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

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:

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:

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

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

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.

↑ 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  57.53 Kb ⇣ 306

Иван Внуковский,
г. Днепропетровск, Украина

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации