Power Meter By Primok_V

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Categoria principale: Elettronica Categoria: Microcontrollori
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POWER METER By Primok_V

Il circuito permette di monitorare il consumo della vostra abitazione in tempo reale.

IL seguente circuito permette di visualizzare su un display a 4 righe la potenza consumata della vostra casa in tempo reale . Altre grandezze visualizzate sono la corrente totale, la tensione di rete, la potenza apparente, l'angolo di sfasamento tra tensione e corrente ed il coseno .Quest'ultima grandezza è utilissima poichè attraverso la sua conoscenza è possibile ( con una piccola modifica del sorgente ) utilizzare il circuito anche come rifasatore automatico.

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I componenti fondamentali del circuito sono 2 operazionali TL 084 , un sensore di corrente della LEM LAH 25-NP ed un microcontrollore 16F876A. Ho diviso lo schema elettrico complessivo in 3 sezioni per una facile comprensione dello stesso.

Le  sezioni sono le seguenti:

- Misura Corrente_Tensione

- Microcontrollore

- Alimentazione

Misura Corrente_Tensione
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Analizziamo ora il primo schema elettrico relativo alla misura della corrente e della tensione di rete.

In alto a sinistra dello schema soprastante notiamo il lem LAH 25- NP che fornisce una tensione proporzionale alla corrente assorbita dai carichi domestici. Il rapporto di conversione è 1/1000 perciò la corrente sarà divisa per questo valore.In uscita sul piedino 3 del Lem è collegata una resistenza da 100 ohm 1% e la tensione ai suoi capi sarà pari a:

V = I/1000 * 100 Ohm con I che è la corrente assorbita dai carichi domestici. Subito dopo questa resistenza abbiamo un filtro RC per filtrare i disturbi seguito da un buffer per disaccoppiare.Il secondo  stadio è un amplificatore non invertente che amplifica il segnale con la possibilità di regolare il suo guadagno tramite VR1. Con questo trimmer,in fase di taratura, sarà possibile correggere la lettura del sensore di corrente come vedremo più¹ avanti.

Il segnale energizzato e "ripulito" viene distribuito ad altri 2 stadi attraverso C2. Uno di questi è in alto a destra dove vediamo un raddrizzatore ideale seguito da un un filtro R7C7, poi uno zener di protezione ed infine un resistore di pull down R10. Questa sezione in pratica preleva la sinusoide e la raddrizza prima di darla in pasto al canale analogico del microcontrollore, quello relativo alla corrente misurata, e potrà  essere al max 5V. Il diodo zener D2 interviene solo se la tensione è maggiore di 5V per guasto dell'operazionale dato che quest'ultimo è alimentato con una tensione duale di +/- 15V.Il secondo stadio semplicemente squadra il segnale passando da una sinusoide ad un segnale ad onda quadra +/- 15V.Sul collettore del transistor Q1, utilizzato come traslatore di livello, avremo invece un'onda quadra 0V-5V con il fronte di salita in corrispondenza del passaggio per lo zero della sinusoide.Questo segnale sarà  il Digital_I cioè¨ l'ingresso digitale della corrente che in coppia con il digital_V permetterà  di calcolare lo sfasamento dei 2 segnali di corrente e tensione digitalizzati. Passiamo ora alla descrizione della sezione della tensione che si trova in basso a sinistra.Dal trasformatore viene prelevato un segnale sinusoidale di 15V che viene applicato al partitore formato da R12 e R13. Con quest'ultimo ,in fase di taratura, sarà  possibile regolare la tensione  in modo da visualizzarla sul display il valore corrispondente della rete scalato in modo opportuno. Subito dopo abbiamo un filtro R14C8 ed un secondo partitore VR2 R15 per regolare ulteriormente la tensione. Nel nodo dove confluiscono C8 ,VR2,C9 e C10, il segnale viene distribuito anche qui in 2 sezioni. La sezione in basso è una rete sfasatrice che permette di mettere in fase tensione e corrente durante la taratura.La rete sfasatrice riguarda  C11,R17,R18,R16,VR3, 1/4 TL084.La parte finale di questa sezione è identica a quella vista per la corrente e fornisce il  segnale digitale  Digital_V al micro squadrato che come abbiamo detto servirà  insieme a Digital_I per il calcolo di cos¸.La parte superiore , a differenza della sezione superiore della corrente, è un raddrizzatore ideale ma a doppia semi onda. Il segnale presente su R28 è il segnale analogico della tensione da dare in pasto al 16F876A.

 

Micro controllore
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 Il micro si occupa della gestione dei 4 segnali provenienti dal circuito misura corrente-tensione. I segnali sono:

Digital_V,Digital_I, Analog_V e Analog_I. Con i primi 2 si calcola lo sfasamento tra I e V, gli altri due invece sono utili per il calcolo del prodotto V*I. La potenza attiva sarà  V*I*cos¸.Vediamo ora come viene calcolato l'angolo di sfasamento tra I e V.

L'angolo di sfasamento si calcola in funzione del tempo che trascorre tra il primo fronte di salita e quello successivo. il primo fronte di salita attiva il timer1 , mentre il secondo lo disattiva, poi si ricomincia.In assenza di corrente il segnale digitale presente è solo il Digital_V che ovviamente è di 50Hz.Il Timer1 resterà  attivo per 20 ms.In questo tempo il timer sarà  incremetato ogni 25 us percui dopo 20 ms si avranno 800 impulsi.Questo spiega perchè¨ sul display in assenza di corrente l'angolo di sfasamento sarà  360° circa.


Se i 2 segnali sono sfasati di 360° oppure è presente solo un segnale ( corrente o tensione ), avremo 800 impulsi contati , infatti impulsi=20000µs/25us =800. La risoluzione angolare è invece di 蟠 =0.45° infatti 蟠 =360*25 us/20mS =0.45 °. In fine lo sfasamento dei 2 segnali sarà  dato da  è˜ = 0.45 °*pulse .Dal punto di vista software bisogna gestire i 2 segnali digitali per attivare/disattivare il timer1 per mezzo di interrupt sui pin B4 e B5. Durante il conteggio , la visualizzazione delle informazioni è "congelata" per poi essere aggiornata alla fine del conteggio del contatore che avviene quando si presenta il secondo fronte di salita.Il quarzo utilizzato è di 20MHz; i quattro led D1,D2,D3,D4 si accendono rispettivamente quando la potenza attiva supera i 1000W,1500W,2000W,3000W.Ovviamente si possono cambiare queste soglie con una modifica software.Il display usato è a 4 righe.

 

Alimentazione

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Per l'alimentazione non c'è¨ molto  da dire; un trasformatore con 2 secondari per ottenere la tensione duale e i 5V per il microcontrollore. I led indicano se le tensioni sono tutte e tre presenti +15V,-15V,+5V. Il trasformatore è di 60VA ma anche uno da 45W andrebbe bene.

Il circuito stampato
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Posizione componenti
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Il circuito stampato realizzato da Saverio1946 su mia richiesta

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Andamento dei segnali Digital_V e Digital_I  su un carico resistivo di 100W durante le prove.

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Taratura

Alimentare il circuito e regolate R13 e VR2 per leggere sul display la tensione della vostra rete domestica dopo averla misurata con un tester. Regolate i trimmer per leggere  lo stesso valore circa.

Collegate una lampada da 100W alla rete domestica e misurate la corrente assorbita con un tester digitale. Segnare il valore.

Ora collegare lo stesso carico al circuito tra l'uscita del lem e la fase  ( guardare il PCB) . Regolare  VR1 fino a leggere sul display lo stesso valore. Il valore non sarà  perfettamente uguale a causa del convertitore analogico-digitale del pic che è di 10 bit.

Chi dispone di un oscilloscopio puo regolare i trimmer per ottenere i 2 segnali corrente e tensione perfettamente in fase come è indicato nell'immagine  di sopra.I 2 canali da collegare all'oscilloscopio sono i test point Test_P1 e Test_P4 indicati nello schema misura corrente -tensione.Credo di non aver dimenticato niente! 


firmware

Saluti

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