабочем режиме практически одинаковая! После этого перестал его переводить в дежурный режим.
Для меня показания прибора оказались несколько неожиданными.

<
  • Гражданин
22 марта 2014 21:19

Владимир / faett

  • С нами с 22.09.2012
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 5 комментариев
  • 0 публикаций
 
  • 0
Отличная работа. А скажите возможно ли в этом приборе реализовать функцию вычисления коэффициента мощности? Спасибо.

<
  • Гражданин
22 марта 2014 22:22

Иван Внуковский / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 14 публикаций
 
  • 0
А скажите возможно ли в этом приборе реализовать функцию вычисления коэффициента мощности?

Коэффициент мощности - это безразмерная величина, отношение активной мощности P (измеряется в Вт) в нагрузке к полной мощности S (измеряется в ВА - вольт-амперы). Поскольку эти величины уже получены, коэффициент легко вычисляется. Проблема возникает другого порядка - нет места на экране дисплея. Можно применить дисплей 2 строки по 20 символов или как-то продумать расположение на примененном дисплее.

<
  • Гражданин
22 марта 2014 22:54

Сергей / Chugunov

  • С нами с 30.09.2009
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 309 комментариев
  • 29 публикаций
 
  • 0
Цитата: if33
...я сделал еще один вариант (V7), в котором питание осуществляется от маленького трансформатора. Шунт вынесен отдельно и может быть на (любой) ток ...
Измерение производится на одном диапазоне, что упрощает настройку прибора. Можно и этот вариант тоже опубликовать, если есть такая потребность.
Киловатт-часы измеряются счетчиком энергии и равны произведению активной мощности на время ее потребления.

Думаю, вариант V7 будет интересен не только мне.
Про киловатт-часы и так понятно, интересно, чтобы прибор их показывал - так удобнее оценивать потребление разных нагрузок.
Реактивная мощность, на мой взгляд, представляет вторичный интерес и нужна, если это не слишком усложняет прибор.

<
  • Гражданин
30 марта 2014 14:18

Андрей / wzgick

  • С нами с 2.02.2009
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 15 комментариев
  • 0 публикаций
 
  • 0
Отличный прибор! Как раз искал подобное решение.
А можно в прошивку у амперметра добавить еще один знак после запятой?
Для измерения тока холостого хода трансформаторов.
И вариант V7 тоже очень интересен.

<
  • Гражданин
30 марта 2014 23:07

Иван Внуковский / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 14 публикаций
 
  • 0
А можно в прошивку у амперметра добавить еще один знак после запятой?

Добавление еще одного знака ничего хорошего не даст так как он будет меньше цены деления и заведомо будет ошибочным.

И вариант V7 тоже очень интересен

Отправил на публикацию

<
  • Кандидат
4 апреля 2014 01:56

Дмитрий / MegaREPer

  • С нами с 4.04.2014
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 комментарий
  • 0 публикаций
 
  • 0
Прибор скорее оценочный, чем измерительный. В современных потребителях энергии все чаще преобладают импульсные источники с непредсказуемой кривой тока. Рассчитать действующий ток сложно, как, и полную мощность, PF. Необходимо прямое интегрирование как тока, так и напряжения, при этом достаточно быстрое (В наших сетях напряжение часто далеко от идеала). Сам сейчас делаю подобное, но с применением спец. DSP, типа ADE7763.
Еще недостаток - это отсутствие гальванической развязки. В прочем, для бюджета данной схемы это оптимальный выбор.
Из достоинств это, конечно, простота и повторяемость. В общем, по моему скромному мнению, если есть мощные потребители энергии без сложных преобразователей прибор вполне хорош.

<
  • Главный редактор
5 февраля 2015 11:39

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 638 комментариев
  • 261 публикация
 
  • 0
Уважаемый Иван, выложите пожалуйста прошивку для диапазона до 400V и подскажите, что поменять в схеме. Подобно тому, как вы сделали для статьи "Вольтметр-амперметр переменного тока с вычислением мощности на PIC16F690".
Спасибо!

<
  • Кандидат
6 февраля 2015 21:57

Дмитрий / topol72

  • С нами с 5.04.2014
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 комментарий
  • 0 публикаций
 
  • 0
Заинтересовался вашим прибором давно ищу такой. Вопрос в следующем.. в характеристике написано 50-250 вольт, т.е до 50 вольт он не будет отображать показания? Или я ошибаюсь. Сейчас собираю регулятор переменного напряжения - латр, разделительный трансформатор и хотел бы применить ваш прибор в качестве индикатора показаний, для снятия характеристик с трансформаторов дросселей и т.д.

<
  • Кандидат
17 марта 2016 23:15

Вячеслав / vyatcheslav

  • С нами с 17.03.2016
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 комментарий
  • 0 публикаций
 
  • 0
Спасибо за статью. Меня интересует, как поведет себя прибор при измерении тока и напряжения снимаемого с тиристорного (симисторного) регулятора мощности, есть ли замечания по применению его как измерителя в таких конструкциях?

Информация
Вы не можете участвовать в комментировании. Вероятные причины:
— Администратор остановил комментирование этой статьи.
— Вы не авторизовались на сайте. Войдите с паролем.
— Вы не зарегистрированы у нас. Зарегистрируйтесь.
— Вы зарегистрированы, но имеете низкий уровень доступа. Получите полный доступ.