Трехфазный ваттметр на микроконтроллере своими руками. Ваттметр и измерение мощности схема. Варметр щитовой цифровой трехфазный

09.12.2023

Особенности вычисления активной мощности.

Активная мощность рассчитывается как: P = U * I * COS, где COS коэффициент мощности.
Для чисто резистивный нагрузок (таких как лампы накаливания, нагревательные элементы, и др.) коэффициент мощности, как правило, близко к 1. Для индуктивных и емкостных нагрузок коэффициент мощности может принимать значение от 0 до 1.
Ваттметр управляется одной кнопкой.

1. Управление подсветкой.

Короткое нажатие на кнопку, включает или выключает подсветку. Состояние подсветки сохраняется при выключении питания, то есть идет сохранение в энергонезависимую память.

2. Установка пороговой мощности.

Нажмите на кнопку и удерживайте её око 3 секунд, пока экране на появиться надпись “SET CLR”. Цифра, которую можно изменить, начнет мигать. Затем короткими нажатиями на кнопку вы можете поменять значение. Чтобы вернуться в исходное состояние нужно удерживать кнопку более 5 секунд.

3. Сброс показаний энергии.

Нажмите на кнопку и удерживайте её более 5 секунд, пока экране не начнет мигать цифра энергии. Короткое нажатие на кнопку снова, обнуляет значение энергии. После настройки вернуться в исходное состояние можно удерживая кнопку более 5 секунд.
Измерительный элемент находиться внутри ваттметра, никаких дополнительных шунтов и трансформаторов не требуется. Так же прибор не требует подключения дополнительного питания. Схему включения прибора вы найдете на задней стенке ваттметра. Надписью «LOAD» обозначается подключенная нагрузка.

Показания на приборе отображает жидкокристаллическая матрица, имеет очень стильный вид. Матрица имеет светодиодную подсветку синего цвета.
Прибор точен, экономичен, имеет большой двустрочный дисплей. Очень удобен в контроле показаний сети и энергии потребляемой подключенными приборами. Невероятно прост в подключении и установке.
На просторах Алиэкспресса есть ещё похожая модель ваттметра. Ваттметр с токовым трансформатором. У модели, рассмотренной выше шунт встроен в корпус и максимальный ток измерения до 20 А. У модели же с токовым трансформатором, сам измерительный трансформатор расположен вне корпуса и не имеет прямого подключения. Через него достаточно пропустить провод, в котором нужно измерить ток. Плюсом данного исполнения ваттметра является более высокий ток нагрузки до 100А что может пригодиться.
Ну а из минусов – немного более высокая цена.

Характеристики ваттметра.

Напряжение измерения: AC 80 ~ 260 В
Частота: 45 – 65 Гц
Точность измерения: 1.0 класс
Ток измерения: AC 0 ~ 20 А
Мощность измерения: 0 ~ 22 кВт
диапазон измерения энергии: от 0 до 9999 kWh
Рабочая температура: -10 °C ~ 65 °C
Рабочая влажность: 35 ~ 85% RH
Размер: 90x50x25 мм (округленные значения. Точные значения смотрите ниже на рисунке).

Комплект поставки:

Ваттметр - 1 шт.
Руководство (на английском и китайском языках) - 1 шт.

Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.

Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 - 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании серии , который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.

Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.

Принципиальная схема

Схема и проект печатной платы разработаны в бесплатной среде проектирования SoloPCB tools. Принципиальная схема прибора изображена на Рисунке 2. Полный список примененных компонентов приведен в Таблице 2.

Для вычисления потребляемой мощности нам необходимо знать напряжение на нагрузке и потребляемый нагрузкой ток. Напряжение, которое должно быть измерено, является напряжением сети переменного тока, поэтому необходимо учитывать, что оно может быть в диапазоне 207 В - 253 В. С целью повышения точности измерений необходимо выполнять измерение напряжения сети, а не использовать в расчетах фиксированное среднее значение 230 В.

Линии сети электропитания подключаются к разъему J1 (AC IN, вход переменного напряжения). Аналоговый узел для измерения напряжения сети состоит из резистивного делителя (R1, R2 R3), прецизионного источника опорного напряжения (U3) и АЦП (U5). Резистивный делитель, включенный между фазой и нейтралью, предназначен для понижающего масштабирования напряжения с коэффициентом R1/(R1+R2+R3)=1/201 . Таким образом мы понижаем пиковое значение напряжения величиной ±320 В в уровня ±1.59 В. Затем с помощью источника опорного напряжения REF03 () мы задаем смещение этого напряжения вверх на величину 2.5 В, и в результате диапазон ±320 В будет соответствовать входному диапазону АЦП 0.91 В - 4.09 В.

После масштабирования и смещения напряжение на резисторе R2 считывается аналого-цифровым преобразователем (U5) MCP3202 (Microchip) и передается в 12-разрядном формате по интерфейсу SPI в микроконтроллер. Для изолирования микроконтроллера от аналоговых узлов используются высокоскоростные оптопары HCPL-0630 . Второй канал АЦП используется для измерения опорного напряжения 2.5 В - это значение будет использоваться в качестве поправочного коэффициента в расчетах.

Линии сети переменного тока, нейтраль и заземление от разъема J1 непосредственно подключаются к выходному разъему J2 (AC OUT), линия фазы проходит через датчик тока (U4) ACS712-20A компании . Это малошумящий аналоговый датчик тока на основе эффекта Холла с гальванической развязкой от измеряемой линии и возможностью измерения постоянного и переменного тока. Для повышения шумовых характеристик и точности измерений имеется вывод для подключения фильтрующего конденсатора. При нулевом токе выходное напряжение датчика составляет 2.5 В. При протекании тока через выводы IP+ и IP- выходное напряжение датчика меняется в соответствии с масштабным коэффициентом 100 мВ/А, следовательно, при протекающем токе +20 А выходное напряжение составит 4.5 В и 0.5 В при токе -20 А. Аналоговое значение датчика тока преобразуется в цифровую форму с помощью еще одной микросхемы АЦП MCP3202.

Датчик тока имеет диапазон измерений ±20 А, но, учитывая ограничения по току для разъемов и держателя предохранителя, узел измерения переменного тока защищен предохранителем 16 А, включенным в фазовую линию.

Для питания аналоговых узлов и микроконтроллерной части используется трансформаторный блок питания (Рисунок 3). Трансформатор имеет две идентичные вторичные обмотки, с которых снимается переменное напряжение 6 В. Далее напряжение выпрямляется и стабилизируется с помощью микросхемы (U1, U2) с типовой схемой включения. Светодиоды D2 и D3 предназначены для индикации напряжения питания.

В ваттметре используется 8-разрядный МК PIC18F252. Он выполняет считывание значений напряжения и тока, выполняет вычисление их среднеквадратичных значений и среднее значение потребляемой мощности. Непосредственно к МК подключен ЖК индикатор, на котором отображаются указанные значения. Может использоваться как 4-, так и 8-битный режим работы. Для работы с внешними АЦП используется интегрированный в МК модуль SPI интерфейса. Несмотря на то, что в схеме используется кварцевый резонатор 20 МГц, микроконтроллер тактируется частотой 5 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъем ICSP (J3) (Рисунок 4).

Таблица 1. Список использованных компонентов.

Обозначение в схеме	Наименование, номинал	Корпус, примечание
U1, U2	78L05	SOT-89
U3	REF03	SO-8
U4	ACS712-20A	SO-8
U5, U10	MCP3202-BI/SN	SO-8
U6, U7, U8	HCPL-0630	SO-8
U9	PIC18F252-I/SO	SO-28
BR1, BR2	Диодный мост	800 В / 1 А
TR1	Трансформатор HR-E3013051	2 × 6 В, 1.5 VA
LCD1	TC1602D	Двухстрочный ЖК индикатор
C1, C18	470 мкФ 25 В	10 мм × 10 мм
C2, C17	100 мкФ 16 В	6.3 мм × 5.4 мм
C11, C12	22 пФ 50 В	smd 0805, керамика
C9	1 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C2, C4, C5, C6, C7, C8,C10, C13, C22, C14, C15, C16, C17, C20	100 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C21	1 мкФ 25 В	smd 1206, керамика
R16	0 Ом	smd 0805, 1%
R2, R3	1 МОм
R5, R6, R17	1 кОм
R1, R14, R15, R18, R19	10 кОм
R7, R8, R9, R13	2.5 кОм
R4, R10, R11, R12	330 Ом
D2, D3	Красный светодиод	smd 0805
D1	Диод Шоттки	1 А / 40 В, корпус SMA
Y1	Кварцевый резонатор 20 МГц
F1	Держатель предохранителя	Для поверхностного монтажа
J1, J2	Винтовой клемник 1×3	шаг 5.2 мм
J3	Штыревой разъем 1×5	шаг 2.5 мм

Печатная плата

Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).

Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.

Примечание:

При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.

Программа микроконтроллера

Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.

После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:

Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:

Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.

На рисунках ниже изображены измерения с помощью цифрового ваттметра: Рисунок 6 - потребляемая мощность паяльной станции в режиме нагрева, Рисунок 7 - водонагревателя мощностью 2 кВт.

Загрузки

Листинг исходного кода программы микроконтроллера (компилятор CCS C) -

Проектные файлы SoloPCB (схема, печатная плата, библиотеки элементов) -

АМПЕРМЕТР И ВАТТМЕТР НА НЕОНОВОЙ ЛАМПЕ

ка, а также универсальный понижающий трансформатор.

Для градуировки (при отсутствии эталонного ваттметра) к гнездам подсоедините нагрузку с известным значением мощности в ваттах, а движок потенциометра поставьте в крайнее верхнее (по схеме) положение. Затем замкните контакты выключателя и медленно вращайте ручку резистора R, увеличивая напряжение до тех пор, пока не загорится лампа. В этот момент на шкале потенциометра отметьте величину мощности эталонной нагрузки. Подключая различные приборы известной мощности, полу

чите шкалу, проградуиро-ванную в ваттах.

Ваттметр легко превратить в амперметр переменного тока. При этом схема не меняется, лишь добавляется еще одна шкала.

Чтобы проградуировать дополнительную шкалу, последовательно с нагрузкой в электрическую цепь включите амперметр. Передвигайте ползунок переменного резистора до тех пор, пока не зажжется «неонка». Тогда на новой шкале отметьте значение тока эталонного амперметра. Изменяя величину нагрузки в цепи, нанесите на шкалу отметки токов других значений.

И. ЕФИМОВ, инженер

Сегодня мы расскажем еще о двух специальностях неоновой лампы.

Простой ваттметр может измерить мощность, потребляемую радиоприемником, телевизором, электроплиткой, утюгом, лампами накаливания и т. п.

Первичная (низкоомная) обмотка трансформатора ваттметра включается в электрическую цепь последовательно с нагрузкой (потребителем энергии). Ко вторичной (высокоомной) обмотке присоединяют потенциометр R типа СП-1 или СПО с сопротивлением 470 ком -V- 1 мом и неоновую лампу (см. рис.).

Трансформатор Тр выполнен на сердечнике из пластин Ш-20, толщина набора 20 мм. Его высокоомная обмотка содержит 3000 витков провода ПЭЛ 0,2, а низкоомная - 70 витков провода ПЭЛ 0,86. Для этого прибора годится и выходной и силовой трансформатор (используются лишь накальная и повышающая обмотки) от любого лампового приемни-

НОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Во многих письмах радиолюбители просят привести параметры и цоколевку новых типов транзисторов. Среди них С. Николаев из Петрозаводска, Э. Бабушкин из Жмеринки Винницкой области, юные радиолюбители со станции Ясиноватая и другие читатели «ЮТа».

В мировой практике пока не существует способов изготовления транзисторов со строго определенными, наперед заданными характеристиками. Несмотря на самое совершенное производство, полупроводниковые приборы сходят с заводского конвейера далеко не близнецами. Их объединяют в группы по «родственным отношениям».

«Фамилия» транзистора состоит из двух первых элементов обозначения. Буква «П» отмечает принадлежность марки прибора к плоскостному транзистору. Второй элемент - порядковый номер типа полупроводникового триода.

В последнее время полупроводниковые приборы выпускаются в новых унифицированных корпусах (оболочках), поэтому к обозначению многих типов транзисторов добавлена впереди буква «М», например - МП15. По электрическим характеристикам этот триод аналогичен транзистору П15 и отличается только новой конструкцией корпуса и цоколевкой.

«Имя» транзистору дает третий (не обязательный) элемент.

Вновь выпускаемые триоды получают обозначение из четырех знаков.

Первый элемент - буква или цифра, обозначающая полупроводниковый материал (Г или 1 - германий, К или 2 - кремний).

Второй знак - буква «Т» (транзистор).

Третий элемент - трехзначное число - номер типа прибора.

И наконец, четвертый знак отличает разновидность триода.

В журнале «ЮТ» № 4 за 1966 год приводились параметры и цоколевка некоторых транзисторов, разработанных до 1964 года.

Начинаем знакомить вас, радиолюбители, с новыми полупроводниковыми триодами широкого применения. Мы приведем наиболее общие для транзисторов всех классов параметры и предельные эксплуатационные режимы. (Смотрите следующие номера «ЮТа».)

Обычно, заказывая из Китая какую то вещь она по приходу оказывается намного меньшего размера чем есть на самом деле, но в моем случае произошло наоборот, прибор оказался не маленьким. На лицевой его стороне расположен LCD дисплей с синей подсветкой, так же тут имеется кнопка для управления, которая утоплена в корпус. На обратной - указана простая схема подключения, модель и максимально возможная нагрузка.

Схема подключения и габариты устройства:

Производителем заявлены следующие технические характеристики:
- Рабочее напряжение: 80 ~ 260В (переменного тока)
- Диапазон измерения напряжения : 80 ~ 260В (переменного тока)

- Рабочая частота сети : 45-65Герц
- Точность (погрешность измерений): ± 1%.
Нужно не забывать что конкретно данная модель предназначена для сети переменного тока до 260В, есть визуальные похожие ваттметры, которые работают только с постоянным током, с током до 100в, если перепутать и подключить такой к переменному 260В фейерверк и запах гари опеспечен.

Ну что, а дальше расскажу как внедрил прибор в корпус чтобы получить готовый работающий "продукт". В качестве донора было решено использовать самый обычный сетевой фильтр или по другому удлинитель на три розетки. Конечно можно было бы купить отдельно подходящую по размеру пластиковую коробку, розетку и собрать в таком виде, но вариант с сетевым фильтром мне кажется лучшим решением.

По длине и ширине ваттметр аккурат оказался как две розетки удлинителя. Это хорошая новость, потому что отпала необходимость делать замеры и чертежи на самом доноре. Можно приступать к отпиливанию прямоугольника по уже намеченным на заводе изготовителя сетевого фильтра линиям. Для этого я использовал обычный канцелярский нож и зажигалку.

Примерно через минут 10 место под ваттметр было готово, заготовка выглядела так:

А теперь самое время начать собирать этот конструктор.

Все провода были залужены и дополнительно защищены термоусадкой. Схема подключения такова что к двум центральным клеймам нужно подключить провода от вилки, т.е. по ним в ваттметр будет поступать напряжение от сети 220В. Далее к двум крайним подключаются выводы для наше будущей розетки. Колхозить новую колодку под розетку не стал, использовал то что уже было в удлинителе. Незадействованную ее часть закрыл термоусадкой, на всякий случай чтобы ничего не коротнуло.

Все провода подключены, прибор зафиксирован силиконом - пора собирать!

В конечном итоге у меня получился вот такой компактный ваттметр с одной розеткой для подключения потребителей. Кстати длина шнура первоначально была около 3х метров, мне конечно столько нужно не было, поэтому отрезал большую ее часть и оставил всего метр. Цвета немного не сошлись, жаль что не нашлось черного удлинителя, тогда готовый продукт выглядел бы симпатичнее).

Первое включение прошло удачно, устройство работает, энергию считает.

Дисплей разбит на четыре секции: подсчет напряжения (V), силы тока (A), мощности (W) и затраченной энергии (Wh). Единственным элементом управления прибором является кнопка на лицевой стороне. Она утоплена в корпус, поэтому просто пальцем ее не нажать.

-Однократное нажатие кнопки включает и выключает подсветку. Подсветка достаточно яркая и равномерная, позволяет лучше разглядывать дисплей.
-Долгое нажатие (5 секунд) переводит ваттметр в режим так сказать программирования, можно задать порог максимального замера энергии (Wh), по умолчанию стоит 4.5кВт.
-Для того чтобы перевести ваттметр в режим обнуления необходимо долго удерживать кнопку до появления надписи - SET CLr.
Все изменения сохраняются в энергонезависимой памяти, даже после обесточивания настройки не сбрасываются.

По поводу точности, делал сравнение с обычным мультиметром, показания напряжения ваттметра чуть иногда чуть ниже, а иногда равны, это видно на фотографиях ниже.

Вопрос энергосбережения в последнее время становится актуальным. Количество электроприборов в квартире растет, вместе с ними растут и счета за электроэнергию. Цена на киловатт тоже растет. Интересно что по нормативам, в многоквартирном доме на 100 квартир

1972 году закладывалось 0.52 киловатта на 1 комнатную квартиру
2005 году по расчетам уже 0.75 киловатт

25% за четверть века - почти 1% в год получается.

Собираем ваттметр самостоятельно из готовых частей

За основу ваттметра я взял готовый модуль китайского производства - . Этот модуль весьма популярен вреди самодельщиков потому что сразу замеряется:

сила тока
напряжение
мгновенная мощность
итоговое потребление за период

Но так же у этого готового модуля есть и определенные минусы - он не считает реактивную нагрузку. Из-за этого измерить корректно полную мощность на прибор с большой реактивной составляющей невозможно. Однако тот факт - что почти все бытовые электросчетчики измеряют только активную мощность смягчает этот недостаток. Ведь получается мы измеряем только за то что платим в квитанциях.

Корпусом прибора послежила распаячная коробка 100х100 фирмы Tyco. В ней просто вырезаются отверстия с обеих сторон. В крышку вставляется , а в дно прибора розетка легранд валена. Так же в загашнике у меня оказалась готовая вилка со шнуром, которая тоже пошла в дело. Подключал провода к ваттметру я по схеме расположенной на корпусе прибора. Перепутать там что либо сложно, питание подается на центральные контакты, нагрузка на крайние.