37_42.pdf

P R O J E K T Y

Mikroprocesorowy

miernik energii

elektrycznej

AVT-592

Przedstawiony w artykule

miernik umożliwia pomiar

energii elektrycznej, a także

mocy doprowadzanej do

odbiorników. Pomimo dużych

możliwości, budowa urządzenia

jest nadzwyczaj prosta, co

udało się osiągnąć dzięki

zastosowaniu mikrokontrolera

i specjalizowanego układu

pomiarowego.

Rekomendacje: urządzenie

polecamy wszystkim tym, których

interesuje, ile mocy i energii

pobierają urządzenia przez nich

stosowane, dzięki czemu można

racjonalniej zużywać energię

lub rozliczać się z innymi

użytkownikami.

Układ scalony ADE7755 za-

projektowano z myślą o stosowa-

niu w aplikacjach pomiaru energii

elektrycznej. Może on bezpośred-

nio sterować liczydło elektroma-

gnetyczne o napięciu znamiono-

wym 5 V, dając 100 impulsów

na kilowatogodzinę, co zapewnia

rozdzielczość pomiaru 0,01 kWh.

Układ posiada dwie pary wejść

różnicowych: V1P, V1N, V2P,

V2P ( rys . 2 ). W kanale pierw-

szym sygnał jest wzmacniany za

pomocą wzmacniacza o regulowa-

nym wzmocnieniu (PGA). Wartość

wzmocnienia ustala się za pomocą

wejść G0 i G1. Maksymalna war-

tość chwilowa sygnału różnicowe-

go może wynosić od ±30 mV do

±470 mV. Ze względu na wysoką

czułość kanał 1 wykorzystano do

pomiaru prądu przez pomiar spad-

ku napięcia na rezystorze pomia-

rowym. W prezentowanym urzą-

dzeniu wartość wzmocnienia PGA

ustalono na 8 V / V (G1=1, G0=0),

więc sygnał różnicowy powinien

nie przekraczać ±60 mV. Pozwa-

la to na zastosowanie rezystora

pomiarowego o wartości 0,4 mV.

Moc tracona w boczniku o tak

niskiej rezystancji jest znikoma

i nie przekracza 0,1 W przy prze-

pływie prądu o wartości 15 A.

Kanał drugi wykorzystywany jest

Krótka charakterystyka

Urządzenie prezentowane w ar-

tykule umożliwia pomiar energii

pobieranej przez odbiorniki pod-

łączone do sieci energetycznej

230 V. Maksymalne natężenie prą-

du płynącego przez obciążenie

wynosi 16 A (co daje moc do

3,7 kVA). Miernik pozwala zmie-

rzyć także czas i w efekcie użyt-

kownik może zmierzyć ilość po-

branej energii. Mierzona jest moc

czynna pobierana przez odbiornik,

a wyniki pomiaru są wyświetlane

na wyświetlaczu alfanumerycznym

LCD 2x16 znaków.

Opis urządzenia

Miernik energii elektrycznej

składa się z trzech podstawowych

bloków (schemat elektryczny poka-

zano na rys . 1 ):

– Specjalizowanego przetwornika

energia/częstotliwość ﬁrmy Ana-

log Devices (ADE7755AN).

– Mikroprocesora współpracu-

jącego z wyświetlaczem LCD

(AT90S2313).

– Beztransformatorowego bloku

zasilania o napięciu wyjścio-

wym 5 V.

Elektronika Praktyczna 9/2004

Układ scalony ADE7755 za-

Krótka charakterystyka

Mikroprocesorowy miernik energii elektrycznej

Rys. 1. Schemat elektryczny miernika mocy

Elektronika Praktyczna 9/2004

Mikroprocesorowy miernik energii elektrycznej

Rys. 2. Schemat blokowy układu ADE7755

dużej pojemności – aż 1 mF. Ten

sam sygnał steruje także wejście

zerujące mikrokontrolera.

Sygnał wyjściowy CF traﬁa do

wejścia mikrokontrolera. Dodatko-

wo jest podłączony do diody D1,

sygnalizując w ten sposób poja-

wienie się impulsów. Częstotliwość

sygnału jest zależna od mierzonej

mocy czynnej. Stała miernika wy-

nosi 6400 impulsów/kWh, co daje

przy mocy 1 kW przebieg o czę-

stotliwości 1,78 Hz, a przy 100

W już tylko 0,178 Hz.

Elementem dokonującym prze-

twarzania i zliczania impulsów

z przetwornika pomiarowego jest

mikrokontroler AT90S2313. Wyniki

pomiarów są wyświetlane na wy-

świetlaczu alfanumerycznym LCD

2x16 ze sterownikiem zgodnym

z HD47780. Zastosowano interfejs

4-bitowy. Potencjometr R12 służy

do regulacji kontrastu wyświetla-

nia. Miernik nie posiada żadnych

przycisków. Opcjonalnie można

wyprowadzić przycisk zerowania,

aby dało się skasować wskazania

bez odłączania zasilania od od-

biornika.

Ponieważ układ przetwornika

jest podłączony galwanicznie do

sieci energetycznej, w celu mini-

malizacji liczby elementów dodat-

kowych wykorzystano bezpośrednie

sprzężenie mikrokontrolera z ukła-

dem pomiarowym. Dzięki temu

można było zrezygnować z do-

datkowego rezonatora kwarcowego,

transoptora oraz całego układu za-

silania. Zasilanie obydwu układów

scalonych zapewnia zasilacz bez-

transformatorowy. Napięcie sieci

jest doprowadzane przez elemen-

ty R9 i C14. Dalej dzięki diodzie

Zenera D3 ujemne połówki są

obcinane, a dodatnie ograniczone

do wartości napięcia około 12V.

Taki przebieg jest wyprostowany

przez diodę D2 i odﬁltrowany

przez C18, C9. Stabilizację napię-

cia zapewnia miniaturowy stabili-

zator scalony 78L05. Kondensatory

C12, C6, C10 odsprzęgają zasila-

nie 5 V. Do zasilania części ana-

logowej układu przetwornika U1

służy rezystor R1 oraz kondensa-

tory C11 i C5. Obciążalność zasi-

lacza wynosi około 30 mA. Jeżeli

zrezygnujemy z diody LED D1,

w zupełności wystarcza prąd rzę-

du kilkunastu miliamperów i mo-

żemy zastosować kondensator C14

o wartości 470 nF/400 V.

do pomiaru napięcia i sygnał róż-

nicowy nie powinien przekraczać

wartości ±660 mV.

Sygnał ze wzmacniaczy różni-

cowych traﬁa do przetworników

analogowo-cyfrowych (A/C). Są to

przetworniki sigma-delta o roz-

dzielczości 16 bitów i częstotli-

wości próbkowania około 900 kHz

(przy typowej częstotliwości oscy-

latora). W obwodzie prądowym

znajduje się także ﬁltr górno-

przepustowy (HPF), który zapo-

biega pomiarowi składowej stałej,

co w rezultacie polepsza dokład-

ność pomiaru mocy czynnej. Sy-

gnały z przetworników traﬁają

do układu mnożącego, dalej do

ﬁltru dolnoprzepustowego (LPF),

który uśrednia wartość chwilową

mocy do wartości mocy czynnej.

Ze względu na wysoką częstotli-

wość próbkowania, układ mierzy

poprawnie także przebiegi niesi-

nusoidalne. Napięcie referencyjne

o wartości 2,5 V dla przetworni-

ków jest uzyskiwane z wewnętrz-

nego stabilnego źródła i jest do-

datkowo odsprzężone przez kon-

densatory C7 i C13.

W kolejnym bloku sygnał jest

zamieniany na częstotliwość. Stąd

traﬁa do wyjść F1 i F2 oraz CF.

Wyjścia F1 i F2 mogą bezpośred-

nio sterować silnik krokowy liczy-

dła elektromagnetycznego. Na wyj-

ściu CF występuje sygnał o czę-

stotliwości większej niż na wyj-

ściach F1 i F2, w zależności od

stanu wejść S0, S1, SCF. Może

on służyć do kalibracji miernika

lub w naszym wypadku jest to

wyjście wartości mierzonej podłą-

czone do członu mikroprocesoro-

wego. Ustawiona została wartość

6400 imp/kWh.

Wszystkie sygnały wejściowe

doprowadzone są do układu po-

przez koraliki ferrytowe (FB1...

FB4). Zmniejsza to możliwość wy-

stępowania zakłóceń podczas po-

miarów. Sygnał prądowy dociera

do układu poprzez rezystory R3

i R4 i jest odﬁltrowany za pomo-

cą kondensatorów C1 i C2. Sygnał

napięciowy jest obniżany w dziel-

niku R7, R8, R10, R11, R6, przy

czym wieloobrotowy potencjometr

R11 umożliwia kalibrację przyrzą-

du. Jego wartość jest jednak nie-

wielka w stosunku do rezystancji

całego dzielnika, dzięki czemu za-

kres przestrajania jest zmniejszo-

ny, ale stabilność kalibracji jest

wysoka. Dodatkowo przewidziano

możliwość zmiany rezystora R10.

W prototypie zamiast R10 uży-

to zwory. Należy zwrócić uwa-

gę, że od stabilności parametrów

wspomnianych rezystorów zależy

dokładność miernika z upływem

czasu. Dlatego należy stosować re-

zystory metalizowane o możliwie

niewielkiej tolerancji.

Układ jest taktowany za po-

mocą rezonatora kwarcowego Y1

o częstotliwości 4,096 MHz. Do

poprawnej pracy generatora nie-

zbędne są kondensatory C15

i C16. Nota aplikacyjna układu

ADE7755 zaleca stosowanie kwar-

cu 3,58 MHz, jednak wybrałem

inną wartość, ponieważ ten sam

sygnał z wyprowadzenia CLKOUT

taktuje mikroprocesor, a taka czę-

stotliwość okazała się „wygodna”

podczas pisania programu i obsłu-

gi pomiaru czasu.

Ze względu na małą szybkość

narastania napięcia zasilającego

w układzie zerowania zastosowa-

no kondensator C8 o stosunkowo

Elektronika Praktyczna 9/2004

Mikroprocesorowy miernik energii elektrycznej

zwolenie przerwania co sekundę.

W przerwaniu tym jest liczony

czas, jaki upłynął od włączenia

urządzenia. Maksymalny czas po-

miaru wynosi 99 dni. Dodatkowo

jest ustawiana ﬂaga nowasekun-

da , wykorzystywana w programie

głównym.

Pojawienie się zbocza rosną-

cego na wejściu INT0 powoduje

wyzwolenie przerwania, które słu-

ży do pomiaru czasu, jaki upłynął

od ostatniego przerwania. Czas ten

w jednostkach 0,25 ms jest prze-

kazywany do programu głównego

przez zmienną period025ms . Co 64

wyzwolenia jest także inkremento-

wana wartość zmiennej energia .

W ten sposób zawiera ona daną

o rozdzielczości 0,01 kWh.

Zadaniem programu głównego

jest wyświetlanie wartości energii

zmierzonej, a także czasu trwania

pomiaru. Czas poniżej jednej doby

jest wyświetlany z rozdzielczością

sekundy. Po jej przekroczeniu,

wyświetlany jest z dokładnością

co do minuty. W rzeczywistości

sekundy wyświetlane są poza ob-

szarem 16 znaków wyświetlacza

2x16. Dodatkowo program oblicza

wartość mocy czynnej poprzez

przeliczenie czasu pomiędzy dwo-

ma impulsami. Jest to wartość

średnia mocy czynnej pomiędzy

dwoma impulsami. Trzeba sobie

zdawać sprawę, że częstotliwość

impulsów CF jest niska i wyno-

si 1,78 Hz dla pomiaru mocy 1

kW. Przy obciążeniu 10 W będzie

to stukrotnie mniej, czyli okres

pomiaru wydłuża się do blisko

minuty. Wynika z tego, że przy

pomiarach małych mocy możemy

się spodziewać wyniku nawet po

minucie. Aby wyeliminować zja-

wisko pozostawania wyniku mocy

na wyświetlaczu, mimo odłącze-

nia obciążenia, procedura kontro-

luje zmianę częstości impulsów

CF. W ten sposób, po odłącze-

niu obciążenie w niedługim cza-

sie otrzymamy wskazanie „_____”

oznaczające nagłą zmianę mocy

na dużo niższą lub moc poniżej

progu pomiaru (około 4 W). Dane

są wyświetlane na wyświetlaczu

LCD o organizacji 2x16 zgodnego

z HD47780 z wykorzystaniem in-

terfejsu 4-bitowego. Procedury ob-

sługi umożliwiają dowolne przypi-

sanie pinów sterujących wyświetla-

czem do mikrokontrolera. Niestety

niezbyt wielka pojemność pamięci

programu (2 kB) spowodowała, że

program nie ma rozbudowanych

funkcji.

Projekt składa się z następują-

cych plików (udostępnionych na

CD-EP9/2004B):

watomierz . c – główny plik pro-

gramu;

global . h – plik nagłówkowy

z przyporządkowaniem pinów LCD

do mikrokontrolera i określeniem

częstotliwości oscylatora;

lcd4bit . h , lcd4bit . c – pliki

z procedurami obsługi wyświetla-

cza;

delay . h , delay . c – pliki z pro-

cedurami opóźnień czasowych.

Rys. 3. Rozmieszczenie elementów

na płytce drukowanej

Montaż i uruchomienie

Całe urządzenie znajduje się na

potencjale sieci energetycznej, więc

należy zachować szczególną uwagę

podczas uruchamiania i kalibrowa-

nia! Dlatego zrezygnowano z moż-

liwości programowania mikroproce-

sora w układzie poprzez ISP. Musi

on być zaprogramowany w osob-

nym układzie lub programatorze.

Urządzenie zostało wykonane

na płytce jednostronnej o wymia-

rach 83 x 52 mm. Jej schemat

montażowy pokazano na rys . 3 .

Rezystor pomiarowy RB umiesz-

czony jest poza płytką. Do płyt-

ki dołączono 4 przewody, które

doprowadzają sygnały pomiaro-

we oraz taśmę do podłączenia

wyświetlacza LCD. Wyświetlacz

i inne elementy urządzenia muszą

być starannie odizolowane. W roz-

wiązaniu prototypowym wyświe-

tlacz jest umieszczony pod grubą

szybką z pleksi.

Montażu elementów dokonu-

jemy zgodnie ze znanymi zale-

ceniami. Pod mikrokontroler do-

brze zastosować jest podstawkę.

Po zakończeniu montażu wkłada-

my zaprogramowany mikrokontro-

ler w podstawkę. Programowania

musimy dokonać w programato-

rze lub innym obwodzie z wy-

prowadzonymi stykami złącza ISP.

W samym układzie zrezygnowa-

no z umieszczania złącza ISP, ze

względu na brak separacji gal-

wanicznej od sieci i wynikające

z tego ryzyko popełnienia niebez-

piecznego błędu.

Po zmontowaniu płytki podłą-

czamy ją pomiędzy przewód wej-

ściowy napięcia zasilającego, re-

zystor pomiarowy i gniazdo lub

przewód wyjściowy zgodnie ze

Program mikrokontrolera

Program obsługi urządzenia zo-

stał napisany w języku C z uży-

ciem darmowego kompilatora AVR-

-GCC oraz edytora AVRside ( avrside .

ep . com . pl ). Pomiar liczby impulsów

otrzymywanych z układu U1 oraz

czasu pomiędzy nimi dokonywany

jest w przerwaniu INT0.

Timer0 pracuje jako czasomierz

i stanowi podstawę czasu do po-

miaru odstępu pomiędzy dwoma

impulsami. Sygnał taktujący timer

dostarczany jest z preskalera, któ-

ry dzieli częstotliwość oscylatora

przez 1024 (TCCR0 = 0x05). Tak

więc rejestr TCNT0 jest inkremen-

towany co 0,25 ms. Przepełnie-

nie licznika powoduje wywołanie

przerwania i zwiększenie o 256

(0x100) wartości zmiennej do po-

miaru czasu. Po dodaniu aktualnej

wartości licznika TCNT0 otrzymu-

jemy w zmiennej typu long licz-

nik _ ms4 wartość czasu w jednost-

kach 0,25 ms.

Timer1 pracuje jako czasomierz

do odmierzania czasu w sekun-

dach. Jest taktowany podobnie jak

Timer0 z preskalera z podziałem

przez 1024. Tryb pracy określa re-

jestr TCCR1B = 0x0D. Dodatkowo

określa on także tryb pracy CTC,

czyli zerowanie rejestru TCNT1

timera w kolejnym cyklu po po-

równaniu. Tak więc porównanie

bieżącej wartości rejestru TCNT1

z wartością rejestru porównawcze-

go OCR1A – 3999 powoduje wy-

Elektronika Praktyczna 9/2004

Mikroprocesorowy miernik energii elektrycznej

schematem. Czynności należy wy-

konać starannie, gdyż w niedale-

kim sąsiedztwie znajdują się punk-

ty o znacznej różnicy potencjałów.

Należy szczególnie uważać, by nie

pomylić kolejności przewodów.

Ustawiamy rezystor R12 odpowia-

dający za kontrast LCD w lewą

skrajną pozycję, co odpowiada

napięciu Vee = 0 V. Załączenie

zasilania sieciowego powinno spo-

wodować wyświetlenie napisów

na wyświetlaczu LCD. Regulujemy

R12 tak, by otrzymać odpowiedni

kontrast na wyświetlaczu.

Elementem, któremu musimy

poświęcić sporo uwagi, jest re-

zystor pomiarowy. Jego wartość

powinna wynosić około 400 mV

i powinien mieć on obciążalność

długotrwałą minimum 15 A. Pro-

ponowanym rozwiązaniem jest

zastosowanie instalacyjnego dru-

tu miedzianego o przekroju 2,5

mm 2 . Oczywiście rezystancja ta

nie może być zwiększona poprzez

żadne dodatkowe czynniki, np.

złącze śrubowe. Dlatego też rezy-

stor pomiarowy wykonujemy jako

4-zaciskowy. Schematyczny sposób

podłączenia przewodu zasilającego,

gniazda wyjściowego oraz rezysto-

ra RB z wykorzystaniem łączówki

4-zaciskowej przedstawia rysunek.

Przewody L , N , PE są podłączone

do przewodu zasilającego. Lg , Ng

oraz PEg to przewody do gniaz-

da sieciowego miernika. L1 , Nin ,

Nout to przewody, które podłącza-

my do płytki miernika.

Ponieważ nie jesteśmy w stanie

określić z wymaganą dokładnością

wartości rezystancji rezystora po-

miarowego, więc musimy usta-

wić wartość „czynnej” rezystancji

podczas kalibracji. W prototypie

wykorzystano przewód elektroin-

stalacyjny o przekroju 2,5 mm 2 .

Pomiar średnicy jednak dał wynik

1,65 mm, co odpowiada rzeczy-

wistemu przekrojowi 2,14 mm 2 .

Przy takim przekroju okazało się,

że wymagana „czynna” długość

rezystora pomiarowego to około

50 mm. Tak więc pomiędzy miej-

scem podłączenia przewodów Nin

oraz Nout musi być taka odle-

głość. Połączenie powinno umożli-

wiać przesuwanie jednego z tych

przewodów po przewodzie prą-

dowym w pewnych granicach.

W ten sposób będziemy mogli do-

konać kalibracji. Może to być po-

łączenie poprzez owinięcie odizo-

lowanego przewodu pomiarowego,

które potem zostanie zalutowane.

salnego. Elementami regulacyjnymi

są wieloobrotowy precyzyjny po-

tencjometr montażowy R11 oraz

wykonany samodzielnie rezystor

pomiarowy RB. Przed wlutowa-

niem warto ustawić (z użyciem

omomierza) wartość rezystancji

R11 na połowę nominalnej.

Upewniwszy się, że urządze-

nie po włączeniu do sieci działa

poprawnie i wyświetla odpowied-

nie napisy, możemy przystąpić

do regulacji. Ponieważ nie znamy

wartości rezystancji wykonanego

przez nas rezystora pomiarowego

RB, musimy mieć możliwość jego

zmiany. Cały przewód pomiarowy

powinien mieć odpowiednią dłu-

gość, aby był możliwy jego mon-

taż w listwie zacisków śrubowych.

Na początek podłączamy przewo-

dy Nin oraz Nout w odległości

50 mm od siebie na przewodzie

pomiarowym. Jeden przewód mo-

żemy od razu owinąć i przylu-

tować, natomiast drugi najlepiej

najpierw owinąć, a lutowanie wy-

konać po wstępnej kalibracji.

W celu kalibracji przygoto-

wujemy odbiornik rezystancyjny

o dość dużej mocy. Może to być

np. czajnik elektryczny, żelazko,

ogrzewacz, itp. Wskazane jest,

by moc była w granicach 1-2

kW. Podłączamy go do gniaz-

da miernika. Ustawiamy rezystor

R11 w środkowej pozycji. Potrze-

bujemy teraz zmierzyć jak naj-

dokładniej moc pobieraną przez

odbiornik po podłączeniu przez

Kalibracja

Celem kalibracji jest ustawianie

tak miernika, by wartość mocy

i energii wskazywanej przez nie-

go była jak najbardziej zbliżona

do prawdziwej. Sam przetwornik

ADE7755 cechuje się błędem po-

niżej 0,1%. Dokładność całego

urządzenia zależy tylko od wyko-

nanej kalibracji i bez trudu po-

winna sięgnąć 1%. Do kalibracji

będziemy potrzebować dokładnego

watomierza lub miernika uniwer-

Elektronika Praktyczna 9/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: