» » » V7 — Измерение RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности. Облегченная версия

 
 
 
12

V7 — Измерение RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности. Облегченная версия

Разместил if33 7 мая 2014. Просмотров: 12 835

После публикации моей статьи «V6» — измеритель RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности (Atmega 8) возникла мысль несколько упростить прибор.

Прибор сделан для установки на рабочем столе у моего товарища. С целью упрощения был исключен один канал измерения тока, изменено подключение выводов индикатора и заменен импульсный блок питания на трансформаторный. Конструкция состоит из двух плат, расположенных одна над другой.

Технические характеристики

1. Пределы изменения измеряемого напряжения 190 – 255 Вольт, дискретность 0,5 Вольта. Показания отображаются с шагом 1 Вольт.
2. Пределы изменения измеряемого тока: 0 – 10 Ампер, дискретность - 0,02 A
3. Активная мощность отображается в Ваттах.
4. Полная мощность отображается в Вольт-Амперах.


Принципиальная схема. Микроконтроллерный модуль

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

Описание работы схемы не приводиться, так как оно полностью соответствует предыдущей статье.

Модуль шунтов и питания


Питание прибора осуществляется от трансформаторного источника c выходным напряжением 8 - 12 Вольт. Стабилизатор питания +5 Вольт собран на микросхеме 78L05 и особенностей не имеет.

V7 — Измерение RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности. Облегченная версияВнимание! Устройство имеет гальваническую связь с питающей сетью. При настройке необходимо все подключения необходимо производить только при отключенном сетевом питании устройства.
Обязательно проверить по датшиту правильность подсоединения питания (ножки 1 и 2) своего ЖК индикатора.

Программа

Программа несколько уменьшена в связи с изменением схемы. Текст программы очень подробно прокомментирован, см. код.
Программируется микросхема в режиме последовательного программирования через SPI, используя разъем дисплея. Дисплей вынимается на время программирования и подключается программатор. При этом прибор должен быть отключен от сети!

Конфигурационные биты

Внимание! Выводы программирования через SPI отличаются от версии V6. Необходимо при подключении руководствоваться принципиальной схемой.

Детали и конструкция

Конденсаторы C2 (4,7 мкф), С6, С7 (10 мкФ) - керамические SMD.
Все детали установлены на двух печатных платах, распложённых одна над другой и скрепленных винтами, как показано в начале статьи. Платы соединены между собой 5-и проводным кабелем.


Дисплей вставляется в разъемы платы. 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.


Шунт выполнен в виде четырех параллельно соединенных резисторов мощностью 0,1 Ом 2 Вт. Трансформатор любой маломощный дающий на выходе 8 - 12 Вольт. Для изменения пределов измерений можно применить шунт на требуемый ток. Падение напряжения на шунте должно быть в пределах 30 - 100 миллиВольт при выбранном токе. Прошивки для различных шунтов прилагаются.


Так как плата очень несложная, то она может быть изменена под используемый шунт для увеличения величины измеряемого тока.


Корпус не делался, так как прибор будет расположен на панели управления рабочего стола.

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 (третий слева), устанавливаем показания напряжения на дисплее равными напряжению, поданному на вход. Возможно придется изменить резистор R7.
3. Для настройки правильных показаний амперметра подключаем нагрузку (лампу накаливания на 60 – 100 Ватт) 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. При этом возможно придется подобрать резистор R3.

Файлы

Печатная плата, исходник, прошивки на 1, 5, 10, 20, 50, 100 Ампер.
Dop.-proshivki-V7.zip | Файл 21,77 Kb загружен 180 раз.
v7_1.zip | Файл 38,57 Kb загружен 54 раз. (21-01-2016 Обновлено)


Спасибо за внимание!
Иван Внуковский, г. Днепропетровск
Иван (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: 49

21 января 2016 изменил Datagor. Исправлена схема, дополнен текст

Поделись с друзьями!

Связанные материалы:


Схема на Датагоре. Новая статья Контроллер управления кухонной электроплитой. Регулятор мощности и таймер отключения... Благодаря идее и участию Юрия Зинченко (ZenitSoft) было разработано и построено устройство,...
Схема на Датагоре. Новая статья Дополнения к статье "Прибор для наладки и тестирования импульсных блоков питания и сварочников"... Теперь у меня обновка: вместо этого старенького С1-101 — цифровой Rigol После публикации моей...
Схема на Датагоре. Новая статья Простой модульный вольтметр переменного напряжения на PIC16F676... Простой вольтметр переменного напряжения с частотой 50 Гц, выполнен в виде встраиваемого модуля,...
Схема на Датагоре. Новая статья Автоматическое зарядно-тренирующее и измеряющее устройство для 12-вольтовых герметичных аккумуляторов (PIC12F675). Часть 2... Предлагаю вашему вниманию дополнения и улучшения к моему проекту на Датагоре «Автоматическое...
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 «V6» — измеритель RMS-значений напряжения, тока, активной и полной мощности (Atmega 8)... Весьма часто возникает необходимость знать величину потребляемой (активной) мощности различными...
Схема на Датагоре. Новая статья Автоматическое зарядно-тренирующее и измеряющее устройство для 12-вольтовых герметичных аккумуляторов (PIC12F675)... 28-04-2014 ОБНОВЛЕНИЕ! Предлагаю вашему вниманию дополнения и улучшения к этому моему проекту на...
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 Простое зарядное устройство с постоянным током зарядки и ограничением выходного напряжения на LM317... Зарядное устройство для щелочных и свинцовых аккумуляторов ёмкостью до 10-15 Ампер-час, для...
Схема на Датагоре. Новая статья Транзисторный фильтр питания с высоким КПД для аудиоаппаратуры... При создании прибора для ремонта телевизоров мне потребовался регулируемый источник питания 30-300...
Схема на Датагоре. Новая статья Стабилизатор напряжения сети 1,8 кВт на PIC12F675... В последнее время мощности бытовых нагрузок возросли: появились фены, обогреватели, утюги, СВЧ печи...
Схема на Датагоре. Новая статья Миниатюрный полный USB-RS232 адаптер на CP-2102 для подключения микроконтроллера к компьютеру по USB... В продолжение к теме «Программатор AVR910», про маленькое устройство, хочу предоставить вашему...
<
  • Гражданин
8 мая 2014 19:06

Александр / alx25v

  • С нами с 10.10.2009
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 4 публикации
 
  • 0
А частота замеров какая?
Если шим смотреть на 5 кгц - измерит?

<
  • Гражданин
8 мая 2014 23:30

Иван / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 13 публикаций
 
  • 0
ШИМ 5 кгц не измерит. Меряет только на частоте 40-55 гц. Выделяет один период и делает по 160-200 замеров напряжения и тока за этот период.

<
  • Гражданин
9 мая 2014 18:01

Игорь / AudioKiller

  • С нами с 10.01.2012
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 293 комментария
  • 3 публикации
 
  • 0
Я бы 5-ю ногу ОУ все же подключил к напряжению 5 вольт. Надежнее...

<
  • Гражданин
9 мая 2014 23:15

Иван / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 13 публикаций
 
  • 0
Я бы 5-ю ногу ОУ все же подключил к напряжению 5 вольт. Надежнее...

Как-то не подумал, действительно было бы спокойнее.

<
  • Главный редактор
11 мая 2014 16:43

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 631 комментарий
  • 261 публикация
 
  • 0
Игорь, Иван, что именно нужно поправить и нужно ли?
5 ногу ОУ перекидываем со входа стабилизатора 78L05 на его выход?
Что это нам даёт?

<
  • Гражданин
12 мая 2014 01:10

Иван / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 13 публикаций
 
  • 0
Микросхема допускает подачу любого напряжения в пределах напряжения питания без ущерба для его работы, но 5 вольт является каким-то средним значением между напряжения питания, типа "искусственного нуля". При этом микросхема будет работать в режиме усилителя с коэффициентом 1, и возможно будет оказывать меньшее влияние на вторую половинку микросхемы.

<
  • Главный редактор
12 мая 2014 10:18

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 631 комментарий
  • 261 публикация
 
  • 0
Иван, спасибо!
Думаю, такое изменение некритично для работы устройства в целом.
Его можно иметь ввиду, как низкоприоритетное. Например для новых разработок или если кто будет разводить печатку с нуля.

<
  • Гражданин
23 мая 2014 17:48

Вячеслав / scorpionzzz

  • С нами с 13.01.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 12 комментариев
  • 0 публикаций
 
  • 0
Делал подобную штуку для замеров и ШИМов до 10кГц-20кГц в том числе. Статьи писать как-то не складывается, поэтому немного на словах кому интересно и если будут вопросы, с удовольствием отвечу )
Кстати, началось все с проекта автора вресии 2 еще, по моему. Но для моих задач меня не устраивало 2 момента - "привязка" к 50Гц с наличием разделительных конденсаторов в тракте АЦП (которые немного да фазу сдвигают, вопрос не критический, так как сдвиг вроде как во всех каналах одинаковый, но меня муляло + невозможность мерять постоянку) и второй момент – это гальваническая развязка.
В итоге проект получил STM32F103VET6 контроллер с 12 битным и достаточно быстрым АЦП работающий в режиме DMA. Так АЦП живет своей жизнью, просто наполняя память данными по "кольцу", а мы это "кольцо" просто периодически обрабатываем.
В результате этот МК позволил подключить TFT, которые по цене сейчас более чем досягаемы и выводить на него кучу информации (которая по большому счету не нужна пользователю, но оно ж ух как просится)) ) RMS, амплитудное значение, пиковое... в общем места много - что придумается то и выводи...
Но это все преимущества просто более "взрослого" МК. Теперь про аналоговую часть, которой при желании можно модифицировать и текущий проект. Сразу скажу, что кроме улучшения возможностей - это все удорожает конструкцию. Поэтому если мерять потребления холодильника или кондиционера, то не стоит и парится особо - решение автора одно из самых оптимальных.
Итак, для измерения тока использовался датчик тока ACS712 (есть на 5, 20 и 30 А - рекомендую на 20, самый оптимальный как по мне, есть серии ACS и для 75, 100, 200А, если кому мерять сварочный аппарат :) ). ACS712 обеспечивает гальваническую развязку до 2кВ. Основан на эффекте Холла, поэтому падение напряжения в нем не больше чем в монтажном проводе. Сразу стоит оговорится, что эти датчики меряют как переменный ток до 80кГц полностью повторяя на выходе форму измеряемого тока, так и постоянный в обоих направлениях.
По измерению напряжения, полной развязки добиться пока не удалось, но использован делитель 10МОм + 120кОм (подстроечник) + 10МОм - меряем по среднему 120кОм. Не совсем, чтоб гальваническая развязка, но взяться за фазу, через 10МОм, примерно как через фазовый пробник, ток в 30мкА, надеюсь смертельным не бывает при таких напряжениях. Здесь есть небольшая тонкость, так как для измерения переменного напряжения нужно двуполярное питание, а затем нужно сдвинуть ноль до 1.65В (STM32 - 3,3В). Поэтому организовываем "виртуальный" 0 для ОУ, простым резистивным делителем с конденсаторами в двух плечах на уровне 1,65В. Я делал его подстроечником (это проще, чем искать резисторы 1% и калибровать прошивку). И меряем напряжение с нашего делителя относительно нашего "виртуального" 0. Коэффициент усиления, а так же подстроечник в делителе в зависимости от желаемых параметров.
Если кто пойдет дальше, то есть ультралинейная оптопара IL300, можно попробовать мерять напряжение ней, что обеспечит полноценную гальваническую развязку, но потребует дополнительного "отвязаного" питания для "опасной" части. У меня опробовать пока руки не дошли.
Грубый алгоритм такой же как и у автора, да и у всех. У нас есть заполненый массив (по DMA с фиксированным интервалом времени между элементами), суммируем квадраты значений, делим на кол-во элементов, корень... Пока суммируем квадраты, находим максимум и минимум, что даст нам максимум, минимум и амплитуду, а так же проверяем все ли элементы с одной полярностью или нет, что даст нам показатель AC/DC. С частотой все не так просто и однозначно... Простые алгоритмы, как-то подсчет кол-ва элементов между переходами через 0 (в теории должны получить период) дают нестабильные результаты при несинусоидальной форме, шуме и т.п. Здесь нужно подходить через FFT, поэтому на частоту лично я забил :)
Ну а в остальном уже у кого какие фантазии, STM-ки штуки с мощной перефирией. У меня одна модификация с USB для измерения мощностей, токов и прочей ерунды на выходах УМЗЧ. Другой на щитке возле счетчика измеряет 4 канала = 1 напряжение + 3 тока на разные автоматы + считает TRUE RMS кВт/ч паралельно счетчику, контролирует перегрузку и напряжение и осуществляет "защиту" + шлет данные на ARM-компик с помощью nRF24L01
Собственно получается прибор, который может измерять напряжение, ток, мощность как постоянного, так и переменного тока любой формы до 10-30кГц (зависит от МК и прошивки) + всякие вкусности по фантазиям. "Базовый" вариант состоит из STM32, сдвоенный ОУ, ACS712, TFT, немного обвязки и источник питания (чтоб оценить масштаб затрат и сложности). С источником питания здесь есть свой нюанс... Всю "аналоговую" часть схемы и аналоговую часть МК следует питать от своих собственных линейных стабилизаторов 5 (для ACS712 и ОУ) и 3.3В (аналог MK и "виртуальный" 0) (например LM1117), а так же при разводке разделять аналоговую и цифровую землю! Иначе из 12бит АЦП, Вы потеряете 4-6 младших бит и замучаетесь программно чистить шум АЦП. Поэтому блок питания - 7-12 В с двумя каналами стабилизации 5В и 3.3В для "аналога" (линейные) и отдельно 3.3В для "цифры" и МК (хоть линейные, хоть импульсные).
Схемы привести могу, но думаю, в целых них нет никакой ценности, скорее помодульно если кому интересно.
С прошивкой еще сложнее, так как она зависит от перефирии и задач (для тех же разных TFT будут разные библиотеки) и от желаемых результатов, поэтому тоже если кому интересно могу "модулями" исходников поделиться.
По этим причинам готовый прибор "возьми и повтори" вряд ли получится... Хотя наверное, зависит от автора. У меня не получалось повторить ни чужие, ни свои же приборы, так как всегда приходят в голову идеи-"улучшалки", которые хочется опробовать. Иногда с положительными результатами, иногда с бабахами :).
Еще один минус - понадобится изготовление платы 0,2/0,2мм и желательно двухсторонней. Хотя при большом желании можно обзавестись платой-адаптером для LQFP и развести одностороннюю.
Если кто задумается, то советую смотреть уже на STM32F4 - производительность будет на голову выше.

<
  • Подписчик
2 декабря 2015 22:08

Сергей Лайков / Servik

  • С нами с 1.11.2015
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 комментарий
  • 0 публикаций
 
  • 0
Здравствуйте. Собираю прибор.
Вопрос к автору: в схеме конденсаторы С2, С6, С7 электролитические.
На фото монтажной платы их нет. Предполагаю, что они заменены на керамические SMD. Так ли это?
И еще: Керамики SMD на 47 мФ не нашел, посоветуйте, как поступить?

<
  • Главный редактор
11 января 2016 20:51

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 631 комментарий
  • 261 публикация
 
  • 0
Из формы обратной связи:
Не дождался ответа на свой первый вопрос по теме. Прибор собрал. Работает, определяет напряжение, ток на нагрузке, активную мощность, НО! полную мощность не определяет, пишет "0". Я не профессионал в электронике и прошу отозваться тех, кто может помочь. Заранее благодарен.
С уважением, Servik.

<
  • Гражданин
14 января 2016 15:02

Иван / if33

  • С нами с 2.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 73 комментария
  • 13 публикаций
 
  • 0
Вопрос к автору: в схеме конденсаторы С2, С6, С7 электролитические

Да, действительно они заменены на керамические SMD C2 - 4,7мкф, а С6, С7 - 10 мкФ.
Прошу прощения, я не видел Вашего сообщения, спасибо Игорю, что он напомнил.

<
  • Главный редактор
21 января 2016 19:50

Игорь Петрович Котов / Datagor

  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 631 комментарий
  • 261 публикация
 
  • 0
Схема откорректирована, дополнения внесены, Ивану и Сергею спасибо!

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.