Ваттметр на Arduino – измерение напряжения, тока и мощности
Содержание
У инженеров и просто энтузиастов в мире электроники достаточно часто возникает необходимость в проведении каких-либо измерений, одним из которых является измерение мощности. Поэтому в данной статье мы рассмотрим создание самодельного ваттметра на основе платы Arduino, с помощью которого можно будет измерять напряжение, ток и мощность электрического сигнала.
Некоторые могут сказать зачем делать такой прибор если его можно сейчас сравнительно недорого купить. Да, это так. Но ведь наверняка некоторым из вас хочется сделать более продвинутый ваттметр чем тот, который можно просто купить. Используя плату Arduino для создания ваттметра мы можем выводить измеряемые значения на экран компьютера, строить их график, сохранять их значения на SD карту когда их значения находятся в заданных интервалах и многое другое.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
- Операционный усилитель LM358 (купить на AliExpress).
- Регулятор напряжения LM7805 (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
- Шунтирующий резистор 0.22 ohm 2Watt (купить на AliExpress).
- Подстроечный потенциометр 10 кОм (Trimmer pot) (купить на AliExpress).
- Резисторы 10 кОм, 20 кОм, 2,2 кОм, 1 кОм (купить на AliExpress).
- Конденсаторы 0,1 мкФ (купить на AliExpress).
- Тестируемая нагрузка.
- Перфорированная или макетная плата.
Работа схемы
Схема ваттметра на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.
Для облегчения понимания схема разделена на 2 части. Верхняя часть схемы – это ее измерительная часть, а нижняя часть схемы служит для проведения вычислений и отображения их результатов. Места соединения обоих частей схемы обозначены с помощью меток.
Схема спроектирована для работы с напряжением в диапазоне 0-24V с током 0-1A – эти параметры специально подобраны для работы с Solar PV (солнечная фотоэлектрическая система). Но если вы поймете принципы работы этой схемы вы легко можете расширить диапазоны ее работы до необходимых вам. Основополагающий принцип работы этой схемы заключается в измерении напряжения и тока в нагрузке чтобы затем рассчитать потребляемую нагрузкой мощность. Значения всех измеряемых параметров будут отображаться на экране ЖК дисплея 16х2.
Далее рассмотрим работу по отдельности небольших элементов представленной схемы чтобы лучше понять ее работу.
Измерительный блок
Измерительный блок схемы состоит из делителя напряжения на двух резисторах для измерения значения напряжения и шунтирующего резистора с неинвертированным операционным усилителем для измерения силы тока. Делитель напряжения показан на следующем рисунке:
Входное напряжение на этой схеме обозначено как Vcc. Как мы говорили ранее, схема спроектирована для измерения напряжений от 0V до 24V. Но плата Arduino не может измерять такие большие напряжения – она может измерять напряжения только в диапазоне 0-5V. Соответственно, мы должны преобразовать измеряемое напряжение в диапазоне 0-24V в диапазон 0-5V. Это преобразование как раз и осуществляется с помощью представленного делителя напряжения. Соответственно, и номиналы резисторов в схеме этого делителя (10 кОм и 2,2 кОм) как раз подобраны таким образом, чтобы преобразовывать диапазон 0-24V в диапазон 0-5V. Если вам нужно изменить диапазон измеряемых схемой напряжений вам всего лишь нужно изменить значения номиналов резисторов в представленной схеме делителя напряжения. Значение напряжение на выходе делителя напряжения можно рассчитать по хорошо известной формуле:
Vout = (Vin × R2) / (R1 + R2)
Преобразованное к диапазону 0-5V напряжение со средней точки делителя напряжения у нас на схеме обозначено меткой Voltage. В дальнейшем это преобразованное значение напряжения подается на аналоговый вход платы Arduino.
Далее мы должны измерять ток через нагрузку (LOAD). Поскольку микроконтроллеры могут считывать только аналоговые значения напряжения нам необходимо преобразовать значение тока в значение напряжения. Это можно сделать при помощи добавления шунтирующего резистора – в соответствии с законом Ома падение напряжения на нем будет пропорционально протекающему по нему току. Поскольку на шунтирующем резисторе падение напряжения будет очень маленькое мы будем использовать операционный усилитель чтобы усилить его. Схема для осуществления этого процесса показана на следующем рисунке:
Значение сопротивления шунтирующего резистора (SR1) в нашем случае равно 0.22 Ом. Как было указано ранее, наша схема спроектирована для измерения силы тока в диапазоне 0-1A, поэтому в соответствии с законом Ома при максимальном токе через нагрузку 1 А падение напряжения на нашем шунтирующем резисторе будет примерно 0.2V. Это напряжение мало для считывания микроконтроллером, поэтому мы используем операционный усилитель в неинвертированном усилительном режиме чтобы усилить это напряжение до значения, которое можно комфортно считать с помощью платы Arduino.
Операционный усилитель в неинвертированном режиме показан на вышеприведенной схеме. Усилитель спроектирован таким образом чтобы его коэффициент усиления составлял значение 21, итого получаем 0.2*21 = 4.2V. Формула для расчета коэффициента усиления представленного операционного усилителя выглядит следующим образом:
Gain = Vout / Vin = 1 + (Rf / Rin)
Если вам нужно изменить диапазон измеряемых схемой значений тока вам необходимо изменить значение сопротивления шунтирующего резистора, а также значения сопротивлений резисторов, влияющих на коэффициент усиления операционного усилителя.
В нашем случае значение сопротивления резистора Rf равно 20 кОм, а значение сопротивления резистора Rin равно 1 кОм, что обеспечивает коэффициент усиления 21 для операционного усилителя. Далее напряжение с выхода операционного усилителя подается на RC фильтр, состоящий из резистора 1 кОм и конденсатора 0,1 мкФ. Данный фильтр предназначен для фильтрации нежелательных шумов. Далее отфильтрованное напряжение подается на аналоговый вход платы Arduino.
И, наконец, последний компонент который нам необходимо рассмотреть в блоке измерений нашей схемы – это регулятор напряжения. Поскольку мы подаем на вход схемы изменяемое напряжение нам необходимо стабилизированное напряжение +5V для питания платы Arduino и операционного усилителя. Это регулированное (стабилизированное) напряжение в нашей схеме обеспечивается с помощью регулятора напряжения 7805. Конденсатор добавлен на выход схемы регулятора для фильтрации шума.
Блок вычислений и отображения информации
В блоке измерений мы спроектировали схему чтобы конвертировать измеряемые значения и тока в диапазон напряжений 0-5V, которые непосредственно подаются на аналоговые входы Arduino. В этой же части схемы мы подсоединяем эти провода с напряжениями к плате Arduino, а также подключаем к плате Arduino алфавитно-цифровой ЖК дисплей для отображения результатов измерений. Схема этого блока представлена на следующем рисунке.
Как вы можете видеть из схемы, контакт с значением напряжения подключается к аналоговому контакту A3, а контакт со значением тока – к аналоговому контакту A4 платы Arduino. ЖК дисплей запитывается от напряжения +5V с регулятора 7805 и подключен к цифровым контактам платы Arduino в 4-битном режиме. Мы также используем потенциометр 10 кОм, подключенный к контакту Con ЖК дисплея чтобы регулировать его контрастность.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы рассмотрим его основные фрагменты.
Цель функционирования программы – считать значения аналогового напряжения с контактов A3 и A4 и рассчитать напряжение, ток и мощность, а потом отобразить все это на экране ЖК дисплея.
Вначале программы нам необходимо инициализировать используемые контакты: A3 и A4 для измерения напряжения и тока соответственно, и цифровые контакты 3, 4, 8, 9, 10 и 11 для подключения ЖК дисплея.
Источник: