Créer son compteur de puissance avec un microcontrôleur


Un wattmètre, comme Kill A Watt dans la photo, il se branche dans le mur et enregistre les statistiques d'utilisation de l'énergie sur les périphériques qui y sont connectés. Les détails exacts de comment cela est réalisé peuvent différer, car il existe de nombreuses façons que vous pouvez prendre en considération pour concevoir et mettre en œuvre un tel dispositif, mais l'idée de base est la même. Ouverture du Modèle de Kill A Watt révèle quelques-uns des secrets qu'il faut pour faire une mesure de puissance.

L'électricité est passée de la prise murale via un fusible et bornes d'une résistance de détection de courant. Attaché à la résistance de détection de courant est un petit circuit qui amplifie le très faible courant de la résistance de détection en une tension qui peut être lu par un microcontrôleur. Le microcontrôleur convertit cette tension en utilisant un convertisseur analogique-numérique (ADC) et prend également en compte la tension, qui est d'environ 120 volts, et calcule finalement la puissance.




Au moins ce est ce qui semble être l'Kill A Watt doing.However, cette page est dédiée à cette watts mètres particulier, au lieu que nous sommes ici pour parler de la façon de construire un wattmètre, avec notre propre conception, à partir de zéro!

Le schéma ci-dessus tourne autour du circuit intégré ampère MCP601 op câblé pour fonctionner amplificateur à gain élevé. L'ampoule dans le circuit, est une unité du type à foyer qui est le dispositif à circuit. Comme ménages électrique traverse les pouvoirs du circuit, il traverse l'ampoule et la résistance de détection de résistance très faible courant. La tension aux bornes de la résistance de faible résistance sera très proche de zéro, mais pas complètement. En effet, la tension est proportionnelle à la quantité de courant circulant à travers elle, mais toujours une petite quantité et difficile à détecter. Ce est là que l'ampli-op entrée. Il multiplie faible tension sur la résistance et l'envoie à un CAN (convertisseur analogique-numérique) d'un microcontrôleur pour la lecture. Le microcontrôleur a une tension de 0-Vcc et la convertit en une valeur numérique entre 0 et 255 (pour une conversion sur 8 bits) ou de 0 à 1023 (pour une conversion de 10 bits). Pour cette raison, pour obtenir une lecture pleine échelle nécessite une sorte d'échelle du circuit (non représenté).

Le point de l'échelle est de déterminer à l'avance ce que la plage de fonctionnement de l'appareil doit accepter watts. Le modèle I Kill A Watt se est vu attribuer jusqu'à 15 ampères, ce qui est la puissance maximale pour la sortie dans chaque cas il est probablement suffisant pour notre projet aussi. Ainsi, nous accordons l'ampli op circuit, l'ajustement des valeurs de résistance (un potentiomètre fonctionne bien pour cela) afin de permettre une certaine tension de balayage lorsque l'appareil de lecture actuelle de 0 à 15 ampères.

La puissance est égale à la tension fois le courant, et en d'autres termes, watts = volts ampères *. Maintenant, pour de nombreux designers, 120 volts peuvent être suffisantes pour le calcul préprogrammé pour le microcontrôleur à utiliser. Malheureusement, si vous avez besoin d'une plus grande précision d'un capteur de tension sera également utilisé pour mesurer la tension d'entrée sur le circuit AC. Tension de la compagnie d'électricité ne est pas très précis et tend à fluctuer lentille au cours de la journée. Lorsque la tension est plus basse, l'appareil va tirer plus de courant pour obtenir la même quantité d'énergie. Si le compteur watts ne savent pas que la tension est brusquement changé vous pensez que la voiture est plus avide de pouvoir, qui est en fait pas le cas. Maintenant, un autre problème, le réseau électrique est AC dans la maison, et environ 60 Hz (mais pas exactement), aux États-Unis. Pour des calculs plus précis, vous pouvez aussi envisager la mesure de la fréquence sur la ligne contre un oscillateur à cristal ou de haute précision horloge atomique!

Considérez le fait que la tension alternative sur la ligne comme une onde sinusoïdale. Cela signifie qu'à un instant donné, la tension peut aller de 0 volts à la tension de crête de l'onde sinusoïdale. Alors pourquoi avons-nous dire que ce est 120 volts? Et «parce que ce est très pratique pour penser en termes de moyenne tension alternatif plutôt que des valeurs instantanées. 120 volts est la valeur moyenne de l'électricité à onde sinusoïdale ou de ses RMS (Root Mean Square). Cela signifie que la valeur de crête est d'environ 170 volts à 0 volt et 170 sur le côté positif de zéro du côté négatif. Si cela prend 170 volts multiplié par la racine carrée (2)/2, ce qui donnerait 120 volts! La différence d'une alternance de façon actuelle et par conséquent CA peut être mesurée peut conduire à une certaine ambiguïté. RMS est presque toujours implicitement sinon explicitement mentionné.

Retour à l'électronique numérique ... avant que la tension AC peut être travaillé avec, il doit être converti en une forme DC ci-dessous. Depuis DC peut pas embaucher des valeurs plus ambiguës, vous devez décider dans quelle mesure l'AC prend avant la conversion en DC. Si le RMS doit être utilisé, ce qui est recommandé, la valeur convertie de DC AC soit proportionnelle à la valeur RMS de 120 volts. Bien sûr, 120 volts est trop élevé pour ne importe quel microcontrôleur de gérer, et devra être réduit à un niveau suffisamment bas. Aussi, une fois de plus, comme pour les mesures de courant, le concepteur doit décider dans la plage de tolérance de la tension que le dispositif peut être adapté pour fonctionner. Une approche serait d'accepter une tension efficace de 100 à 150 volts, cela devrait fonctionner dans tous les cas possibles aux États-Unis pour les circuits de 120 volts domestique standard. Cette fenêtre 50 volts (100-150 volts) doivent être convertis en une valeur sûre du microcontrôleur, par exemple, de 0 à 3,3 volts. En supposant que la proportionnalité, avec ce schéma, le microcontrôleur peut lire une valeur sur le ADC d'environ 1h32 volts lorsque l'entrée d'origine était de 120 volts AC. Le microcontrôleur doit alors enregistrer le numérique 410 (dans un système 10 bits).

Je touchais un grand nombre de petits détails, mais ce est la spécificité qui font que votre conception! Cet article est destiné comme une stratégie pour la façon de concevoir un tel dispositif. Dans tous les cas, un peu plus du microcontrôleur, qui est, après tout, le cerveau du système.

Le microcontrôleur doit avoir au moins deux ADC pour faire les mesures de courant et de tension. Intérieurement, le microcontrôleur est que ces lectures une valeur numérique comprise entre 0 et 1023 (par l'ADC 10 bits). Il est important de se rappeler les facteurs de conversion pour convertir ces valeurs de tension numériques apparemment arbitraire et d'ampérage représentant. Dans l'exemple précédent, une lecture de 410 introduit par une tension de 120 volts de sorte que le facteur de conversion serait simplement 0,292. En multipliant ce facteur par la valeur numérique mémorisée par le CAN se traduira par la tension réelle. Mesure de courant aurait probablement un facteur différent, mais le même processus pourrait être utilisé, et quand les valeurs sont démythifiée, il serait multiplié ensemble, au moment de l'exécution, par le microcontrôleur, et le résultat serait la puissance (en watts ) que l'équipement de plein air notamment consommé.

... Maintenant, la partie amusante. Le travail du compteur de puissance est d'afficher ce dernier morceau de l'information (en watts) en une forme humaine utilisable. Le produit final peut avoir sur le bouton dont vous connecter à la broche du microcontrôleur I/O, et être programmé pour changer les modes selon lesquels les touches sont pressées. Pour mon projet, je ai choisi de sortir les informations en utilisant un affichage à plusieurs chiffres LED multiplex. Mais LCD, une approche conservatrice serait plus d'énergie. Beaucoup de microcontrôleurs, comme le PIC18F2525, par exemple, ont une banque de mémoire EEPROM interne, qui est non volatile, et peuvent être utilisés pour stocker utilise une alimentation périodique au cours de quelques jours pour aider l'utilisateur à évaluer les utilisations de l'énergie long terme de leurs appareils domestiques. Capacités d'enregistrement des données sont un must pour tout watts de puissance du compteur grave.

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