ТЕМА: AC TRUE RMS VAW-METER (ATMEGA8 / Nokia5110)

Тема цікава, але далі купівлі готових виробів справа не зрушилась. Та це не наш метод.... хочеться самому зробити. Готових рішень в неті "кіт наплакав" та й зводяться вони до використання спеціалізованих м/с типу ADE77хх, яких в мене немає. Вирішив намалювати схему з чистого аркуша так, як я собі це уявляю і з того, що є в наявності. Вийшло ось що.



Це вимірювальна частина та БЖ. Блок обробки на МК намальований умовно. БЖ конденсаторний двополярний з паралельними стабілізаторами на двох TL431. Опорна напруга МК - це напруга його живлення 5V (+-2,5V), а всі виміри відбуваються відносно нульового проводу, що є 1/2 живлення МК. Сигнали з датчиків напруги та струму являтимуть собою періодичні сигнали (50 гц) і не обов'язково правильної синусоїдальної форми (симісторні регулятори, тощо...). Тобто МК на протязі періоду здійснюватиме серію вибірок з подальшою обробкою. DA1/1 - підсилювач шунта, DA1/2 - додатковий підсилювач для виміру невеликих струмів (щось типу другого діапазону). Кінцева мета міряти напругу, струм тв потужність TrueRMS на активному та реактивному навантаженні. Попередньо прикинув розрядність АЦП та діапазони вхідних величин і ніби то все повинно спрацювати... а може й ні. Про алгоритм обробки та все інше згодом. Зараз питання №1 чи погодиться Soir допомогти у написанні прошивки. І чи взагалі реально? Критика та зауваження вітаються.

studiotandem пише: Реально, можна спробувати.

Soir пише: ... спробуємо.

Схему, ту що я намалював, зберу. Там підводних каменів не мало б бути, але перевірити не завадить. А далі буде частина з МК та індикацією. МК найоптимальніше на мою думку використати ATMEGA8. А ось індикація це палиця в двох кінцях. Візуально мені подобаються семисегментні LED. Але вони багато споживають і шину живлення загаджуватимуть добряче. А вона то планується як джерело опорної напруги для АЦП. Та й для хорошої інформативності їх необхідно 3 шт. по три розряди (разом 9). Або ж один чотирьохрозрядний (3 розряди+буква) з можливістю вибору кнопкоє потрібного параметру. Інший варіант індикації це LCD 1602. На нього і будемо орієнтуватися. Кнопки будуть найймовірніше лише "сервісні" для встановлення коефіцієнтів (підстроєчні резистори не плануються). Ще з периферії це підсвітка LCD та бузер (активний).
На першому етапі тестування можна буде перевірити як воно працюватиме з активною нагрузкою. Там все має бути більш-менш передбачувано. А ось з реактивною важче.... Необхідно буде визначити перехід напруги через "нуль" на основі вибірки значень за період. А скільки їх буде Вам видніше. Аналогічно зі струмом. Але при реактивнійній нагрузці він відставатиме від напруги. І цей "зсув по фазі" потрібно буде визначити. І наскільки точно це вдастся буде залежати вся подальша обробка.
Якщо визначимося з портами МК, то намалюю схему.

studiotandem пише: Я би запропонував зробити детектор переходу напруги через 0. Схематично це буде декілька резисторів і пара діодів.

studiotandem пише: Вимірювальні це обов'язково PORTC. Якщо буде детектор переходу через 0, тоді це або PD2, або PD3. Решта - не принципово.

Soir пише: Не впевнений що це буде добре. Якщо з напругою такий варіант ще можливий, то з струмом декілька резисторів і пара діодів не допоможуть. Там доведеться ловити пікові значення навантаження за період. А період - це буде час між піками. І на основі цього визначати нуль. А по напрузі це лише ловити значення біля 512, що і будуть переходом через "нуль".
І питання.... А скільки (хоть приблизно) можна зробити замірів за період для одного каналу АЦП і наприклад трьох?

studiotandem пише: Для струму детектор не потрібен.

studiotandem пише: Я поки що не можу відповісти, поки не побачу ТЗ. Це можуть бути десятки, або сотні. Залежить від швидкості самого вимірювання. Наприклад, якщо шукати 0 вимірюванням, то це якраз буде напряму впливати на їх кількість. Також потрібно вибрати стратегію вимірювання, а це залежить від ТЗ. Можна один період вимірювяти напругу, два інших струм. Але це можливо тільки при наявності детектора. У іншому випадку все потрібно робити за один період, тоді загальна кількість вимірів буде ділитись на три і навіть більше. Також потрібно вибрати тактову частоту...

Soir пише: А як же ж тоді взнати наскільки фаза струму відстає від фази напруги? Чи воно не потрібно?
А як же ж визначення? :
Реактивна потужність - величина, що характеризує навантаження, створювані в електротехнічних пристроях коливаннями енергії електромагнітного поля в ланцюзі синусоїдального змінного струму, дорівнює добутку середньоквадратичних значень напруги U і струму I , Помноженому на синус кута зрушення фаз ? між ними:


Поки займався лише схемотехнікою залізної частини в подальші розрахунки детально не вникав. Щойно намагався вникнути про вимри True RMS... і зрозумів, що своїми словами це не передам і тому даю посилання на статтю, яка на мою думку найкраще описує процедуру виміру. Можливо Ви з подібним стикались і знаєте це краще.

Про детектор "нуля".... Якщо програмна версія пожиратиме ресурси МК або суттєво зменшуватиме точність вимірів, то доведеться зробити апаратний варіант.
В любому випадку слід робити макет і дивитись що робити далі. Намалюю схему і рухатимусь від простого до складного.
Soir пише: Що на даному етапі має містити ТЗ?

studiotandem пише: Точно так само, як і без окремого детектора. Тільки краще і точніше.

studiotandem пише: Я вже писав про "складність" апаратного варіанту. Насправді, його навіть можна ще спростити.

studiotandem пише: Мені потрібно знати, що ще має робити программа крім вимірювання. Які вимоги до швидкості вимірювання. Який індикатор. Як підключені кнопки... Тобто фактично повне ТЗ.

studiotandem пише: Теоретично - виходить. Коли пропонував, то склав проект по Вашій схемі (див. архів).
Детектор має ловити 0 (бажано період але можна і півперіоду). Немає значення довгий імпульс, чи короткий.
Важливо, щоб детектор працював стабільно.
Пробував у Proteus зібрати проект з вимірюванням напруги і струму. Ще не переводив у косинус фі, активну, реактивну... тому поки що ще не можу сказати яка допускається нестабільність. Але якщо маніпулювати характеристиками елементів формувача (там у мене детектор на транзисторі), то навіть у симуляторі не завжди все стабільно. Правда, тут я не дуже йому довіряю.
Поки що за період программа встигає зробити десь близько 400 вимірювань одного параметру. З підрахунком потужності буде менше, то вже завтра перевірю.
Оскільки у нас параметрів три, то або за один період вимірювати по одному параметру, тоді буде цикл займати три періоди і тут зовнішній детектор обов'язковий.
Або всі параметри вимірювати за один період. У цьому випадку на один параметр випаде третя частина всіх вимірювання. Тобто близько 100. Тут вже можна обійтись і без зовнішнього детектору. Це дещо зменшить число вимірювань, не думаю, що суттєво. А от за стабільність вимірювання косинусу фі - нічого не можу сказати. Все потрібно дивитись на реальному залізі.

Якщо завтра буде час, то спробую щось схоже зібрати на макеті.

Я готовий був сьогодні до збирання та макетування проекту. Але застряг... спочатку з детектором... а потім з ТЗ. Там ціла купа ньюансів . Як організувати налаштування? Як інформативно вивести на дисплей інформацію? А ії, виявляється, досить багато. Це похідні від вимірюваних величин. Коефіцієнт потужності для прикладу вкрай цікавий параметр... Без нього ремонтувати коректор потужності важкувато. Також можна зібрати якусь статистику (мін. макс. значення тієї ж напруги за проміжок часу). І так далі.....
Повернусь до детектора. Найпростіше це включити через струмообмежуючий резистор два зустрічно-паралельно два діоди оптопари, а вихідні транзистори в паралель. На виході мав би бути імпульс при любому переході через нуль. Але ширина його мінятиметься при зміні вхідної напруги. Може небагато... але мінятиметься. Нам поки невідомо наскільки це буде критично при вимірах. Цю ваду можна вирішити програмно. Виміряти тривалість імпульса МК та прийняти його половину за точку переходу через нуль.
Soir пише: Це варто спробувати... Детектор при потребі завжди можна добавити.

Схему намалював. Дисплей використав від Nokia5110. Він виглядає найбільш інформативним та й по
габаритам має добре вписатись в конструкцію. Прошу перевірити на відповідність портів МК. На схемі враховано варіант захисту від різного роду катаклізмів в мережі, але поки що видається так, що цікавіше бачити з основними параметрами статистику. Все залежатиме від ресурсів МК.



Також прикинув варіанти виводу інформації на екран. На головному екрані міститиметься вся основна інформація, але розмір символів не дозволить комфортно її спостерігати. Тому доцільно зробити додаткові екрани, що гортатимуться кнопкою і міститимуть конкретний параметр великими буквами + динаміку у графічному вигляді. Не знаю наскільки важко це буде реалізувати у прошивці але виглядатиме це непогано.





ТЗ поки на паузі до узгодження ключових моментів.

ТЗ подивлюсь пізніше, поки що зайнявся своїм макетом, щоб визначитись з методом вимірювання. Але попередньо можу сказати, що навряд чи це все поміститься у ATMEGA8.

Перепробував декілька варіантів визначення зсуву фази по піку при вимірюванні. Взагалі, ніяких несподіванок - з детектором і програмі легше, і вимірювання більш стабільні. Детектор - резистор і стабілітрон. Все це з вторинної обмотки трансформатора, тобто на детектор іде невисока напруга, через що і фронти імпульсів не дуже круті. Коли буде з 220, тоді можливо буде стабільніше. Нестабільність вимірювання зсуву у мене вийшла приблизно 0,1 мсек. Можете перерахувати, скільки це буде в градусах.
Вроді і нормально, але є але.
По-перше, сильна залежність від перешкод. Як і в детекторі, так і в формі синусоїди напруги. Це я ще вимірював без усіляких навантажень. Якщо підуть симістори, колекторні двигуни, імпульсні блоки живлення... тоді цей метод навряд чи буде добре працювати.
По-друге, при низьких напругах на вході в МК з'являються, так би мовити, горизонтальні площадки довжиною в декілька вимірювань. Це може привести до неточного визначення піку.
У підсумку вважаю, що це не найкращий метод.

Ще спробую через вимірювання активної і реактивної потужності. У цьому випадку всі перераховані недоліки повинні зникнути. Детектор краще залишити.

Soir пише: Не проблема... Не влізатиме переповземо на ATMEGA328.
Soir пише: Цього слід було очікувати. А при 220V ще й резистор грітиметься добряче. Але це також не проблема. Доведеться робити детектор по всіх правилах (як на малюнку термофену). З ним повинно бути все гаразд і з фронтами і з економічністю.
Soir пише: Тут лише "правильний" монтаж допоможе... і я знаю як це зробити.
Soir пише: Зовсім не зрозуміло звідки їм там взятися???

Нарешті закінчив ТЗ.... Не ідеальне... Але поки так.



Дуже вже руки чешуться щось попаяти.

studiotandem пише: Не буде. Мова йде про сотні кОм, або навіть МОм-и.
studiotandem пише: Сенсу немає. По-перше, потрібно 50 Гц. По-друге, гальванічної розв'язки у пристрої все одно немає. Тому вся ця схема повинна бути кардинально змінена.
studiotandem пише: Не факт. Мова йде не про наводки, чи перешкоди, які буде створювати прилад сам собі. Мова йде про те, що коється у мережі 220V.
studiotandem пише: Залежить від роздільної здатності АЦП. Близькі значення напруги у проміжку між кроками АЦП дадуть один і той самий результат. Це особливо буде помітно при низьких вхідних напругах на верхній і нижніх частинах синусоїди.
studiotandem пише: Потерпіть ще трохи, поки я не закінчу свої випробування. До речі, у мене дещо інша схема підключення. Однополярне живлення, зміщення на вимірювальних входах МК - резистивний дільник, а вимірюваний сигнал подається через конденсатор. Як на мій погляд, так простіше. У крайньому випадку, для мого макету це точно.

Soir пише: Ось саме цього я на етапі проектування схеми якраз старався уникнути. У мене по постійному та змінному струму все прозоро від входу до виходу. Перехідні конденсатори при несинусоїдальному сигналі не є добре.
Soir пише: Для макету так. Я зараз поки погано собі уявляю як там щось безпечно подивитись осцилографом. Доведеться поекспериментувати з низьковольтним варіантом через трансформатор.
Soir пише: .. так там і є 50 Гц.
Soir пише: Так там можна і без оптрона... але з оптроном простіше. Легше узгодити з двополярним живленням. Та маю тих оптронів цілу купу.
Soir пише: А є кращі методи?

Гуглю зараз потроху подібну тематику і знайшов майже клона. Лише з перехідними конденсаторами (як а Вашому макеті). З мотодикою вимірювань відсилають на статтю Олега Артамонова, посилання на яку давно здохло.

studiotandem пише: Це ще як на це подивитись. А який сигнал Ви будете виміряти? Прямокутний? Вважаю, що у даному приладі це дрібниці.

studiotandem пише: Ні, там 100Гц.

studiotandem пише: Вимірювати потужність. Активну і загальну. Далі розрахунки реактивної, кут, косинус...
Вже тестову прошивку перевів на цей спосіб. На макеті я вже перевіряти не зможу. Трохи дороблю і протестую у симуляторі.

Soir пише: Може й таке статись... Простий UPS для прикладу.
Soir пише: ... трохи затупив.
Soir пише: .... не важливо якого кольору кішка, головне щоб мишей ловила.

studiotandem пише: Але там все одно ж 50Гц? Не думаю, що така кардинальна зміна форми сигналу суттєво вплине на точність вимірювання. До речі, не надійтесь, що в підсумку у нас вийде якийсь супер точний прилад. Скоріше індикатор.

studiotandem пише: То трохи не та історія. У нашому випадку має значення не тільки спіймали мишу чи ні. А важливу роль грає якість. Тому і йде вибір "кращої кішки".

Чому не дає? Це ж дасть чіткі переходи через нуль двох вимірів і одночасно розвантажить МК. А якщо не дає нічого то в чому зараз проблема?
Soir пише: Це ще невідомо. Маю надію вийти на 5% точності. Не думаю, що розробники готових виробів стикались з іншими проблемами (завади та таке інше...). В них все те саме... шунт, підсилювач, АЦП... тільки розрядність можливо більша. І все це в кристалі-каплі. Так що не втрачаймо оптимізму.

studiotandem пише: Ноль для струму буде плаваючим, в залежності від його величини. Тобто, для струму чіткої фіксації не буде. А насправді, і не потрібно. Головне зафіксувати ноль для напруги, а далі вже шукати максимуми, все одно потрібно проводити вимірювання всього. Але і по відрізку часу до максимумів теж присутня нестабільність. На це теж є свої причини.

По-друге, і в цьому проблема - немає стабільності не через погану работу детектора, а через нестабільність самої напруги. Ця нестабільність проявляється у кожному періоді. Тобто, двох однакових періодів не буває. Що неминуче приводить до зміщення імпульсу відносно ідеального нуля напруги. Тому я і відмовився від вимірів напруги і струму у різних періодах.

studiotandem пише: Для вимірювань окремих параметрів вона буде навіть кращою. А ось для потужності вже не факт. Маю на увазі не просто перемножити одне на інше, а вирахувати активну і реактивну. Тут якраз і будуть максимально проявлятись усі похибки і нестабільності.
До речі, дайте формулу розрахунку "Коефіцієнту потужності (XX.X%)".

Там формули багатоповерхові і просто скопіювати не виходить.
Надсилаю скрінами.

На малюнку є ще параметр "лямбда". Це те ж саме... лише помножене на 100. Так зручніше для сприйняття. І формат XX.X % підходитиме.

Хай буде так.

Зібрав проект. Прошивка вже все вимірює (не впевнений, що вірно, потрібно перевіряти). Меню поки що немає, на дисплей поки що виводиться все сумбурно... з цим вже буду займатись пізніше.
Поки що подивіться на підключення дисплею, воно має таким і залишатись. Якщо щось не співпадає з Вашою схемою, тоді відкоригуйте схему.
Вхідна частина у тому вигляді, у якому дозволяє проводити симуляцію Proteus. Але прошивка повинна працювати і у Вашій схемі.

Якщо не подобаються великі символи, тоді намалюйте свої з урахуванням можливостей дисплею.

Буде можливість - перевіряйте у залізі.

Актуальна прошивка буде у повідомленні №12.

Зараз знайду 7.10. А вони разом з 8.5 на одному компі можуть співіснувати?

На схемі Proteus детектор не намальований. І якщо я правильно розумію, він має бути в формі меандра (а не коротких імпульсів). Тому планую зробити таким чином.



З оптроном простіше вклинитись в двополярне живлення. І чи має значення прямий сигнал чи інверсний відносно фаза в мережі?

І ще питання щодо підключення кнопок та сигналів BL, Buzer, Alarm. Бо там були переназначення. Перед зібранням макета було б добре врахувати це.

studiotandem пише: У мене встановлені обидві версії Proteus.

studiotandem пише: Ширина імпульсів немає ніякого значення.

studiotandem пише: Інверсія чи не інверсія - робіть як Вам зручніше, потім внесу корективи у прошивку.

studiotandem пише: Вкажіть на які виводи їх потрібно перенести.