Rangkaian wattmeter digital dan prinsip pengoperasian. Wattmeter digital di MK. Diagram koneksi alat ukur

Seringkali kita perlu mengukur kekuatan peralatan listrik tertentu. Selain itu, kadang-kadang berguna untuk mengetahui secara bersamaan arus beban I dan tegangan U, dan bukan hanya daya (tidak masalah yang mana), tetapi juga total P dan S aktif (sering bingung dan tidak selalu diklarifikasi mana yang dimaksud dalam satu atau lain cara). Selain itu, dalam beberapa kasus tertentu, perlu diketahui faktor daya jaringan yang sama dengan P/S (alias kosinus φ (phi) - sudut fasa antara tegangan dan arus), daya reaktif Q dan φ itu sendiri.

Penjelasan tentang berbagai istilah kelistrikan dan landasan teori yang mendalam berada di luar cakupan artikel ini; semua ini dapat ditemukan di sumber khusus, seperti buku teks TOE (misalnya) dan sejumlah publikasi di Internet.

Multimeter biasa tidak akan membantu dalam menyelesaikan permasalahan di atas, karena... Dengan mengukur, bahkan secara bersamaan (dengan 2 instrumen), arus dan tegangan beban dalam jaringan, kita hanya dapat memperoleh S=UI, dan semua parameter lainnya tetap tidak dapat diakses, karena Kamu dan aku saja tidak cukup untuk menghitungnya.

Solusi yang tersedia

Untuk mengatasi masalah ini, ada perangkat khusus - wattmeter dan pengukur fase volt-ampere universal, tetapi sejak itu Karena merupakan peralatan khusus, dan bukan perangkat untuk keperluan umum, perangkat ini cukup sulit ditemukan dan terkadang harganya tidak murah. Selain itu, perangkat tersebut tidak selalu menampilkan semua parameter sekaligus. Misalnya, ada desain yang sangat sederhana dan murah di Internet, tetapi desain tersebut sangat terspesialisasi (misalnya, hanya mengukur φ).

Sebagai salah satu contoh penggunaan AVR MK, Atmel menerbitkan uraian tentang desain meteran listrik tertentu berdasarkan basis elemen yang dapat diakses -. Namun produk ini kurang cocok digunakan sebagai alat ukur, karena... hanya menunjukkan konsumsi daya pada meteran elektro-mekanis dengan roda bernomor (mirip dengan meteran listrik rumah tangga).

Penulis artikel berhasil menemukan perangkat yang cukup universal di Internet -. Ini adalah wattmeter yang dibangun di atas ATMega8 MCU, yang mengukur semua parameter di atas. Namun analisis mendetail mengungkapkan bahwa perangkat tersebut memiliki banyak kekurangan, beberapa di antaranya diuraikan dalam artikel tersebut. Hal ini juga dibahas lebih rinci di bawah ini.

Perusahaan ini menawarkan berbagai macam sirkuit mikro pengukur listrik (Energy-Meter IC), yang dirancang untuk membuat meteran listrik dan memecahkan masalah pengukuran listrik lainnya. Harganya tidak terlalu mahal, mereka memiliki dokumentasi teknis yang terperinci dan banyak contoh penggunaannya bersama dengan berbagai mikrokontroler, tetapi sayangnya, sirkuit mikro ini tidak ada di mana-mana dan tidak selalu tersedia (terkadang lebih mudah untuk menemukan sirkuit mikro yang dinonaktifkan atau sedikit rusak. meteran listrik dengan beberapa -sirkuit mikro daripada sirkuit mikro itu sendiri), yang bagi penulis artikel adalah alasan utama untuk menolak menggunakannya dalam perangkat yang diusulkan.

Pada saat yang sama, semua tugas yang dijelaskan di atas cukup sulit untuk mikrokontroler AVR biasa, yang jauh lebih terjangkau dan terkadang lebih murah daripada sirkuit mikro dari AD. Apalagi untuk membuat alat ukur universal tetap tidak bisa dilakukan tanpa MK dan komponen lainnya.

Metode untuk mengukur variabel tegangan/arus, daya dan frekuensi

Sebelum mempertimbangkan desain perangkat itu sendiri, perlu memikirkan beberapa aspek teoretis dalam mengukur tegangan variabel, arus, dan parameter lain dari jaringan listrik.
Mari kita segera perhatikan bahwa kita akan mengukur nilai akar rata-rata kuadrat dari tegangan dan arus, karena nilai-nilai tersebut paling mendekati nilai efektif biasa - .

Sinyal apa pun harus dinormalisasi sebelum pengukuran - mis. bawa ke kisaran yang diizinkan dan parameter lain dari unit pengukuran yang digunakan. Di rangkaian kami, unit pengukurnya adalah ADC yang terintegrasi ke dalam AVR MK, yang mampu mengukur tegangan pada kisaran 0-5V. Menerapkan tegangan lain padanya (negatif atau lebih tinggi dari 5V) akan menyebabkan kegagalan, paling-paling, hanya ADC, dan dalam kasus terburuk, seluruh MK.

Pengukuran tegangan listrik AC terdiri dari 2 poin:

1. “Di suatu tempat untuk meletakkan” setengah gelombang negatif dari gelombang sinus, karena itu tidak termasuk dalam kisaran ADC.
2. Pastikan nilai maksimum (amplitudo) setengah gelombang positif tidak melebihi 5V.

Dalam kasus paling sederhana, kedua titik diselesaikan dengan dioda dan pembagi tegangan yang dihubungkan secara seri (Anda dapat menggunakan resistor biasa ditambah potensiometer multi-putaran untuk mempermudah pengaturan).
Dioda yang terhubung dengan benar berperan sebagai penyearah setengah gelombang dan memutus setengah gelombang negatif, mencegahnya masuk ke rangkaian selanjutnya.

Pembagi mengurangi (menskalakan) tegangan ke kisaran yang diperlukan. Koefisien pembagian harus dipilih bukan berdasarkan standar 220V, tetapi setidaknya pada 260V, karena Tegangan dalam jaringan sangat jarang 220V, sering berfluktuasi dalam batas tertentu dan, di samping itu, sering terjadi “lonjakan” jangka pendek (tegangan tinggi) dan “penurunan” ( tegangan rendah).

Rangkaian ini sederhana, murah, andal, dan memiliki akurasi yang memadai, sehingga sebagian besar voltmeter didasarkan pada rangkaian ini. arus bolak-balik, baik digital maupun analog. Perangkat ini juga bekerja berdasarkan prinsip ini.

Untuk mendapatkan tegangan nyata, perlu mengalikan tegangan terukur pada input ADC dengan faktor pembagian pembagi dan dengan 2, untuk “mengkompensasi” setengah gelombang negatif yang terputus oleh dioda.
Kerugian dari pendekatan ini adalah sebagai berikut:

1. Hanya dioda ideal yang memutus tegangan setengah gelombang negatif pada level nol. Dioda nyata terbuka sedikit kemudian, pada tegangan +0.4..+1V. Itu. kita selalu kehilangan bagian dari setengah gelombang positif.
2. Mengalikan dengan 2 saat menghitung tegangan efektif nyata hanya berlaku untuk sinusoidal sejati, yaitu. ketika setengah gelombang negatif benar-benar simetris dengan setengah gelombang positif pada periode yang sama. Dalam jaringan listrik nyata, dengan adanya banyak interferensi, beban reaktif, dan faktor lainnya, kita dapat mengatakan bahwa separuh sinusoidal umumnya asimetris. Oleh karena itu, perkalian dengan 2 membawa serta beberapa hal kesalahan tambahan, yang tidak dapat dinilai (dan diperhitungkan) secara andal.

Namun, dalam kondisi amplitudo dan nilai tegangan efektif yang terus berubah, kesalahan ini dapat diabaikan.

Ada cara lain untuk mengukur tegangan - "menyesuaikan" seluruh gelombang sinus ke dalam kisaran 0..+5V. Untuk melakukan ini, Anda perlu "menaikkannya" setengah rentang ADC (yaitu +2,5 V) dan menyesuaikan pembagi sehingga seluruh sinusoida berada di antara 0 dan +5 V.

Dalam hal ini, kedua kelemahan tersebut dihilangkan - dioda tidak diperlukan dan ADC mengukur kedua setengah gelombang tegangan dengan semua "fiturnya". Dalam perhitungan lebih lanjut, penting juga untuk memperhitungkan +2.5V yang ditambahkan oleh rangkaian. Namun dengan bantuan software mikrokontroler (komputasi) hal ini sangat mudah dilakukan.
Satu-satunya kelemahan yang terlihat dari metode ini adalah koefisien pembagian. 2 kali lebih banyak (karena kita memasukkan kedua setengah gelombang, bukan hanya satu), yang meningkatkan kesalahan pengukuran. Namun sekali lagi, dalam kondisi tegangan amplitudo dan nilai yang terus berubah, hal ini tidak menyebabkan kesalahan yang nyata.

Setidaknya ada dua solusi rangkaian untuk metode ini - pembagi dan kapasitor, seperti pada driver titik tengah yang digunakan dalam rangkaian perangkat yang diusulkan (sama +2.5V) pada op-amp.
Namun pembagi tidak menyediakan isolasi galvanik pada jaringan yang diukur dan perangkat kami. Hal ini menimbulkan sejumlah ketidaknyamanan.

Oleh karena itu, perangkat tanpa isolasi galvanik harus digunakan dengan sangat hati-hati; tidak dapat dibumikan; semua komponen sirkuit harus diisolasi dengan hati-hati lingkungan dan mengambil tindakan pencegahan lainnya. Selain itu, jika kita ingin mentransfer hasil pengukuran ke suatu tempat, misalnya ke PC, kita tidak akan dapat menghubungkan perangkat kita secara langsung, misalnya ke port COM melalui konverter sederhana tipe MAX232. Untuk melakukan ini, Anda harus memisahkan semua jalur komunikasi, misalnya dengan optocoupler, dll.

Untuk mengatasi kelemahan ini, Anda dapat menempatkan trafo step-down biasa di depan pembagi (seperti pada catu daya) dan terlebih dahulu menyesuaikan koefisien pembagian agar sesuai dengan sinusoida ke dalam rentang ADC. Ini adalah solusi yang digunakan dalam perangkat yang diusulkan.

Sebagai kesimpulan, kami menyajikan rumus untuk menghitung nilai tegangan akar rata-rata kuadrat: , di mana N adalah jumlah pengukuran per periode (frekuensi sampling), u i adalah pengukuran tegangan sesaat. K – koefisien dengan mempertimbangkan pembagi dan transformator.
Pengukuran dapat dilakukan baik dalam satu periode maupun beberapa periode, diikuti dengan rata-rata. Jika kita tidak berbicara tentang struktur bangunan seperti osiloskop, maka rata-rata lebih disukai, karena Biasanya yang menarik adalah nilai rata-rata, bukan nilai sesaat.

Pengukuran saat ini.
Tidak ada ADC yang dapat mengukur arus dengan sendirinya. ADC hanya mengukur tegangan. Artinya, arus perlu diubah menjadi tegangan, diukur tegangannya, dan diubah kembali menjadi arus.
Cara paling sederhana untuk mengubah arus menjadi tegangan adalah dengan shunt, yang pada dasarnya merupakan resistor resistansi rendah yang kuat Rsh. Arus beban yang mengalir In menimbulkan jatuh tegangan Ush pada resistor, berbanding lurus dengan nilai In. Mengetahui hambatan shunt, dengan menggunakan hukum Ohm kita dapat menghitung arus beban: In=Ush/Rsh. Sebagian besar amperemeter, baik penunjuk maupun digital, didasarkan pada shunt.

Cara ini sangat sederhana, mudah dimengerti dan murah. Selain itu, simpul seperti itu sepenuhnya linier (persamaan In=Ush/Rsh diamati pada seluruh rentang arus operasi) dan tidak memiliki komponen reaktif apa pun, karena resistor adalah elemen aktif 100%.
Namun, selain kesederhanaan dan biaya rendah, sirkuit berbasis shunt memiliki sejumlah kelemahan:

Kerugian 2, 3 dan 4 sangat serius, dapat menimbulkan akibat yang sangat merugikan (kerusakan pada perangkat, sengatan listrik, dll.). Itulah sebabnya semua amperemeter yang banyak digunakan memiliki tanda peringatan yang artinya “mengukur arus tinggi (10A ke atas) tidak lebih dari 10-20 detik”.
Desainnya didasarkan pada shunt, yang berarti memiliki keempat kelemahan.

Cara lain untuk mengukur arus adalah dengan menggunakan transformator arus (CT). Transformator semacam itu adalah sebuah kumparan yang melaluinya beberapa (1-3) lilitan kawat dijalin, yang melaluinya beban diberi daya. Dalam CT industri yang kuat, busbar (pelat) logam tebal digunakan sebagai pengganti lilitan kawat. Prinsip pengoperasian CT pada dasarnya sama dengan transformator konvensional - medan elektromagnetik dari arus penghantar belitan primer (I1, arus beban, In) menginduksi arus (I2) pada belitan sekunder, sebanding dengan Di dalam. Itu adalah I2=In*K, K – koefisien transfer arus (nilainya distandarisasi - 1:500, 1:1000, dll.). Selanjutnya arus ini diubah oleh shunt Rb menjadi tegangan, yang sudah dapat diukur dengan voltmeter konvensional (atau ADC) dan diubah menjadi tegangan. Karena Arus belitan sekunder selalu sangat kecil, sehingga shunt yang sangat kuat tidak diperlukan di sini dan tidak terbakar karena beroperasi pada daya maksimum.

Untuk CT yang diberi nilai arus hingga 25A, daya resistor shunt biasanya hanya 0,125 W. Dan ini adalah resistor biasa yang mudah diakses untuk penggunaan luas, dan bukan bagian khusus yang langka dan langka.

Perhitungan arus beban bila menggunakan CT berbentuk : In=I2/K. I2=U2/(Rb+R2), dimana U2 adalah tegangan pada shunt Rb, R2 adalah resistansi belitan sekunder. Maka Masuk = U2/(K*(Rb+R2)). Pada dasarnya hukum Ohm sama.
Anda dapat membaca lebih lanjut tentang CT dan prinsip pengoperasiannya di artikel khusus, misalnya di.

Keuntungan utama TT dibandingkan shunt:

1. Isolasi galvanis.
2. Kemungkinan mengukur arus besar (misalnya, industri 500A).
3. Belitan yang putus tidak menyebabkan habisnya rangkaian pengukuran lainnya.
4. CT hampir tidak menimbulkan distorsi pada rangkaian yang diukur karena fakta bahwa belitan primer terdiri dari beberapa putaran kawat, dan induktansinya sangat rendah. Dalam CT industri yang kuat, bahkan tidak terdapat beberapa lilitan, yang ada hanyalah satu kawat kuat yang tebal yang dijalin melalui belitan atau busbar.

Namun ada beberapa kelemahannya:

1. CT jauh lebih mahal daripada resistor shunt.
2. Dalam beberapa kasus, CT menghasilkan beberapa pergeseran fasa pada arus keluaran relatif terhadap masukan.
3. Putusnya shunt belitan sekunder menyebabkan kejenuhannya (pada dasarnya kerusakan pada CT itu sendiri) dan distorsi parameter rangkaian yang diukur.
4. Pada rentang arus yang luas, CT bersifat nonlinier, yaitu K di atas bukanlah suatu konstanta. Ini adalah konsekuensi langsung dari histeresis magnetik inti transformator. Hal ini dapat dikompensasi dengan membagi seluruh rentang arus yang diukur menjadi beberapa bagian (subrentang) dan menggunakan K yang berbeda untuk setiap subrentang. Selain itu, terdapat CT dengan inti yang terbuat dari berbagai paduan khusus yang memiliki histeresis rendah.

Metode lain untuk mengukur arus dan jenis CT tidak dibahas di sini. Ada banyak ulasan dan artikel tentang topik ini, misalnya.

Perangkat yang diusulkan menggunakan CT untuk menyediakan isolasi galvanik dari jaringan yang diukur.
Rumus menghitung nilai rms arus hampir sama dengan rumus tegangan.

Pengukuran daya aktif dan reaktif .
Dari TOE () diketahui bahwa daya aktif beban dihitung sebagai integral produk tegangan sesaat dan arus pada satu periode frekuensi: . Pada alat ukur digital tidak dihitung integralnya, sehingga rumus ini berbentuk: , dimana u, i adalah nilai sesaat arus dan tegangan yang diukur menggunakan ADC, N adalah banyaknya pengukuran arus dan tegangan per periode. Mirip dengan tegangan dan arus, daya aktif dapat diukur selama beberapa periode dan N disesuaikan.
Kekuatan total (S), aktif (P) dan reaktif (Q) dihubungkan dengan kesetaraan. Oleh karena itu, dengan mengetahui S dan P, Anda dapat dengan mudah menghitungnya.

Mengukur faktor daya jaringan dan sudut fasa.
Kedua parameter ini saling terkait satu sama lain, karena faktor daya tidak lebih dari kosinus sudut fasa (φ) antara tegangan dan arus (lihat TOE). Oleh karena itu, salah satu dari mereka dapat diukur, dan yang kedua dihitung menggunakan trigonometri sederhana.

Metode pertama (mungkin yang paling jelas dan sederhana) adalah dengan mendeteksi waktu antara awal periode sinusoida tegangan dan awal sinusoida arus, menghitung ulang menjadi φ dan kemudian menentukan kosinusnya. Beginilah cara kerja algoritma untuk menentukan sudut.

Namun, metode ini memiliki satu kelemahan yang sangat serius - metode ini jelas hanya berfungsi pada sinusoid ideal dan "bersih", tanpa gangguan, yang mana kehidupan nyata sangat jarang. Faktanya, jaringan listrik penuh dengan berbagai gangguan, interferensi, dan “artefak” lainnya, sehingga sulit untuk menentukan secara akurat awal periode “sebenarnya”.

Oleh karena itu, jika, katakanlah, di apartemen metode ini akan memberikan hasil yang sepenuhnya normal, maka di beberapa pabrik yang memiliki banyak mesin, mesin las dan peralatan listrik bertenaga lainnya, hal yang tidak masuk akal dapat terjadi (misalnya, nilai sudut yang terus berubah). Bahkan pada beban yang “tidak berbahaya”, distorsi yang kuat terkadang dapat diamati, misalnya sinusoida saat ini. Penulis, misalnya, memiliki speaker Sven BF-11R, yang bentuk arusnya lebih mirip gergaji yang dimutilasi dengan setengah gelombang piramidal multi-tahap daripada gelombang sinus. Meskipun secara adil perlu dicatat bahwa penulis tidak melakukan penelitian skala besar tentang topik ini karena kurangnya kemampuan teknisnya.

Metode kedua mengikuti relasi . Artinya, dengan mengetahui tegangan, arus dan daya aktif, Anda dapat dengan mudah menentukan faktor daya. Lebih jauh, . Menurut penulis, cara ini adalah yang paling bisa diandalkan. Inilah yang digunakan pada perangkat yang diusulkan.

Jelas bahwa ketiga pangkat, sudut dan kosinus harus dihitung hanya jika U<>0 dan saya<>0. Jika tidak, mereka dapat dengan mudah direset ke nol tanpa perhitungan apa pun.

Diagram perangkat, detail

Diagram rangkaian listrik wattmeter ditunjukkan pada Gambar. 1.

Beras. 1. Diagram rangkaian listrik

Rangkaian perangkat terdiri dari 2 bagian - analog (di sebelah kiri sakelar DIP SW1) dan digital (di sebelah kanan).

Bagian analog terdiri dari transformator pengukur tegangan (T1), arus (T2) dan node pencocokan.
Resistor R2 adalah potensiometer untuk mengatur tegangan yang disuplai ke ADC.
T2 adalah trafo arus Talema AC1025 yang dimuat pada resistor shunt 100 Ohm R1 dengan daya 0,125 W. Parameter resistor ini direkomendasikan oleh pabrikan trafo. Selain itu, menurut penelitian penulis, resistor semacam itu memberikan linearitas terbaik dari CT yang digunakan. Gulungan primer adalah 2 putaran kawat inti tunggal biasa dengan penampang 1-1,5 mm, ini cukup untuk beban rumah tangga dengan daya hingga 2 kW dan arus hingga 10A. Ketebalan kawat ini tidak mempengaruhi karakteristik dan konfigurasi rangkaian.

Node R3, C1, C3, DA1.1 – pembentuk titik tengah untuk “menaikkan” sinusoida hingga setengah rentang ADC. Op amp DA1 – pada dasarnya apa saja. Penulis menggunakan LM358 dan MCP601 rail-to-rail. Dalam hal pinout case (setidaknya DIP) keduanya identik.

Pembagi R4, R5, R6 – rantai untuk mengukur arus besar (dari 4-5A).
Pasangan dioda VD1-VD2, VD3-VD4, VD5-VD6 dan R7 adalah perlindungan klasik input ADC dari tegangan lebih (lebih tepatnya, dari sinusoid yang melampaui batas 0..+5V). VD1-VD4 – lebih disukai Schottky. Anda juga dapat menggunakan rakitan dioda “khusus” seperti BAV199 (1 rakitan berisi 1 pasang dioda) atau serupa.
Semua potensiometer (R2, R3 dan R5) sebaiknya multi-putaran. Mereka akan memungkinkan Anda untuk melakukan penyesuaian node sirkuit yang paling tepat.

Rangkaian tidak mengandung filter apa pun pada input ADC karena transformator yang digunakan dirancang untuk beroperasi dengan arus pada frekuensi 50/60 Hz dan tidak mengirimkan sinyal frekuensi tinggi dengan baik. Namun penulis tidak melakukan kajian secara detail karena kekurangannya Peralatan yang diperlukan(generator frekuensi berbeda, dll.).

Untuk mengukur arus, disediakan 2 saluran - arus rendah (T2-R7-ADC2) dan arus tinggi (T2-R4-R5-R6-ADC3). Keputusan ini disebabkan oleh fakta bahwa beban berat(4-5A dan lebih tinggi) menyebabkan munculnya tegangan pada output CT yang amplitudonya melebihi 4,5-5V. Bagian atas setengah gelombang dengan tegangan seperti itu akan terpotong oleh pasangan dioda VD3, VD4, yang berarti hampir tidak mungkin untuk mengukur arus di atas nilai yang ditentukan. Firmware pengontrol secara otomatis memilih sinyal mana yang akan digunakan.

Bagian digital sirkuit - mikrokontroler AtMega16, layar LCD alfanumerik standar tipe HD44780 dan elemen lainnya. Sirkuit koneksi adalah standar untuk komponen ini. Saat menyambungkan layar, Anda harus dipandu oleh dokumentasi untuk model tertentu, karena Ada pinout (pinout) yang berbeda. Penulis mengetahui 2. Diagram menunjukkan yang paling umum.
Satu-satunya persyaratan untuk tampilan adalah harus di-Russified, karena Semua pesan dikeluarkan dalam bahasa Rusia.

Resistor R8 adalah resistor biasa (bukan multi-putaran), digunakan untuk mengatur tingkat kontras gambar yang diinginkan pada LCD.
R9 dan SB5 – lampu latar. Pecahan R9 tidak dicantumkan, karena Model LCD yang berbeda memiliki arus lampu latar yang berbeda. Hal ini dapat dihitung menggunakan hukum Ohm menggunakan nilai arus lampu latar untuk tampilan tertentu. Jika layar tidak memiliki lampu latar, maka R9 dan SB5 tidak diperlukan sama sekali.

R11, VD6 – Indikator “Daya disuplai”.
Tidak diperlukan pengaturan khusus untuk bagian digital. Jika bagian-bagiannya dalam kondisi baik, instalasi yang benar dan pengontrol yang diprogram, sirkuit mulai bekerja segera setelah daya dialirkan.

MKnya sendiri bisa modifikasi AtMega 16/16A. Modifikasi dengan huruf L tidak dapat digunakan - biasanya tidak berfungsi pada frekuensi 16 MHz. Masalah overclocking seperti “cara membuat AVR dengan huruf L bekerja pada frekuensi 16 MHz” tidak dipertimbangkan di sini. Anda dapat menggunakan yang lain - Mega32, 64, 128, tetapi untuk itu Anda perlu mengkompilasi ulang firmware yang sesuai.

Saat memprogram (firmware), selain mengunggah file wattmetr.hex ke pengontrol, Anda juga perlu:
1. atur mode resonator kuarsa (CKSEL3..0=1111)
2. atur CKOPT=0 (wajib, karena kuarsa 16MHz)
3. atur JTAGEN=1. Jika hal ini tidak dilakukan, maka LCD tidak akan berfungsi dengan benar, karena pengontrol JTAG (4 bit PC paling signifikan) tidak dapat dimatikan secara software.
4. flash EEPROM dengan informasi konfigurasi awal (file wattmetr.eep).

Penulis menggunakan programmer PonyProg terpisah dengan antarmuka LPT untuk pemrograman. Desain penulis menggunakan pengontrol dalam paket DIP dan konektor untuk itu, sehingga tidak ada konektor untuk menghubungkan programmer ISP pada diagram dan pada papan sirkuit tercetak, tetapi kaki PB5-PB7 (programmer terhubung ke mereka) sengaja dibiarkan bebas.

Semua tombol tidak diperbaiki. Desainnya bisa apa saja, tergantung pada kondisi pengoperasian yang diharapkan. SB1-SB3 dan VD5 hanya digunakan saat mengatur dan mengkalibrasi perangkat, sehingga dapat ditempatkan langsung di papan, SB4 dan SB2 juga digunakan untuk mengganti mode tampilan informasi di layar, sehingga lebih baik untuk menampilkannya di luar atau duplikatnya untuk kemudahan kalibrasi (2 tombol terhubung secara paralel – di papan dan di casing). Untuk menghubungkan tombol duplikat, keran khusus untuk konektor dibuat di papan.
Kegunaan tombol dan LED akan dijelaskan di bawah pada bagian “Kalibrasi” dan “Pengoperasian”.

Perlu dicatat bahwa diagram tidak menyertakan konverter level UART (pin 14, 15 dari pengontrol). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa jenis dan ada tidaknya konverter tersebut sangat bergantung pada perangkat apa yang akan dihubungkan. Kalau port COM, maka itu chip MAX232, jika USB, maka seperti FT232BM, jika ke pengontrol lain, mungkin tidak diperlukan konverter sama sekali, dll.

Perancangan penulis melibatkan koneksi ke mikrokontroler AVR lain, sehingga tidak ada konverter sama sekali. Resistor R12 diperlukan untuk mempertahankan level tinggi pada input Rx jika tidak ada transmisi (sesuai aturan operasi UART), atau saat antarmuka ini tidak digunakan sama sekali.

Diagram perakitan untuk MAX232, FT232, dll. tidak diberikan di sini; diagram tersebut dapat ditemukan di dokumentasi untuk sirkuit mikro ini. Anda juga dapat menggunakan kabel USB dari ponsel lama dengan antarmuka UART asli (seperti PL2303). Namun sebelum itu, Anda harus memastikan bahwa keluaran kabelnya adalah log. Level TTL, bukan RS232.
Untuk menguji pengoperasian antarmuka, penulis menggunakan node MAX232 yang dirakit di papan lain. Unit ini dihubungkan ke perangkat menggunakan kabel audio standar dari drive CD/DVD komputer.

Sirkuit ini diberi daya dari sumber 5V DC apa pun. Misalnya, dari catu daya klasik pada stabilizer chip tunggal LM7805 - gbr. 2. Anda juga dapat menggunakan catu daya lain yang menyediakan 5V, baterai, port USB komputer, dll.

Beras. 2. Catu daya

Jika Anda berencana untuk memberi daya pada rangkaian dari jaringan yang sama di mana beban terukur dihubungkan (seperti, misalnya, dalam kehidupan sehari-hari, di apartemen), maka Anda dapat menggabungkan transformator T1 dari kedua rangkaian. Itu. gunakan satu, dengan dua belitan sekunder independen. Jadi, dalam salinan penulis, digunakan satu trafo dengan dua sekunder 15V.

Sirkuit dapat dirakit dengan cara apa pun yang nyaman.

Artikel ini juga disertai dengan gambar papan sirkuit tercetak yang dibuat menggunakan program terkenal. Ini melibatkan penggunaan PCB dua sisi dan penerapan sejumlah kecil lubang vias (metalized). Namun, jika tampaknya tidak mungkin membuat kabel dua sisi dan lubang logam (misalnya, di rumah, menggunakan), maka:
1. tempatkan pada PCB satu sisi hanya lapisan M2, yang berisi sebagian besar semua trek;
2. alih-alih vias logam, Anda bisa membuat vias biasa;
3. Ganti semua jejak lapisan M1 (bersama dengan vias yang sesuai) dengan kabel jumper. Sangat mudah digunakan untuk memotong kaki komponen radio, misalnya resistor dan kapasitor.

Fitur-fitur berikut juga harus diperhatikan:

• Trafo instrumen T1 dan T2 di papan tidak dirutekan, karena mereka dapat memiliki desain dan dimensi yang berbeda. Salinan penulis, misalnya, menggunakan belitan kedua trafo catu daya sebagai T1. Gulungan transformator dihubungkan ke papan menggunakan kabel dengan konektor.
• R1 (CT shunt) tidak disalurkan ke papan, melainkan harus disolder langsung ke pin CT. Hal ini mengurangi risiko kegagalan shunt.
• Untuk menyambungkan LCD, papan memiliki konektor, urutan kontaknya sesuai dengan tata letak tampilan paling umum yang ditunjukkan pada Gambar 1. Saat merakit perangkat, pastikan untuk memeriksa deskripsi salinan LCD Anda, karena dalam praktiknya, ada banyak perbedaan - urutan kontak yang tidak standar, lokasinya di sisi papan display, kontak SMD, dll.
• Ada saklar DIP quad di papan, karena... Tidak selalu mungkin untuk menemukan yang rangkap tiga sedang dijual. Jika memungkinkan untuk menggunakan yang rangkap tiga, maka alih-alih sakelar kiri di papan (sirkuit kaki ke-40 pengontrol), Anda harus menyolder jumper kawat (atau meletakkan trek di lapisan M1 dan membuat 2 lubang logam tambahan ).

Perhatian! Penulis merakit dan men-debug perangkat di papan tempat memotong roti, karena itu dimaksudkan untuk digunakan sebagai bagian dari perangkat lain. Oleh karena itu, gambar desain yang diusulkan hanya bersifat teoritis dan belum teruji secara praktik.
BP menurut Gambar. 2 dirakit di gardu induk siap pakai buatan pabrik. Gambarnya juga terlampir.

Menyiapkan skema

Perhatian! Sebelum mengatur rangkaian, sebaiknya buka ketiga saklar DIP SW1 (atau lepaskan MK dari rangkaian). Jika menggunakan quad switch, maka jalur kaki ke-40 pengontrol tidak perlu dibuka.
DI DALAM kasus umum, manipulasi sakelar DIP lebih disukai, karena Ada informasi bahwa beberapa salinan (atau model) LCD akan terbakar jika tidak segera diinisialisasi setelah dinyalakan, meskipun penulis belum menemukan hal seperti itu. Jika pengontrol dilepas, maka tidak akan ada orang yang menginisialisasinya.

Menyiapkan rangkaian dilakukan dengan mengatur potensiometer R2, R3 dan R5 dengan urutan sebagai berikut:
1. Dengan beban terputus, gunakan R3 untuk mengatur tegangan pada titik A menjadi +2,5V relatif terhadap ground sirkuit.
2. Berikan tegangan ke T1 dan atur output R2 ke 1V relatif terhadap titik A. Jika Anda memiliki osiloskop, periksa sinusoidal pada output R2 sehingga berada dalam +1..+4.5V (yaitu, tidak terpotong oleh dioda VD1-VD2). Jika Anda memiliki autotransformator laboratorium atau stabilizer dengan kemampuan untuk sedikit meningkatkan tegangan, maka Anda dapat menerapkan peningkatan tegangan ke input T1 (misalnya, 260-270V) dan menyesuaikan gelombang sinus sehingga ada beberapa margin atas rentang tegangan input.
3. Hubungkan beban yang kuat (4-5A - misalnya, setrika 1 kW) dan gunakan R5 untuk mengatur tegangan pada keluaran pembagi menjadi kira-kira 5 kali lebih kecil dari pada masukannya. Jika menggunakan voltmeter biasa, maka relatif terhadap titik A. Jika Anda memiliki osiloskop, pastikan sinusoidal dari keluaran pembagi tidak terpotong oleh dioda.

Selalu lakukan pengukuran dengan osiloskop relatif terhadap tanah.
Jika gelombang sinus terputus di suatu tempat, pembacaan perangkat akan salah.
Setelah konfigurasi, kami memulihkan koneksi antara bagian analog rangkaian dan MK (nyalakan semua sakelar DIP).
Kalibrasi instrumen dijelaskan di bawah ini.

Firmware

Mikrokode pengontrol ditulis dalam bahasa C menggunakan compiler CvAVR.
Ini terus-menerus melakukan polling pada saluran ADC, menghitung ulang tegangan pada inputnya menjadi nilai terukur nyata dan menampilkan nilai yang diperoleh pada layar.

Setiap siklus pengukuran berlangsung 0,5 detik, setelah itu data diproses (parameter yang diukur dihitung) dan ditampilkan. Setiap pengukuran mencakup pengukuran tegangan pada input ADC1-ADC3 dan menghitung nilai awal, berdasarkan perhitungan tegangan, arus, dll. yang diperlukan. Pendekatan ini dijelaskan lebih rinci di bawah.

Pengukuran dilakukan dengan menggunakan interupsi timer TC0 dengan frekuensi 5 kHz.
Itu. 100 kali per periode (20 ms), dalam interupsi pengatur waktu, pengukuran dilakukan dari ketiga saluran ADC (ADC1-ADC3). Setelah 0,5 detik, pengatur waktu mati dan penghitungan dilakukan. Tegangan titik tengah (ADC0) diukur setiap kali sebelum pengatur waktu dimulai. Hal ini memungkinkan Anda untuk mengurangi pengaruh riak tegangan titik tengah acak pada pembacaan perangkat.

Sekarang mari kita lihat metode pengukurannya besaran fisis, diimplementasikan dalam mikrokode pengontrol.
Pendekatan teoretis untuk mengukur berbagai besaran listrik telah diberikan di atas, namun di sini perlu mempertimbangkan perbedaan praktis dari teori dan ciri-ciri penerapan pengukuran tersebut.
Sangat sulit untuk mengimplementasikan semua rumus yang diberikan dalam pengenalan teoritis secara langsung dalam mikrokontroler, jika tidak dikatakan tidak mungkin sama sekali.

Faktanya adalah bahwa semuanya selalu menyiratkan bahwa semua besaran yang termasuk di dalamnya (misalnya, tegangan dan arus sesaat) adalah bilangan nyata (floating point, jika kita berbicara dalam bahasa pemrograman). Namun dalam mikrokontroler pada umumnya, dan pada AVR pada khususnya, tidak ada koprosesor aritmatika yang mampu menjumlahkan atau mengalikan dua bilangan tersebut bahkan dalam 10 siklus clock. Tindakan tersebut dilakukan melalui emulasi perangkat lunak, yang bekerja sangat lambat. Belum lagi algoritma berulang yang memakan waktu dan memakan waktu untuk mengekstrak akar kuadrat dan menghitung fungsi trigonometri arccos (arc cosine) yang digunakan dalam menghitung φ.

Dengan kata lain, jika Anda menerapkan tindakan seperti itu dalam penangan interupsi yang dipanggil setiap milidetik sekali, maka penangan tersebut tidak akan dapat menyelesaikannya dalam waktu 1 ms, yang, paling-paling, akan menyebabkan "rem" yang buruk, dan sebagian besar kemungkinan besar akan membekukan pengontrol sepenuhnya. Kedua hal ini sebenarnya berarti perangkat tidak dapat dioperasikan sepenuhnya.

Anda dapat menggunakan metode lain untuk menghitungnya, seperti algoritma tabel (untuk akar kuadrat dan arc cosinus) dan manipulasi nilai "berskala" (misalnya, arus dapat dihitung bukan dalam pecahan ampere, tetapi dalam bilangan bulat miliampere - 1,253 A = 1253mA), dll. Namun algoritma ini mempunyai banyak kekurangan - kode programnya “membengkak” dengan operasi yang tidak perlu, membuat algoritma yang sudah cukup rumit menjadi membingungkan dan tidak jelas. Selain itu, hal ini meningkatkan konsumsi memori (baik RAM maupun Flash), yang terkadang sangat kurang di MK. Keakuratan perhitungan seperti itu juga sering kali menurun.
Pada saat yang sama, transformasi matematis sederhana dari rumus teoritis memungkinkan Anda untuk sepenuhnya menghindari semua masalah ini sambil mempertahankan kemampuan untuk menggunakan floating point dan fungsi sqrt dan arccos dari perpustakaan C standar.

Mari kita pertimbangkan metode ini menggunakan contoh penghitungan tegangan.
Pada bagian teoritis artikel, rumus (1) diberikan, di mana u i adalah nilai tegangan sesaat, yang selanjutnya dihitung sebagai u=K*u adc (2), di mana u adc adalah tegangan pada ADC masukan, K adalah konstanta dengan memperhitungkan rasio pembagian umum transformator T1 dan pembagi R2. Menurut dokumentasi di MK (3). Mengganti (3) ke (2) dan kemudian ke (1), kita memperoleh dimana ADC i adalah nilai yang dibaca dari register data ADC setelah pengukuran selesai. Dan ini adalah nilai integer murni dan bahkan tidak ditandatangani.
Oleh karena itu, mengkuadratkan (pada dasarnya perkalian) dan penjumlahan (yang harus dilakukan di badan pengendali interupsi pengatur waktu TC0) adalah operasi bilangan bulat yang dapat dengan mudah ditangani oleh MK (jangan lupa bahwa ini berisi pengali bilangan bulat perangkat keras) dalam 1 -2 langkah. Dan dengan memiliki jumlah bilangan bulat kuadrat sampel ADC sesaat untuk sejumlah periode frekuensi tertentu dan mengetahui jumlahnya (N dalam rumus di atas), Anda dapat menghentikan pengukuran dan melakukan semua perhitungan lebih lanjut menggunakan floating point dan fungsi bahasa matematika standar Ya.

Selain itu, segera setelah mengukur setiap saluran, kode dari saluran ADC0 (titik tengah) dikurangi dari kode ADC yang dibaca, sehingga mengkompensasi kenaikan sinusoidal sebesar 2,5V.

Pernyataan terkait berlaku untuk arus (hanya ada koefisien K yang berbeda, dengan mempertimbangkan hubungan antara arus beban dan tegangan pada shunt R1) dan untuk daya aktif.

Untuk kosinus dan besaran lainnya, tidak diperlukan transformasi rumus, karena semuanya dihitung di luar interupsi pengatur waktu berdasarkan tegangan, arus dan daya aktif yang sudah tersedia.

Kelemahan signifikan dari firmware yang diusulkan adalah hampir tidak adanya mekanisme untuk mengkompensasi nonlinier CT. Ada dua alasan untuk ini.

Hal pertama dan utama adalah penulis tidak memiliki bangku tes khusus untuk membuat berbagai arus beban untuk membuat grafik ketergantungan tegangan pada keluaran CT pada arus beban secara akurat. Peralatan rumah tangga kurang cocok untuk ini, karena... mereka tidak mengizinkan eksplorasi seragam dari seluruh rentang arus. Grafik yang diberikan dalam DS untuk TT juga tidak sesuai, karena mereka terlalu kecil dan terlalu kasar untuk tugas semacam ini. DS untuk banyak model TT mengalami kelemahan ini.

Yang kedua adalah kemungkinan kurangnya memori RAM di MK yang digunakan untuk mengimplementasikan algoritma tersebut. Mungkin perlu diganti dengan MK lain dengan jumlah memori yang lebih besar, misalnya AtMega32. Namun studi rinci ke arah ini belum dilakukan karena alasan pertama.
Kerugian ini sebagian diimbangi dengan adanya 2 saluran pengukuran arus dan ambang peralihan yang terkontrol di antara keduanya, karena Setiap saluran menggunakan faktor kalibrasinya sendiri. Itu. Pembacaan yang dapat diterima dapat dicapai untuk beban yang paling sering diukur.

Kelemahan lainnya adalah perangkat terkadang menunjukkan daya aktif negatif P (yang tidak mungkin terjadi, kecuali, tentu saja, Anda mencolokkan generator listrik J). Hal ini terjadi karena pengukuran tidak disinkronkan dengan jaringan – mis. pengukuran harus dimulai pada awal periode, tetapi pada rangkaian dan mikrokode yang diusulkan terdapat sinkronisasi serupa.

Karena kesalahan hanya menyangkut tanda daya, maka kekurangan ini dapat “dikompensasi” sebagian dengan menggunakan modulo P, yang diatur dalam pengaturan.

Kalibrasi/penyesuaian instrumen

Karena Karena alat tersebut merupakan alat ukur maka harus dikalibrasi terlebih dahulu sebelum digunakan.
Kalibrasi dilakukan menggunakan tombol SB1-SB4. Memasuki mode pengaturan/kalibrasi dan peralihan tahapan kalibrasi dilakukan dengan tombol SB1. Dalam beberapa kasus, beberapa nilai mungkin ditampilkan di layar, tetapi nilai yang diubah pada setiap tahap selalu sama, diapit dalam tanda kurung siku "<", ">". Lainnya disediakan untuk referensi dan informasi umum Anda.

Nilai yang dapat diedit dapat diubah masing-masing menggunakan tombol SB2, SB3 - penurunan/peningkatan. Semua nilai (kecuali ditentukan lain) harus ditentukan hingga seperseratus terdekat. Mode akurasi diatur oleh tombol SB4 dan ditampilkan oleh LED VD5. Jika VD5 diaktifkan, langkah perubahannya adalah 0,01 (peningkatan akurasi), jika tidak - 0,1.

Kemajuan kalibrasi/penyetelan:

1. Terapkan daya ke sirkuit.
2. Tekan SB1. Perangkat akan masuk ke mode pengaturan, layar akan menampilkan “Pengaturan”, kemudian, setelah sekitar 1 detik, “U power (dukungan)”. Di sini Anda harus menunjukkan tegangan suplai rangkaian, atau tegangan pendukung (kaki AREF pengontrol).
3. Tekan SB1. Akan muncul tulisan “Voltmeter”. Angka di sebelah kanannya adalah tegangan bolak-balik efektif pada input ADC1 (relatif terhadap titik A), pada baris ke-2 adalah faktor konversi tegangan ADC1 menjadi tegangan yang dihasilkan dan dapat diedit, disebut. Tegangan “yang diinginkan” – apa yang ingin kita lihat di layar. Di sini Anda harus mengatur voltase yang diinginkan (menggunakan voltmeter referensi). Faktor konversi dihitung secara otomatis.

Selanjutnya, kedua saluran ammeter dikalibrasi dengan cara yang sama, ambang batas untuk mengganti saluran pengukuran saat ini dan mode penggunaan daya aktif diatur - apa adanya atau modulo (yang disebut pengaturan "pabrik").
Saluran saat ini diberi nama Lo (ADC2) dan Hi (ADC3). Mereka harus dikalibrasi dengan ammeter referensi yang dihubungkan secara seri dengan beban.

Saluran arus tinggi (Hi) harus dikalibrasi pada beban berdaya tinggi (1 kW atau lebih tinggi). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa arus beban rendah memberikan tegangan rendah pada keluaran CT, yang juga merupakan pembagi tereduksi R4-R6, dapat masuk ke area noise dan kesalahan ADC. Akibatnya, pembacaannya mungkin tidak benar.
Ambang peralihan diatur dalam ampere dengan akurasi sepersepuluh. Dengan menggunakan nilai ini, pengontrol memilih saluran mana yang akan digunakan untuk ditampilkan pada tampilan dan perhitungan lebih lanjut dari S, P, Q, dll. Ambang batas harus dipilih sehingga pengontrol mengukur sinusoid yang tidak terdistorsi oleh dioda VD3, VD4. Menurut penelitian penulis, nilai 4A cukup dapat diterima. Ini biasanya sedikit lebih kecil dari konsumsi setrika saat ini sebesar 1 kW. Untuk mendiagnosis pengoperasian ambang batas, Anda dapat menggunakan pin 19 (PD5) pengontrol. Catatan. 0 terbentuk di atasnya jika perangkat menggunakan saluran Lo, 1 – Hai. Jika diinginkan, Anda dapat menghubungkan LED diagnostik ke kaki ini.

Pengaturan pabrik:
Dukungan ADC (tegangan suplai) – 5V.
Faktor konversi tegangan – 150.
Faktor konversi untuk saluran arus rendah adalah 1,30.
Faktor konversi saluran arus tinggi adalah 6,50.
Ambang batas untuk berpindah saluran saat ini adalah 4,00 A.
Profil tampilan – 1.
Mode daya aktif – “apa adanya”.

Mengoperasikan perangkat

Perangkat yang diusulkan sangat mudah digunakan.
Segera setelah menyalakan daya, pesan selamat datang muncul; setelah 1 detik, perangkat memasuki status pengoperasian dan mulai menampilkan parameter yang diukur pada layar. Pembacaan diperbarui kira-kira sekali per detik.
Perangkat ini memiliki dua yang disebut "profil tampilan" - kumpulan parameter yang ditampilkan secara bersamaan:

1. tampilan baris pertama – U, I, S; ke-2 – P, cos(φ),φ.
2. 1 - kamu, aku, s; ke-2 – P, Q, φ.

Kumpulan profil dan komposisinya telah ditetapkan; tidak ada cara modifikasi yang disediakan.
Untuk mengubah profil, Anda harus menekan tombol SB4 dan menahannya hingga pesan “Profil diubah” muncul di layar. Setelah pesan ini muncul, lepaskan tombolnya.

Pengaturan "pabrik" berisi profil pertama yang aktif. Anda dapat mengingat profil saat ini sehingga perangkat segera menggunakannya saat dihidupkan, menggunakan tombol SB2. Tombol SB2 harus ditahan hingga pesan “Profil disimpan” muncul. Saat mengkalibrasi perangkat, profil saat ini tidak berubah, namun saat mengatur ulang pengaturan ke pengaturan pabrik, profil 1 menjadi yang sekarang.

Pilihan profil tidak disimpan secara otomatis. Hal ini dilakukan untuk menghemat sumber daya EEPROM.
Pilihan profil tidak mempengaruhi komposisi keluaran informasi melalui UART dengan cara apapun.

Anda juga harus memperhatikan fitur berikut - CT dengan belitan primer secara fungsional dan struktural mirip dengan antena radio. Perangkat untuk mencari kabel tersembunyi di dinding dan struktur terkait beroperasi berdasarkan prinsip ini. Dalam hal ini, ketika tidak ada beban, perangkat terkadang menampilkan "sampah" - semacam arus dan daya yang disebabkan oleh gangguan. Gangguan tersebut tidak tampak pada hasil pengukuran dengan beban tersambung.
Tidak ada cara yang tersedia untuk melawan fenomena ini.

Menurut penulis, cara paling radikal untuk mengatasi hal ini adalah dengan memasang semacam microswitch pada soket beban dan menginterogasinya dalam mikrokode. Jika saklar terbuka maka beban tidak tersambung dan pengukuran arus tidak dilakukan atau diabaikan (arus dipaksa ke nol).

Antarmuka pertukaran dataUART

Perangkat yang diusulkan memiliki kemampuan untuk mengeluarkan hasil pengukuran melalui antarmuka serial UART standar. Itu. Anda dapat menggunakannya sebagai bagian dari perangkat yang lebih kompleks atau menghubungkannya ke komputer untuk pengumpulan informasi otomatis.
Parameter pertukaran data – 38400, 8N1.
Protokol pertukarannya sangat sederhana - menggunakan perintah satu byte 0xAA, pengontrol menghasilkan blok informasi berukuran 15 byte dalam format berikut - tabel. 1.

Tabel 1.

Fitur protokol berikut harus diperhatikan - semua nilai ditransmisikan dalam format integer (arus dalam miliampere, kosinus, yang selalu kurang dari 1, dikalikan 100). Hal ini dilakukan karena alasan berikut:
- bilangan bulat memakan lebih sedikit ruang - 1 atau 2 byte. Angka floating point dialek bahasa C yang digunakan selalu 4 byte. Selain itu, semua nilai keluaran dimasukkan ke dalam format integer tanpa kehilangan akurasi yang signifikan.
- Karena Tidak diketahui sebelumnya arsitektur sistem komputer seperti apa yang akan dihubungkan ke perangkat, maka format angka mengambang mungkin menjadi sangat berbeda dari yang digunakan pada perangkat, yang akan menimbulkan kesulitan tambahan dalam memecahkan kode blok data.

Nomor dua byte ditransmisikan dalam format yang disebut. orang India kecil - mis. Byte rendah didahulukan, baru kemudian byte tinggi.
Ada juga fitur:
- tidak ada kemungkinan kalibrasi dan pembacaan informasi kalibrasi melalui UART;
- dalam mode kalibrasi, antarmuka UART tidak tersedia (MK tidak meresponsnya). Permintaan data yang dikirim saat kalibrasi sedang berlangsung akan hilang;
- MK dapat mengirimkan informasi kira-kira satu kali per detik (setelah selesainya pengukuran dan perhitungan semua nilai yang diukur), hal ini harus diperhitungkan ketika mengembangkan sistem untuk menginterogasi perangkat. Oleh karena itu, Anda tidak boleh membebani permintaan data karena dapat mengganggu pengoperasian modul pengukuran.

Untuk mengilustrasikan cara mengoperasikan perangkat, penulis telah mengembangkan aplikasi demo Windows WinAppWattmeter.exe untuk PC. Itu ditulis dalam C# dan berjalan di WinXP dan lingkungan yang lebih tinggi. Anda juga harus memiliki platform .NET 2.0 dan satu port COM (USB fisik atau virtual) tempat perangkat harus dihubungkan. Sumber aplikasi ini dikompilasi dalam VS.NET 2005 dan lebih tinggi. Versi VS Express dan .NET Compact belum diuji.

Karakteristik teknis, kelebihan dan kekurangan perangkat

Keuntungan:

1. Isolasi galvanik lengkap dari jaringan yang diukur.
2. Kemungkinan catu daya dari sumber apa pun - catu daya, baterai, port USB komputer, dll.
3. Berbagai macam pengaturan.
4. Basis elemen yang tersedia.
5. Berbagai besaran terukur.
6. Kemungkinan mentransfer hasil pengukuran ke sistem komputer lain (misalnya ke PC).

Kekurangan:

1. Nonlinier CT menyebabkan kesalahan dalam pengukuran arus di seluruh rentang. Hal ini membuat sangat sulit untuk menilai keakuratan pengukuran (beberapa rentang arus diukur secara akurat, sisanya memiliki kesalahan, dan rentang lainnya berbeda). Kisaran ini sangat bergantung pada koefisien yang disesuaikan dalam mode kalibrasi perangkat, dan oleh karena itu tidak tetap. Misalnya, Anda dapat mengkalibrasi sehingga pada beban kecil seperti pengisi daya ponsel, setrika solder, atau bola lampu apartemen, pembacaannya akan benar, tetapi pada beban yang lebih kuat (setrika, pengering rambut, kompor listrik, oven, microwave, mesin cuci) akan diukur dengan kesalahan.
2. TT sendiri bisa menjadi komponen yang sulit dan mahal untuk diperoleh.
3. Ketika tidak ada beban, perangkat kadang-kadang menunjukkan sejumlah arus yang diinduksi dalam belitan primer CT dan, sebagai hasilnya, sejumlah daya dan parameter lainnya.

Karakteristik teknis rinci dari perangkat tidak diberikan, karena Ada kemungkinan yang cukup luas untuk konfigurasi dan penyesuaiannya.

Model CT yang digunakan berpotensi memungkinkan pengukuran arus hingga 25A, tetapi untuk sepenuhnya menggunakan rentang ini, perlu memodifikasi tahap input (analog) dari rangkaian dan mikrokode.
Kisaran tegangan yang diukur juga tergantung pada trafo yang digunakan. Jika normal, “dari catu daya”, maka ini adalah kisaran “standar” sekitar 180-250V, dan jika Anda menggunakan trafo yang dibuat khusus, maka Anda dapat mengukur 380 volt.

Rentang nilai nilai ditentukan oleh tipe data yang digunakan dan fitur algoritmik mikrokode – U=1..999v, I=1mA..65A, S/P/Q – masing-masing 1..999 unit yang sesuai.
Konsumsi arus rangkaian adalah 28-30 mA tanpa memperhitungkan arus lampu latar tampilan. Arus ini berbeda untuk model LCD yang berbeda. Nilai tipikalnya adalah 100-120 mA.
Selain itu, arus mungkin sedikit berbeda dari nilai yang diberikan saat menggunakan model LCD dan op-amp yang berbeda.

Foto

Terakhir, beberapa foto perangkat.

Satuan daya. Secara fisik terdapat satu trafo, dengan dua belitan independen. Satu melayani catu daya itu sendiri, yang kedua (2 kabel kuning di sebelah kanan) – berukuran T1.

Papan pengembangan perangkat. Catatan (sekali lagi): ini adalah prototipe. Gardu induk tidak diproduksi sesuai gambar Sprint, karena Direncanakan untuk mengoperasikan perangkat tersebut sebagai bagian dari produk lain, yang masih dalam pengembangan. Oleh karena itu, mohon jangan memperhatikan kedua bantalan, tampilan kedua dan LED di sebelah kiri. Mereka tidak ada hubungannya dengan perangkat yang dijelaskan.

Besi solder 25W. Tampilkan profil 2.

Tanpa beban. Profil tampilan 2. Kami menangkap gangguan dan gangguan pada belitan CT. Hasilnya adalah arus “kiri” sebesar 68 mA dengan segala implikasinya.

Sama seperti di atas, tapi tanpa gangguan. Tampilkan profil 2.

Setrika 1kW. Profil tampilan 1. Daya aktif negatif J - mode “koreksi” dinonaktifkan. LED kedua dari kiri menyala - tanda penggunaan saluran arus tinggi (pin 19 (PD5) pengontrol). Set ambang batas – 4A

Daftar bahan yang disediakan

Wattmetr-Mega16-16MHz.zip – firmware pengontrol dengan sumber. Arsip juga berisi file mikrokode siap pakai wattmetr.hex dan file pengaturan pabrik (EEPROM) - wattmetr.eep.
WinAppWattmeter.zip – aplikasi demo dengan sumber (.NET 2.0, C# di bawah VS.NET 2005+). Ada juga file exe yang sudah jadi (tanpa virus).
Plata\*.* - gambar papan sirkuit tercetak dalam format .lay (Sprint 5).

1. LA. Bessonov, Landasan teori teknik elektro, ed. 9, dalam 2 volume. Moskow, “Sekolah Tinggi”, 1996.
2. Pengukur fase elektronik - http://kazus.ru/shemes/showpage/0/104/1.html Alias ​​- Radio No. 5, 1990, hal
3. Atmel AVR465: Pengukur Daya/Energi Fase Tunggal dengan Deteksi Tamper.
4. Pengukur watt digital di MK - http://radiokot.ru/circir/digital/measure/23/
5. Transformator saat ini - http://bsvi.ru/transformator-toka/
6. Sensor arus industri modern. "Elektronik Modern", Oktober 2004
7. Pengukuran nilai tegangan efektif - http://arv.radioliga.com/content/view/107/43/

Daftar elemen radio

Isu penghematan energi akhir-akhir ini menjadi relevan. Jumlah peralatan listrik di apartemen semakin bertambah, dan seiring dengan itu, tagihan listrik juga meningkat. Harga per kilowatt juga meningkat. Menariknya, menurut standar, di gedung apartemen untuk 100 apartemen

• Pada tahun 1972, 0,52 kilowatt dialokasikan untuk apartemen 1 kamar
• Tahun 2005 menurut perhitungan sudah 0,75 kilowatt

25% selama seperempat abad - hampir 1% per tahun.

Kami merakit wattmeter sendiri dari bagian yang sudah jadi

Saya mengambil modul buatan China yang sudah jadi sebagai dasar untuk wattmeter. Modul ini sangat populer di kalangan do-it-yourself karena langsung diukur:

• kekuatan saat ini
• tegangan
• kekuatan sesaat
• total konsumsi pada periode tersebut

Namun modul yang sudah jadi ini juga memiliki kelemahan tertentu - tidak menghitung beban reaktif. Oleh karena itu, tidak mungkin mengukur dengan benar daya total perangkat dengan komponen reaktif yang besar. Namun, fakta bahwa hampir semua meteran listrik rumah tangga hanya mengukur daya aktif dapat mengurangi kerugian ini. Lagi pula, ternyata kita hanya mengukur apa yang kita bayarkan dalam kuitansi.

Badan perangkat terbuat dari kotak sambungan 100x100 dari Tyco. Lubang hanya dipotong di kedua sisi. Soket Legrand Valen dimasukkan ke dalam penutup dan bagian bawah perangkat. Saya juga memiliki steker yang sudah jadi dengan kabel di simpanan saya, yang juga mulai digunakan. Saya menghubungkan kabel ke wattmeter sesuai dengan diagram yang terletak di badan perangkat. Sulit untuk membingungkan apa pun di sana, daya disuplai ke kontak pusat, beban disuplai ke kontak luar.

Jika perlu membuat alat untuk mengukur konsumsi daya peralatan rumah tangga. Tidak perlu mempersulit rangkaian dengan mikrokontroler, indikator LCD, dan komponen radio mahal lainnya. Desain ini bahkan tidak memerlukan transistor. Cukup dengan menyalurkan sebagian arus dari konsumen melalui trafo kecil ke penyearah dioda, dan kemudian ke dial indikator, untuk mendapatkan indikator daya yang cukup akurat hingga 1 kilowatt. Jika perlu, Anda dapat meningkatkan kisaran ini hingga setidaknya 10 kW.

Pengukur Daya AC

Dasar pengoperasian perangkat ini adalah trafo arus, yang pada dasarnya sama dengan trafo biasa. Satu belitan terdiri dari 3000 lilitan kawat tipis yang dililitkan pada inti besi - ini adalah belitan sekunder. Gulungan primer adalah sepasang lilitan kabel listrik. Perbandingan arus yang mengalir melalui sisi primer dan belitan sekunder merupakan kebalikan dari perbandingan jumlah lilitan. Linearitasnya tidak ideal, tetapi bagus untuk akurasi rata-rata. Pada akhirnya, apakah perangkat mengkonsumsi 540 watt atau 580 watt tidak terlalu penting. Penyearah setengah gelombang terdiri dari kapasitor kecil dan dioda germanium; penurunan tegangan maju selama transisi diukur dengan indikator 100 μA. Anda dapat memilih batas pengukuran 1000 W dan 100 W dengan menghubungkan resistor secara paralel dengan kepala penunjuk.

Selama pengujian dan penyesuaian (pemilihan resistansi), digunakan lampu pijar 100 W dan lampu sorot 500 W. Artinya, sambungkan beban yang kekuatannya Anda ketahui sebelumnya, dan gunakan untuk mengatur pembacaan indikator yang diperlukan. Wattmeter yang sudah jadi dapat ditempatkan di kotak plastik apa pun, atau dipasang di pelindung lonjakan arus. Dalam hal ini, Anda perlu mencari saklar kecil, seperti indikator level perekaman dari tape recorder lama.

Tidak masuk akal untuk mengembangkan perangkat arus searah seperti itu karena fakta bahwa dalam hal ini semuanya dihitung dengan sangat sederhana menggunakan hukum dan rumus matematika yang diketahui, dan hanya diperlukan amperemeter dari alat ukur. Untuk arus bolak-balik, semuanya sedikit lebih rumit dan sebelumnya alat pengukur watt analog untuk arus bolak-balik, meskipun memberikan akurasi yang tinggi, sulit untuk diproduksi, belum lagi alat pengukur watt digital dan kemampuan untuk merakit perangkat tersebut di rumah. Teknologi modern dan basis elemen memungkinkan untuk merancang perangkat multifungsi dengan biaya minimal. Mikrokontroler (MCU) yang murah dengan periferal yang kaya dan kemampuan komputasi yang kuat secara signifikan menyederhanakan pembuatan berbagai sistem otomasi dan kontrol. Periferal analog presisi terintegrasi, dan di beberapa mikrokontroler terdapat subsistem pemrosesan sinyal digital, memungkinkan pengembangan alat ukur multifungsi.

Wattmeter digital, desain yang akan kami pertimbangkan, dirancang untuk mengukur konsumsi daya perangkat yang terhubung ke jaringan tegangan bolak-balik 207 - 235 V / 50 Hz. Elemen utama wattmeter adalah mikrokontroler PIC 8-bit dari seri perusahaan, yang menggunakan ADC eksternal, mengukur arus yang mengalir melalui beban, tegangan melintasi beban, menghitung nilai efektif tegangan (nilai efektif) di jaringan, nilai efektif arus dan nilai rata-rata konsumsi daya. Semua parameter yang ditentukan ditampilkan pada indikator LCD karakter dua baris.

Perangkat tidak memiliki sumber listrik terpisah. Catu daya listrik internal digunakan, sehingga bagian mikrokontroler perangkat sepenuhnya terisolasi dari node analog yang berada di bawah tegangan listrik.

Diagram skematik

Diagram sirkuit dan desain PCB dikembangkan di lingkungan desain alat SoloPCB gratis. Diagram skema perangkat ditunjukkan pada Gambar 2. Daftar lengkap komponen yang digunakan diberikan pada Tabel 2.

Untuk menghitung konsumsi daya, kita perlu mengetahui tegangan pada beban dan arus yang dikonsumsi oleh beban. Tegangan listrik yang akan diukur adalah tegangan listrik AC, sehingga harus diperhitungkan dapat berada pada kisaran 207 V - 253 V. Untuk meningkatkan ketelitian pengukuran maka perlu dilakukan pengukuran tegangan listrik terlebih dahulu. daripada menggunakan nilai rata-rata tetap 230 V dalam perhitungan.

Saluran listrik utama dihubungkan ke konektor J1 (AC IN, input AC). Node analog untuk mengukur tegangan jaringan terdiri dari pembagi resistif (R1, R2 R3), sumber tegangan referensi presisi (U3) dan ADC (U5). Pembagi resistif yang terhubung antara fase dan netral dirancang untuk mengurangi skala tegangan dengan faktor tertentu R1/(R1+R2+R3)=1/201. Dengan cara ini kita mengurangi tegangan puncak ±320 V ke level ±1,59 V. Kita kemudian menggunakan referensi tegangan REF03() untuk mengimbangi tegangan ini ke atas sebesar 2,5 V, dan sebagai hasilnya kisaran ±320 V akan sesuai dengan rentang masukan ADC 0,91 V - 4,09 V.

Setelah penskalaan dan biasing, tegangan pada resistor R2 dibaca oleh konverter A/D (U5) MCP3202 (Microchip) dan ditransmisikan dalam format 12-bit melalui antarmuka SPI ke mikrokontroler. Untuk mengisolasi mikrokontroler dari node analog, digunakan optocoupler berkecepatan tinggi HCPL-0630. Saluran ADC kedua digunakan untuk mengukur tegangan referensi 2,5 V - nilai ini akan digunakan sebagai faktor koreksi dalam perhitungan.

Jalur AC, netral dan ground dari J1 dihubungkan langsung ke konektor output J2 (AC OUT), jalur fasa melewati sensor arus (U4) perusahaan ACS712-20A. Ini adalah sensor arus analog dengan noise rendah berdasarkan efek Hall dengan isolasi galvanik dari garis yang diukur dan kemampuan untuk mengukur arus searah dan bolak-balik. Untuk meningkatkan karakteristik kebisingan dan akurasi pengukuran, terdapat terminal untuk menghubungkan kapasitor filter. Pada arus nol, tegangan keluaran sensor adalah 2,5 V. Ketika arus mengalir melalui terminal IP+ dan IP-, tegangan keluaran sensor berubah sesuai dengan faktor skala 100 mV/A, oleh karena itu, dengan arus yang mengalir sebesar +20 A maka tegangan keluarannya menjadi 4,5 V dan 0,5 V pada arus -20 A. Nilai analog sensor arus diubah menjadi bentuk digital menggunakan chip ADC lain MCP3202.

Sensor arus memiliki rentang pengukuran ±20 A, namun karena keterbatasan arus pada konektor dan dudukan sekering, unit penginderaan arus AC dilindungi oleh sekering in-line 16 A.

Catu daya transformator digunakan untuk memberi daya pada node analog dan bagian mikrokontroler (Gambar 3). Trafo memiliki dua belitan sekunder yang identik, dari mana tegangan bolak-balik 6 V dihilangkan, selanjutnya tegangan disearahkan dan distabilkan menggunakan rangkaian mikro (U1, U2) dengan sirkuit standar inklusi. LED D2 dan D3 dirancang untuk menunjukkan tegangan suplai.

Wattmeter menggunakan mikrokontroler PIC18F252 8-bit. Ini membaca nilai tegangan dan arus, menghitung nilai rmsnya dan rata-rata konsumsi daya. Indikator LCD terhubung langsung ke MK, yang menampilkan nilai yang ditentukan. Mode operasi 4 dan 8-bit dapat digunakan. Untuk bekerja dengan ADC eksternal, modul antarmuka SPI yang terintegrasi ke dalam MK digunakan. Meskipun rangkaian menggunakan kristal 20 MHz, mikrokontroler memiliki clock 5 MHz. Untuk pemrograman mikrokontroler disediakan konektor ICSP (J3) (Gambar 4).

Tabel 1. Daftar komponen yang digunakan.

Papan sirkuit tercetak

Desain PCB juga dilakukan di lingkungan SoloPCB. Merancang instrumen sebagai perangkat portabel adalah ide yang bagus, dengan garis besar PCB dirancang di Autocad dan kemudian diekspor ke lingkungan SoloPCB (Gambar 5).

Konduktor tercetak saluran listrik(fasa, netral, ground) penghubung konektor input (AC IN) dan output (AC OUT) dibuat selebar mungkin, semua kapasitor pemblokiran ditempatkan sedekat mungkin dengan rangkaian mikro. Bus analog (AGND) dan digital ground (DGND) terpisah. Semua komponen terletak di lapisan atas.

Catatan:

Saat mendesain sirkuit dan PCB di lingkungan SoloPCB, beberapa elemen yang hilang di perpustakaan dibuat secara manual. Pustaka elemen-elemen ini disertakan dalam arsip dengan file proyek, yang dapat Anda unduh di bagian unduhan.

Program mikrokontroler

Seperti yang kami sebutkan di atas, mikrokontroler membaca nilai tegangan dan arus setiap 1 ms dan mengakumulasikan 40 pengukuran setiap parameter, yang sesuai dengan dua periode untuk frekuensi 50 Hz. Nilai RMS dan konsumsi daya kemudian dihitung. Periode 1 ms dihasilkan menggunakan Timer A bawaan, yang beroperasi dalam mode 16-bit dengan sinyal interupsi luapan.

Setelah menerima semua sampel, nilai efektif (rms) tegangan dan arus dihitung dengan rumus:

Perlu diperhatikan bahwa sampel yang dihasilkan juga memuat hubungan fasa antara tegangan dan arus. Jadi, daya aktif arus bolak-balik, yang dihitung dengan rumus ( V×I×cosθ) dapat diperoleh dengan menghitung daya rata-rata menggunakan rumus berikut:

Semua nilai yang dihitung ditampilkan pada layar indikator LCD. Untuk bekerja dengan indikator ini, perpustakaan lcd.h untuk kompiler CCS C digunakan.

Gambar di bawah menunjukkan pengukuran menggunakan wattmeter digital: Gambar 6 - konsumsi daya stasiun solder dalam mode pemanasan, Gambar 7 - pemanas air 2 kW.

Unduhan

Daftar kode sumber program mikrokontroler (kompiler CCS C) -

File proyek SoloPCB (skema, papan sirkuit tercetak, pustaka elemen) -

Wattmeter adalah alat ukur yang digunakan untuk menentukan kekuatan arus listrik atau medan elektromagnetik. Dalam kehidupan sehari-hari, alat tersebut digunakan untuk mengetahui besarnya konsumsi energi perangkat elektronik.

Salah satu parameter penting yang menjadi ciri suatu negara jaringan listrik adalah kekuatan. Ini menunjukkan jumlah pekerjaan yang dilakukan oleh arus listrik per satuan waktu. Daya semua perangkat rumah tangga yang tersambung secara bersamaan ke jaringan AC harus berada dalam daya jaringan yang diizinkan. Jika tidak, masalah dan masalah mungkin terjadi - mulai dari kegagalan peralatan hingga hubungan pendek dan kebakaran di apartemen.

Daya diukur dengan alat khusus yang disebut wattmeter. Dan jika pada rangkaian arus searah mudah dihitung dengan mengalikan arus dengan tegangan, maka pada jaringan arus bolak-balik semuanya tidak sesederhana itu. Mereka juga menggunakan wattmeter untuk mengontrol mode pengoperasian peralatan listrik dan melakukan pengujian. instalasi listrik dan memperhitungkan konsumsi energi listrik.

Pengukuran daya didahului dengan pengukuran tegangan dan arus suatu bagian rangkaian. Tergantung pada metode pengukuran dan konversi data selanjutnya serta tampilan hasil pengukuran, semua wattmeter dibagi menjadi analog dan digital:

Wattmeter analog Ada yang merekam sendiri dan menampilkannya. Mereka mencerminkan daya aktif suatu bagian rangkaian. Indikator wattmeter penunjuk memiliki skala setengah lingkaran dan panah berputar. Pembagian skala dikalibrasi sesuai dengan nilai daya yang diperlukan, diukur dalam watt (W).
Prinsip operasinya didasarkan pada interaksi dua induktor. Salah satunya stasioner dengan belitan tebal dengan jumlah lilitan sedikit dan resistansi rendah. Dihubungkan sesuai rangkaian secara seri dengan beban. Induktansi kedua - bergerak - terbuat dari tipis kawat tembaga dengan jumlah lilitan yang banyak, sehingga ketahanannya cukup tinggi. Itu terhubung ke sirkuit paralel dengan beban bersama dengan resistor tambahan (untuk mencegah korsleting antara induktansi).
Selama pengukuran, medan magnet dihasilkan di kumparan. Interaksi mereka menciptakan torsi tertentu yang membelokkan kumparan bergerak dengan panah indikator yang terhubung dengannya pada sudut tertentu. Besarnya sudut ini setara dengan hasil kali arus dan tegangan pada waktu sekarang.
Skema wattmeter digital mengukur reaktif dan aktif, dan daya. Selain itu, layar digital wattmeter juga menampilkan (selain pembacaan daya) tegangan, arus, dan konsumsi energi per satuan waktu.
Pengoperasian wattmeter digital didasarkan pada pengukuran awal tegangan dan arus. Untuk itu pada masukannya terdapat: sensor arus yang dirangkai seri dengan beban, dan sensor tegangan yang dirangkai paralel. Sensor dapat dibuat berdasarkan termistor, termokopel, trafo instrumen, dan komponen elektronik lainnya. Nilai sesaat dari besaran yang diperoleh dengan menggunakan metode konverter analog-ke-digital dikirim ke mikrokontroler. Perhitungan yang diperlukan dilakukan di dalamnya (komponen daya aktif dan reaktif dihitung) dan hasilnya diberikan dalam bentuk pengiriman data ke layar dan perangkat eksternal yang terhubung.

Meter ini memiliki empat terminal (2 output dan 2 input) untuk koneksi. Dua di antaranya digunakan untuk menyambung ke rangkaian serial (arus) - dihubungkan terlebih dahulu, dan dua lagi digunakan untuk rangkaian paralel (rangkaian tegangan). Awal rangkaian tegangan (input) dihubungkan ke awal rangkaian arus (kontak dapat dihubungkan dengan jumper) dan ke satu terminal jaringan. Ujung rangkaian tegangan (output) dihubungkan ke terminal lain jaringan, lihat diagram.

Desainnya beroperasi berdasarkan prinsip sensor transformator arus. Karenanya, Anda dapat menggunakan trafo jaringan paling biasa dengan belitan primer sekitar 3000 lilitan pada inti baja, dan belitan sekunder hanya dua lilitan. Perbandingan arus yang mengalir melalui belitan primer berbanding terbalik dengan jumlah lilitan.

Penyearah setengah gelombang dirakit dengan tangan Anda sendiri dari dioda germanium. Resistansi R2 mengurangi sensitivitas wattmeter sepuluh kali lipat jika Anda ingin mengukur konsumsi daya ketel listrik, pemanas kipas, dan konsumen serupa lainnya. Indikasinya dilakukan pada mikroammeter dial konvensional. Skalanya bertingkat untuk kemudahan penggunaan. Pengaturannya dilakukan dengan menggunakan wattmeter digital referensi atau menggunakan peralatan rumah tangga dengan daya yang diketahui; lampu pijar sangat cocok untuk tujuan ini. Atau, sebagai pilihan, matikan semua yang ada di apartemen dan ukur dengan meteran energi listrik biasa

Di sini, peran sensor dimainkan oleh resistor shunt yang melaluinya arus mengalir. Dua kabel tambahan keluar dari shunt dan dihubungkan ke dua saluran ADC papan Arduino. Perbedaan tegangan dari kedua saluran ini sebanding dengan hambatan yang melewatinya arus listrik. Arus dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

Saya = (V 2 – V 1) / R

Karena daya pada rangkaian DC adalah hasil kali tegangan dan arus, maka P = V 2 × I. Oleh karena itu, berkat rumus sederhana, Anda dapat membuat wattmeter dari amperemeter dan mengukur konsumsi daya. Diagram koneksi wattmeter disajikan di bawah ini.

Anda dapat melihat kode program