Ваттметр своими руками схема

Цифровой ваттметр на МК.

Автор: LINKS_234 aka Шимко Андрей
Опубликовано 14.07.2009

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

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

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

Здесь:
U — напряжение сети;
I — ток через нагрузку;
U * — амплитудное значение напряжения после резистивного делителя;
U ** — амплитудное значение напряжения на токоизмерительном резисторе;
U_ADC0 — оцифровываемое напряжение на входе ADC0 микроконтроллера;
U_ADC1 — оцифровываемое напряжение (соответствующее измерямому току) на входе ADС1 микроконтроллера;
а — область запоминания времени таймера , соответствующего переходу синусоиды через ноль;
b — погрешность запоминания времени таймера (определения перехода синусоиды через ноль).

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

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

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

Вид сверху на это чудо собранное в корпус.

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

Работаем на ХХ и ловим глюки (или наводки).

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

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

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

Измеритель мощности переменного тока

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

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