- Potrebni materijali
- Kružni dijagram
- Mjerna jedinica
- Jedinica za računanje i prikaz
- Programiranje Arduina
- Kako izmjeriti s više točnosti?
- Rad i ispitivanje
Kao elektronički inženjeri, uvijek ovisimo o brojilima / instrumentima za mjerenje i analizu rada strujnog kruga. Počevši od jednostavnog multimetra do složenih analizatora kvalitete energije ili ODS-a, sve ima svoje jedinstvene primjene. Većina ovih brojila su lako dostupna i mogu se kupiti na temelju parametara koji se mjere i njihove točnosti. Ali ponekad bismo mogli doći u situaciju da moramo sami izgraditi svoja brojila. Recimo da na primjer radite na solarnom PV projektu i željeli biste izračunati potrošnju energije vašeg opterećenja, u takvim scenarijima možemo izgraditi vlastiti vatmetar koristeći jednostavnu platformu mikrokontrolera poput Arduina.
Izgradnja vlastitih brojila ne samo da smanjuje troškove ispitivanja, već nam daje i prostor za olakšavanje postupka ispitivanja. Poput toga, vatmetar izrađen pomoću Arduina može se lako prilagoditi za praćenje rezultata na serijskom monitoru i crtanje grafa na serijski ploter ili dodavanje SD kartice za automatsko bilježenje vrijednosti napona, struje i snage u unaprijed definiranim intervalima. Zvuči zanimljivo zar ne !? Pa krenimo…
Potrebni materijali
- Arduino Nano
- LM358 Op. Pojačalo
- 7805 Regulator napona
- LCD zaslon od 16 * 2
- 0.22 ohm otpornik na 2W vat
- 10k lonac za trimer
- Otpornici 10k, 20k, 2,2k, 1k
- Kondenzatori od 0,1 uF
- Probno opterećenje
- Perf ploča ili breadboard
- Komplet za lemljenje (opcija)
Kružni dijagram
Kompletna shema sklopa projekta arduino vatmetra dana je u nastavku.
Radi lakšeg razumijevanja, arduino-vatmetrski krug podijeljen je u dvije jedinice. Gornji dio sklopa je mjerna jedinica, a donji dio sklopa računska i prikazna jedinica. Za ljude koji su novi u ovoj vrsti sklopova slijedile su oznake. Primjer + 5V je naljepnica, što znači da treba smatrati da su sve igle na koje je naljepnica spojena, jer su povezane zajedno. Oznake se obično koriste kako bi shema sklopova izgledala uredno.
Krug je dizajniran da se uklopi u sustave koji rade između 0-24V i trenutnim rasponom od 0-1A imajući na umu specifikaciju solarne PV. Ali domet možete lako proširiti nakon što shvatite rad kruga. Osnovno načelo iza kruga je mjerenje napona na opterećenju i struje kroz njega radi izračunavanja snage koju on troši. Sve izmjerene vrijednosti prikazat će se na alfanumeričkom LCD zaslonu 16 * 2.
Dalje u nastavku podijelimo krug na male segmente kako bismo mogli dobiti jasnu sliku o tome kako krug uvučen radi.
Mjerna jedinica
Mjerna jedinica sastoji se od potencijalnog razdjelnika koji nam pomaže izmjeriti napon, a zatvoreni otpornik s neinvertirajućim Op-pojačalom koristi se za mjerenje struje kroz krug. Dio potencijalnog razdjelnika iz gornjeg kruga prikazan je u nastavku
Ovdje ulazni napon predstavlja Vcc, kao što je ranije rečeno, dizajniramo sklop za raspon napona od 0V do 24V. Ali mikrokontroler poput Arduina ne može izmjeriti tako visoke vrijednosti napona; može mjeriti samo napon od 0-5V. Dakle, moramo mapirati (pretvoriti) raspon napona od 0-24V u 0-5V. To se lako može učiniti korištenjem potencijalnog razdjelnog kruga kao što je prikazano dolje. Otpor 10k i 2.2k zajedno čine potencijalni djeliteljski krug. Izlazni napon razdjelnika potencijala može se izračunati pomoću formula u nastavku. Isti se koristi za određivanje vrijednosti vaših otpornika, pomoću našeg mrežnog kalkulatora možete izračunati vrijednost otpornika ako ponovno dizajnirate sklop.
Vout = (Vin × R2) / (R1 + R2)
Kartirano 0-5V može se dobiti iz srednjeg dijela koji je označen kao Napon. Ovaj preslikani napon može se kasnije napajati na analogni pin Arduino.
Dalje moramo izmjeriti struju kroz OPTEREĆENJE. Kao što znamo, mikrokontroleri mogu čitati samo analogni napon, pa moramo nekako pretvoriti vrijednost struje u napon. To se može učiniti jednostavnim dodavanjem otpora (ranžirajući otpornik) na putanju koja će prema Ohmovom zakonu na njemu ispustiti vrijednost napona proporcionalna struji koja kroz njega prolazi. Vrijednost ovog pada napona bit će vrlo manja pa za pojačanje koristimo opcijsko pojačalo. Krug za isti prikazan je u nastavku
Ovdje je vrijednost ranžirnog otpora (SR1) 0,22 Ohma. Kao što je ranije rečeno, dizajniramo sklop za 0-1A, pa na osnovu Ohmovog zakona možemo izračunati pad napona na ovom otporu koji će biti oko 0,2 V kad kroz teret prolazi maksimalna struja od 1 A. Ovaj je napon vrlo mali za čitanje mikrokontrolera, koristimo Op-pojačalo u načinu rada bez invertirajućeg pojačala kako bismo povećali napon s 0,2 V na višu razinu kako bi ga Arduino mogao čitati.
Opcijsko pojačalo u neinvertirajućem načinu prikazano je gore. Pojačalo je dizajnirano tako da ima pojačanje 21, tako da je 0,2 * 21 = 4,2V. Formule za izračunavanje pojačanja Op-pojačala dane su u nastavku, a pomoću ovog mrežnog kalkulatora dobitka možete dobiti vrijednost svog otpora ako ponovno projektirate sklop.
Dobitak = Vout / Vin = 1 + (Rf / Rin)
Ovdje je u našem slučaju vrijednost Rf 20k, a vrijednost Rin 1k, što nam daje giansku vrijednost 21. Pojačani napon iz op-amp-a zatim se daje RC-filtru s otpornikom 1k i kondenzatorom 0.1uF do filtrirajte bilo koji šum koji je povezan. Napokon se napon napaja na analogni pin Arduino.
Posljednji dio koji je ostao u mjernoj jedinici je dio regulatora napona. Budući da ćemo dati promjenjivi ulazni napon, potreban nam je regulirani + 5 V za rad Arduina i Op-pojačala. Ovaj regulirani napon osigurat će regulator napona 7805. Na izlazu se dodaje kondenzator za filtriranje buke.
Jedinica za računanje i prikaz
U mjernoj jedinici dizajnirali smo krug za pretvaranje naponskih i strujnih parametara u 0-5V koji se mogu napajati na analogne iglice Arduino. Sada ćemo u ovom dijelu sklopa spojiti ove naponske signale na Arduino i također spojiti alfanumerički zaslon 16 × 2 na Arduino kako bismo mogli vidjeti rezultate. Krug za isti prikazan je u nastavku
Kao što vidite, naponski pin priključen je na analogni pin A3, a trenutni pin na analogni pin A4. LCD se napaja iz + 5V iz 7805 i povezan je s digitalnim pinovima Arduina za rad u 4-bitnom načinu rada. Također smo upotrijebili potenciometar (10k) povezan na Con pin za promjenu kontrasta LCD-a.
Programiranje Arduina
Sad kad dobro razumijemo hardver, otvorimo Arduino i krenimo s programiranjem. Svrha koda je očitati analogni napon na pinovima A3 i A4, izračunati vrijednost napona, struje i snage i napokon ga prikazati na LCD zaslonu. Kompletni program koji će učiniti isto naveden je na kraju stranice koji se kao takav može koristiti za gore raspravljeni hardver. Dalje je kod podijeljen na male isječke i objašnjen.
Kao i svi programi s kojima započinjemo, definiramo igle koje smo koristili. U našem se projektu pin A3 i A4 koriste za mjerenje napona i struje, a digitalni pinovi 3,4,8,9,10 i 11 koriste se za povezivanje LCD-a s Arduinom
int Čitanje_napona = A3; int Read_Current = A4; const int rs = 3, en = 4, d4 = 8, d5 = 9, d6 = 10, d7 = 11; // Spomenimo broj pina za LCD vezu LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7);
Također smo uključili datoteku zaglavlja nazvanu tekući kristal kako bismo povezali LCD s Arduinom. Zatim unutar funkcije postavljanja inicijaliziramo LCD zaslon i prikazujemo uvodni tekst kao "Arduino Wattmeter" i čekamo dvije sekunde prije nego što ga očistimo. Kôd za isti prikazan je u nastavku.
void setup () { lcd.begin (16, 2); // Iniciranje 16 * 2 LCD lcd.print ("Arduino Wattmeter"); // Uvodni redak poruke 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- Circuitdigest"); // Uvod u retku poruke 2 (2000); lcd.clear (); }
Unutar funkcije glavne petlje koristimo analognu funkciju čitanja za očitavanje vrijednosti napona s pina A3 i A4. Kao što znamo Arduino ADC izlaznu vrijednost od 0-1203, jer ima 10-bitni ADC. Zatim se ta vrijednost mora pretvoriti u 0-5V, što se može pomnožiti s (5/1023). Zatim smo opet ranije u hardveru mapirali stvarnu vrijednost napona od 0-24V do 0-5V i stvarnu vrijednost trenutnog oblika od 0-1A do 0-5V. Dakle, sada moramo koristiti multiplikator da vratimo ove vrijednosti natrag na stvarnu vrijednost. To se može učiniti množenjem s vrijednošću množitelja. Vrijednost množitelja može se izračunati teoretski pomoću formula danih u odjeljku o hardveru ili ako imate poznati skup vrijednosti napona i struje, možete ga izračunati praktično.Slijedio sam potonju opciju jer je u pravilu točniji. Dakle, ovdje je vrijednost množitelja 6,46 i 0,239. Stoga kod izgleda kao u nastavku
plutajuća vrijednost_napona = analogRead (Read_Voltage); plutajuća Current_Value = analogRead (Read_Current); Vrijednost_napona = Vrijednost_napona * (5,0 / 1023,0) * 6,46; Current_Value = Current_Value * (5.0 / 1023.0) * 0.239;
Kako izmjeriti s više točnosti?
Gornji način izračuna vrijednosti stvarnog napona i struje funkcionirat će sasvim u redu. Ali pati od jednog nedostatka, to jest, odnos između izmjerenog napona ADC i stvarnog napona neće biti linearan, pa jedan multiplikator neće dati vrlo točne rezultate, isto što se odnosi i na struju.
Dakle, da bismo poboljšali točnost, možemo nacrtati skup izmjerenih vrijednosti ADC-a sa stvarnim valovima koristeći poznati skup vrijednosti, a zatim upotrijebiti te podatke za crtanje grafa i izvođenje jednadžbe množitelja primjenom metode linearne regresije. Možete uputiti Arduino dB metar u kojem sam koristio sličnu metodu.
Konačno, nakon što izračunamo vrijednost stvarnog napona i stvarne struje kroz opterećenje, možemo izračunati snagu pomoću formula (P = V * I). Zatim prikazujemo sve tri vrijednosti na LCD zaslonu pomoću donjeg koda.
lcd.setCursor (0, 0); lcd.print ("V ="); lcd.print (Voltage_Value); lcd.print (""); lcd.print ("I ="); lcd.print (Current_Value); plutajući Power_Value = Voltage_Value * Current_Value; lcd.setCursor (0,1); lcd.print ("Snaga ="); lcd.print (Power_Value);
Rad i ispitivanje
Zbog vodiča upotrijebio sam perf ploču za lemljenje svih komponenata kako je prikazano u krugu. Upotrijebio sam vijčani priključak Phoenix za spajanje tereta i normalni priključak istosmjerne cijevi za povezivanje izvora energije. Arduino Nano ploča i LCD montirani su na ženski Bergstik tako da se mogu ponovno koristiti ako je potrebno kasnije.
Nakon što pripremite hardver, prenesite Arduino kôd na svoju Nano ploču. Podesite lonac za trimer kako biste kontrolirali razinu kontrasta LCD-a dok ne vidite jasan uvodni tekst. Da biste testirali ploču, spojite teret na priključak vijčane stezaljke, a izvor na cijevnu utičnicu. Da bi ovaj projekt mogao raditi, napon izvora trebao bi biti veći od 6V, jer je za rad Arduina potrebno + 5V. AKO sve funkcionira u redu, trebali biste vidjeti vrijednost napona na opterećenju i struju kroz njega prikazane u prvom retku LCD-a i izračunatu snagu prikazanu u drugom retku LCD-a kao što je prikazano dolje.
Zabavni dio izgradnje nečega leži u njegovom testiranju kako bi se provjerilo koliko će raditi ispravno. Da bih to učinio, koristio sam 12V automobilske pokazivače kao opterećenje i RPS kao izvor. Budući da sam RPS može izmjeriti i prikazati vrijednost struje i napona, lako ćemo provjeriti točnost i performanse našeg kruga. I da, također sam koristio svoj RPS za kalibraciju vrijednosti množitelja tako da se približim točnoj vrijednosti.
Kompletni rad možete pronaći na videozapisu na kraju ove stranice. Nadam se da ste razumjeli sklop i program i naučili nešto korisno. Ako imate bilo kakvih problema s postizanjem ovog rezultata, objavite ga u odjeljku za komentare u nastavku ili pišite na našim forumima za više tehničke pomoći.
Ovaj Wattmeter projekt zasnovan na Arduinu ima mnogo više nadogradnji koje se mogu dodati kako bi se povećale performanse automatskog bilježenja podataka, crtanja grafa, obavještavanja o naponu ili trenutnim situacijama itd. Stoga budite znatiželjni i javite mi za što biste ovo koristili.