Измеритель активной мощности, многоканальный счетчик - ваттметр МК ATmega8. Схема включения ваттметра Электронный ваттметр своими руками

Вопрос энергосбережения в последнее время становится актуальным. Количество электроприборов в квартире растет, вместе с ними растут и счета за электроэнергию. Цена на киловатт тоже растет. Интересно что по нормативам, в многоквартирном доме на 100 квартир

• 1972 году закладывалось 0.52 киловатта на 1 комнатную квартиру
• 2005 году по расчетам уже 0.75 киловатт

25% за четверть века - почти 1% в год получается.

Собираем ваттметр самостоятельно из готовых частей

За основу ваттметра я взял готовый модуль китайского производства - . Этот модуль весьма популярен вреди самодельщиков потому что сразу замеряется:

• сила тока
• напряжение
• мгновенная мощность
• итоговое потребление за период

Но так же у этого готового модуля есть и определенные минусы - он не считает реактивную нагрузку. Из-за этого измерить корректно полную мощность на прибор с большой реактивной составляющей невозможно. Однако тот факт - что почти все бытовые электросчетчики измеряют только активную мощность смягчает этот недостаток. Ведь получается мы измеряем только за то что платим в квитанциях.

Корпусом прибора послежила распаячная коробка 100х100 фирмы Tyco. В ней просто вырезаются отверстия с обеих сторон. В крышку вставляется , а в дно прибора розетка легранд валена. Так же в загашнике у меня оказалась готовая вилка со шнуром, которая тоже пошла в дело. Подключал провода к ваттметру я по схеме расположенной на корпусе прибора. Перепутать там что либо сложно, питание подается на центральные контакты, нагрузка на крайние.

Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.

Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 - 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании серии , который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.

Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.

Принципиальная схема

Схема и проект печатной платы разработаны в бесплатной среде проектирования SoloPCB tools. Принципиальная схема прибора изображена на Рисунке 2. Полный список примененных компонентов приведен в Таблице 2.

Для вычисления потребляемой мощности нам необходимо знать напряжение на нагрузке и потребляемый нагрузкой ток. Напряжение, которое должно быть измерено, является напряжением сети переменного тока, поэтому необходимо учитывать, что оно может быть в диапазоне 207 В - 253 В. С целью повышения точности измерений необходимо выполнять измерение напряжения сети, а не использовать в расчетах фиксированное среднее значение 230 В.

Линии сети электропитания подключаются к разъему J1 (AC IN, вход переменного напряжения). Аналоговый узел для измерения напряжения сети состоит из резистивного делителя (R1, R2 R3), прецизионного источника опорного напряжения (U3) и АЦП (U5). Резистивный делитель, включенный между фазой и нейтралью, предназначен для понижающего масштабирования напряжения с коэффициентом R1/(R1+R2+R3)=1/201 . Таким образом мы понижаем пиковое значение напряжения величиной ±320 В в уровня ±1.59 В. Затем с помощью источника опорного напряжения REF03 () мы задаем смещение этого напряжения вверх на величину 2.5 В, и в результате диапазон ±320 В будет соответствовать входному диапазону АЦП 0.91 В - 4.09 В.

После масштабирования и смещения напряжение на резисторе R2 считывается аналого-цифровым преобразователем (U5) MCP3202 (Microchip) и передается в 12-разрядном формате по интерфейсу SPI в микроконтроллер. Для изолирования микроконтроллера от аналоговых узлов используются высокоскоростные оптопары HCPL-0630 . Второй канал АЦП используется для измерения опорного напряжения 2.5 В - это значение будет использоваться в качестве поправочного коэффициента в расчетах.

Линии сети переменного тока, нейтраль и заземление от разъема J1 непосредственно подключаются к выходному разъему J2 (AC OUT), линия фазы проходит через датчик тока (U4) ACS712-20A компании . Это малошумящий аналоговый датчик тока на основе эффекта Холла с гальванической развязкой от измеряемой линии и возможностью измерения постоянного и переменного тока. Для повышения шумовых характеристик и точности измерений имеется вывод для подключения фильтрующего конденсатора. При нулевом токе выходное напряжение датчика составляет 2.5 В. При протекании тока через выводы IP+ и IP- выходное напряжение датчика меняется в соответствии с масштабным коэффициентом 100 мВ/А, следовательно, при протекающем токе +20 А выходное напряжение составит 4.5 В и 0.5 В при токе -20 А. Аналоговое значение датчика тока преобразуется в цифровую форму с помощью еще одной микросхемы АЦП MCP3202.

Датчик тока имеет диапазон измерений ±20 А, но, учитывая ограничения по току для разъемов и держателя предохранителя, узел измерения переменного тока защищен предохранителем 16 А, включенным в фазовую линию.

Для питания аналоговых узлов и микроконтроллерной части используется трансформаторный блок питания (Рисунок 3). Трансформатор имеет две идентичные вторичные обмотки, с которых снимается переменное напряжение 6 В. Далее напряжение выпрямляется и стабилизируется с помощью микросхемы (U1, U2) с типовой схемой включения. Светодиоды D2 и D3 предназначены для индикации напряжения питания.

В ваттметре используется 8-разрядный МК PIC18F252. Он выполняет считывание значений напряжения и тока, выполняет вычисление их среднеквадратичных значений и среднее значение потребляемой мощности. Непосредственно к МК подключен ЖК индикатор, на котором отображаются указанные значения. Может использоваться как 4-, так и 8-битный режим работы. Для работы с внешними АЦП используется интегрированный в МК модуль SPI интерфейса. Несмотря на то, что в схеме используется кварцевый резонатор 20 МГц, микроконтроллер тактируется частотой 5 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъем ICSP (J3) (Рисунок 4).

Таблица 1. Список использованных компонентов.

Печатная плата

Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).

Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.

Примечание:

При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.

Программа микроконтроллера

Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.

После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:

Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:

Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.

На рисунках ниже изображены измерения с помощью цифрового ваттметра: Рисунок 6 - потребляемая мощность паяльной станции в режиме нагрева, Рисунок 7 - водонагревателя мощностью 2 кВт.

Загрузки

Листинг исходного кода программы микроконтроллера (компилятор CCS C) -

Проектные файлы SoloPCB (схема, печатная плата, библиотеки элементов) -

Ваттметр - измерительный прибор, используемый для определения мощности электрического тока или электромагнитного поля. В быту такое устройство применяют для определения величины энергопотребления устройств электронной техники.

Одним из важных параметров, характеризующим состояние электрической сети является мощность. Она показывает величину работы, выполняемую электрическим током в единицу времени. Мощность всех бытовых устройств, одновременно включаемых в сеть переменного тока, должна быть в рамках допустимой мощности сети. Иначе возможны неприятности и проблемы – от выхода из строя техники до короткого замыкания и пожара в квартире.

Измеряют мощность специальным прибором называемым ваттметром. И если в цепи постоянного тока ее легко рассчитать умножением силы тока на напряжение, то в сети переменного тока не все так просто. Также ваттметром контролируют режим работы электроборудования, проводят испытания электрических установок и учитывают расход электрической энергии.

Измерению мощности предшествует измерение напряжения и силы тока участка цепи. В зависимости от методов измерения и последующего преобразования данных и показа результата измерений, все ваттметры делятся на аналоговые и цифровые:

Аналоговые ваттметры бывают самопишущие и показывающие. Они отражают активную мощность участка цепи. индикатор показывающего ваттметра имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с необходимыми величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).
Принцип их работы основан на взаимодействии двух катушек индуктивности. Одна из них – неподвижная с толстой обмоткой с небольшим числом витков и низким сопротивлением. Подключается по схеме последовательно с нагрузкой. Вторая индуктивность – подвижная выполнена из тонкого медного провода с большим числом витков, поэтому и сопротивление у нее достаточно большое. Подсоединяется в схему она параллельно нагрузке вместе с добавочным резистором (для исключения короткого замыкания между индуктивностями).
При измерении, в катушках генерируются магнитные поля. Их взаимодействие образует некоторый вращающий момент, отклоняющий подвижную катушку с подсоединенной к ней стрелкой индикатором на некоторый угол. Величина этого угла эквивалентна произведению силы тока и напряжения в текущий момент времени.
Схемы цифровых ваттметров измеряют как реактивную так активную, и мощность. Кроме того, на цифровом экране ваттметра выводиться (кроме показания мощности) также и напряжение, сила тока, а также расход энергии за единицу времени.
В основе работы цифрового ваттметра лежит предварительное измерение напряжения и тока. Для этого на его входе имеются: последовательно нагрузке – токовый датчик, параллельно – датчик напряжения. Датчики бывают сделанные на основе термисторов, термопар, измерительных трансформаторов, и других электронных компонентов. Мгновенные значения полученных величин методом аналого-цифрового преобразователя поступают на микрконтроллер. В нем происходят необходимые вычисления (вычисляется активная и реактивная составляющие мощности) и выдается результат в виде посылки данных на дисплей и подключенные внешние устройства.

Эти измерительные приборы имеют четыре клеммы (2 выхода и 2 входа,) для подсоединения. Две из них используются для подключения к последовательной (токовой) цепи – ее подключают первой, а две – для параллельной (цепи напряжения). Начало цепи напряжения (вход) подсоединяют к началу токовой (соединить контакты можно перемычкой) и с одним зажимом сети. Конец цепи напряжения (выход) подключают к другому зажиму сети, смотри схему.

Конструкция работает по принципу датчика трансформатора тока. В качестве него можно использовать самый обычный сетевой трансформатор с первичной обмоткой около 3000 витков на стальном сердечнике, а вторичная всего два витка. Отношение тока, следующих через первичную обмотку, обратно пропорционально числу витков.

Однополупериодный выпрямитель собран своими руками из германиевых диодов. Сопротивление R2 снижает чувствительность ваттметра в десять раз, если требуется измерить мощность потребления электрочайника, тепловентилятора и других подобных потребителей. Индикация выполнена на обычном стрелочным микроамперметре. Его шкалу градуируют, для удобства использования. Настройка осуществляется либо по эталонному цифровому ваттметру, либо по бытовому прибору, с известной мощностью, для этой цели хорошо подходят лампы накаливания. Или как вариант отключить все в квартире и замерить обычным прибором учета электрической энергии

Здесь роли датчика выступает шунтирующий резистор, через который идет ток. С шунта выходят два дополнительных провода, подсоединяемые к двум каналам АЦП платы Ардуино. Разница напряжений с этих двух линий пропорциональна проходящему через сопротивление электрическому току. Ток можно вычислить по формуле:

I = (V 2 – V 1) / R

Т.к мощность в схеме постоянного тока это произведение напряжения и тока, то P = V 2 × I. Поэтому, благодаря простой формуле можно из амперметра сделать ваттметр и измерять потребляемую мощность. Схема подключения ватметра представлена ниже.

Программный код можно посмотреть

Измеритель активной потребляемой электрической мощности с высокой точностью, на основе специализированной микросхемы ADE775x, применяемой в современных электросчетчиках.

На основе ADE775x и плюс несложная схема на ATmega8, возможно создание прибора измеряющего активную потребляемую мощность, а также учет потреблённых киловатт часов от сети 220 вольт.

Для этого нужно собрать несложную схему на МК ATmega8, в виде отдельной приставки к бытовому электрическому счётчику или встроить эту схемку внутрь корпуса счетчика.

(ВНИМАНИЕ! прикрутить не к действующему прибору учета, а как отдельное устройство , после запломбированого прибора учета)

Все нужные файлы, для сборки такого прибора есть в этой статье.

Теперь всё по порядку, чтобы сэкономить трудозатраты на изготовление измерителя мощности, лучше купить готовый электросчетчик минимальной ценовой категории, со всеми требуемыми входными и нагрузочными цепями, и что очень важно это готовый корпус счетчика.

Вот такой счетчик был приобретен в электротоварах,

взамен штатного счетного механизма встраивается ЖК дисплей вместе с платой ваттметра.

прибор в сборе

Автор прошивки clawham , он разработал программу для универсального многоканального счетчика - ваттметра (он же измеритель активной мощности), на распространенном МК ATmega8 , с индикатором 16х2 , схема универсально может подстраиваться под схему любого электронного счетчика (проверено на счетчиках которые имеют в своём составе микросхему ADE775х у которых колич. импульсов 1600 на один кВт/ч и 6400имп на один кВт/ч ) замер активной мощности происходит с 0,1 ватт, максимум измерения зависит от параметров используемого счетчика, шаг измерения 0,1 ватт.
Здесь приводится описание работы и вывода показаний для дисплея 16х2 .

Описание меню.
1) " Выбор № персонального " счета кВт/ч с фиксацией времени периода активности ячейки
2) "Просмотр персонального " счета кВт/ч, 20 ячеек ( та которая выводится в первой строке, при нажатии кнопок"вправо/enter" обнуляется. )
3) "Сброс общего " (тотального) кВт/ч, (на персональные счета не влияет )
4) "Сброс текущего " счета кВт/ч, (в EEPROM не сохраняется )
5) >>НАСТРОЙКИ <<
5.1) "Частота кварца " настройка коррекции тактов кварцевого резонатора ATmega8 на 1 секунду (влияет только на расчет ватт)
5.2) "Ватт на герц " установка кол-ва ватт на 1 герц
5.3) "Импульс на кВт/ч " это количество импульсов со счетчика на 1 кВт/ч (доп. выводится калькулятор соотношения импульсов счетчика на ватт на герц )
5.4) "Тактов в секунду " внутренняя переменная внутренних часов на выводе PB1 она выдаёт импульс 0.5Гц, если часы спешат - число надо увеличивать, если отстаёт - число надо уменьшать.
5.5) "Калькулятор стоимости " Предварительно обсчитывается стоимость энергопотребления нагрузки за месяц и год.
Цена указывается в копейках для экрана двухстрочного и в гривнах для прошивки под 4 строки
5.6) "Сигнал превышения порога мощности " настраивается на любое потребление от ватта до максимальных киловатт, сигнал выводится на порт РС0 , в виде логической 1 .
5.7) <Вост. умолчания > восстановить настройки умолчания.
5.8) <Сохранить настройки > - пока вы не нажали этот пункт - всё действует только до выключения.
Сохраняются в EEPROM такие данные;
а ) общие настройки,
б ) тотальные показания (общая сумма всех счетчиков ) с фиксацией и отображением часов, периода работы активного состояния ваттметра.
в ) 20 персональных ячеек показаний кВт, с фиксацией и отображением часов, периода работы активного состояния отображаемой ячейки
Для тотальных и персональных данных за сохранение в память при обесточке схемы, отвечает вывод INT 0 он подсоединен через резисторный делитель, который подсоединен 2кОм на землю и 4.7кОм на + 12 V питания кренки.

Визуальная навигация по меню ваттметра.

Фьюзы многоканального счетчика - ваттметра для PonyProg

Прошивка 16х2 _Wattmetr .rar

Ваттметр в Proteus.

Варианты применения ваттметра счётчика разнообразны, например, если использовать как переносной прибор можно измерять диагностировать конкретную нагрузку (возможности широки, от светодиодного светильника до сварочного аппарата) и получать такие данные; потребляемую мощность наблюдать визуально, а потреблённая мощность в кВт/ч. будет запоминаться в персональной ячейки для каждой нагрузки.
Если счетчик - ваттметр использовать стационарно, то здесь возможно так же наблюдать визуально потребляемую мощность всего жилого или производственного помещения, и можно вести статистику потребляемой мощности в кВт/ч. ежедневную или помесячную с поочерёдной записью данных кВт/часов в персональные ячейки.
Использовав специфику схемы (например щитовая находится в отдаленном месте) саму схему ваттметра можно вывести в удобное место для обзора, используя обыкновенный слаботочный двухжильный провод типа «лапша».

Более того, благодаря тому что автор придумал такое универсальное меню в этом ваттметре, возможность подстроится под любой счетчик, можно использовать электросчётчик установленный местными электросетями, снимая информацию о потребляемой мощности с мигающего светодиода, фотоприёмником, и так же наблюдать визуально потребляемую мощность на ЖКИ дисплее и вести статистику потребляемой мощности в кВт/ч. ежедневную или помесячную.

Обсуждение темы ваттметра на радиокоте.

Аналоговое преобразование в цифровую частоту происходит с помощью микросхемы ADE7755 или ADE7751 , это специальная микросхемы серии ADE775х для применения в электронных счетчиках, применение происходит в промышленных масштабах (24-выводной корпус SSOP (RS-24))

Микросхема ADE775x - высокоточная ИС, предназначенная для простых, электронных счетчиков потребления электрической энергии. Технические характеристики этой ИС превосходят требования по точности IEC1036.

Особенности микросхемы ADE7755

Высокая точность; поддерживает стандарт 50 Гц/60 Гц I ЕС 687/1036. Ошибка менее 0,1% при динамическом диапазоне 500:1 ИС ADE7755 выдает значение средней активной мощности на частотных выходах F1 и F2. Высокочастотный выход CF предназначен для калибровки и выдает значение мгновенной активной мощности. Совместимость по выводам с микросхемой AD7755 с синхронными выходами CF и F1/F2. Логический выход REVP можно использовать для индикации возможного неправильного подключения к сети (отрицательной мощности). Прямое управление электромеханическими счетными механизмами и двухфазными шаговыми двигателями (выходы F1 и F2). Усилитель с программируемым коэффициентом усиления в канале измерения тока, позволяет использовать шунт, с малой величиной сопротивления. Собственные встроенные АЦП и цифровой сигнальный процессор обеспечивают высокую точность в широком диапазоне условий и долговременную стабильность. Встроенный контроль напряжения источника питания. Встроенная защита от самохода счетчика (имеется порог мощности нагрузки, начиная с которого счетчик работает). Встроенный источник опорного напряжения 2,5 В+8% (типичный дрейф составляет 30-10-6/°С) с возможностью подключения внешнего источника опорного напряжения Один источник питания 5 В, низкая потребляемая мощность (типичное значение 15 мВт). Недорогая КМОП технология.

Многие отечественные производители электронных счетчиков расходуемой электроэнергии применяют этот зарубежный аналог- специализированную микросхему ADE775x , для питания которой достаточен простой стабилизированный однополярный блок питания.

ADE7755: Интегральная Микросхема счетчика электроэнергии с импульсным выходом Data Sheet (pdf, 1221 kB)

Схема простого однофазного счетчика электроэнергии на основе ADE7755

Счетчик электроэнергии на микросхеме ADE7755 (pdf, 463 kB)

Проектирование однофазного многофункционального счетчика энергопотребления на основе

микросхем семейства ADE71xx/ADE75xx Application Note (pdf, 4163 kB)

Небольшое видео, сварочный аппарат подключен через ваттметр.

Данная работа представляет собой небольшой приборчик на дешёвой элементной базе, который позволяет определить потребляемые нагрузкой мощности на переменном токе частотой 50Гц, т.е. от сети или трансформаторов. Причём определяет он именно потребляемые в данный момент мощности, и никоим образом не является счётчиком электроэнергии. Мощностей три - полная, активная и реактивная. О существовании других я не знаю. Так же в показаниях выводится значение косинуса угла сдвига фаз, благодаря которому и производятся расчёты полной и реактивной мощности.
Проектирование ваттметра было целью дипломной работы, поэтому ТЗ формировалось руководителем работы и хорошим преподом - Бобром А.И. В формировании ТЗ главным фактором было то, что этот препод должен проводить лабораторные работы и иметь в наличии множество приборов и стендов. Т.к. в стране бардак и денег как обычно ни у кого нету - многим приходится выезжать на учащихся. Посему множество стендов изготовлено руками учащихся на дипломном проектировании. Данную работу предполагается использовать для изучения КЗ и ХХ на трансформаторе, который подключён к сети через автотрансформатор, посему и ТЗ ограничилось такими параметрами как:
- максимальная измеряемая мощность - 650Вт (655,36 , если быть точным);
- шаг определения угла сдвига фаз - 1° (это же касается и таблицы косинусов);
- от максимальной мощности зависят измеряемый ток и напряжение - амплитуда напряжения до 256*1,41 (В), а тока - до 2,56*1,41 (А);
- погрешности были заданы на уровне не более 10% от Рном, хотя я думаю лучше сказать - 10% от Sмакс, однако по мере уменьшения измеряемой мощности погрешности будут расти из-за того, что напряжение делится на 141, а битность АЦП всего 10.
Исходя из этих основных параметров можно сказать что данный ваттметр может быть полезен начинающим и как пример для дальнейших разработок аналогичных приборов, потому как не всё ещё гладко в схеме и прошивке, но он работает.
Итак, схема:

Кое-какие комментарии по схеме:
- цепь питания стандартная, никаких излишеств кроме фильтрации питания на аналоговую часть МК (дроссель и конденсатор на лапах МК)
- R5 для подсветки, при таком номинале подсветка средняя и видна при недостатке света, так же она не сильно кочегарит линейный стабилизатор, посему у меня он без радиатора стоит.
- R4 необходим для регулировки контрастности ЖКИ.
- С7 - фильтрация помех, т.к. ИОН внутренний, а нога от него не отключается.
- С10 - фильтрация помех по питанию ЖКИ, частенько при дребезге контактов он сбивается и показывает ахинею. Этот кондёр немного исправляет ситуацию.
- С11 - та же самая фильтрация, только по измеряемой цепи, т.к. при подключении и отключении нагрузки помехи бывают очень страшные. Данный кондёр выдран из фильтра питания платы от копира. Такие же есть в комповских БП на входе, только не стоит с номиналом перебарщивать, т.к. реактивные элементы создают сдвиги фаз.
- R7 и SMBJ5.0A служат для ограничения напряжения при всплесках тока. SMBJ5.0A - это супрессор, трансил или защитный диод. Работает он как стабилитрон, с той лишь разницей что не рассчитан на долговременную стабилизацию и при превышении напряжения на которое рассчитан открывается и способен шунтировать большие токи на десятки микросекунд. Необходимость в нём и резисторе возникла после того, как спалил один МК из-за искрения вилки в розетке. Однако наряду с защитой появляется один нехороший баг - начинает скакать косинус и активная с реактивной мощности на ХХ из-за наводок, хоть при этом полная мощность нулевая и остальные расчёты не должны проходить.
- R1, R2, VD1 - делитель на 141, и диод выполняет роль ограничителя прохождения обратной полуволны на АЦП.
- R6, VD6 - токовый шунт и мощный диод для того, чтобы отрицательная полуволна шла через него.
- ЖКИ у меня SC1602BULT, т.к. других фирм найти проблематично, а этот сделан бравыми тайваньскими ребятами, у которых девиз как и у Америки - сделаем всё через одно место, чтобы весь мир завидовал. Посему у Америки дюймы вместо метров, а у тайваньцев подключение питания другое и таблица символов не соотвествует ни одной из стандартных. При этом контроллер совместим с HD44780.
Ну собственно и всё по элементам. Как и писал выше - ничего необычного и дефицитного.

Теперь краткий анализ вычислений и методики определения величин.
Тактовый генератор АЦП настроен на частоту 125кГц. Оцифровка идёт один период, т.е. 20мс. Одна оцифровка длится 13 тактов АЦП. АЦП всего один, поэтому его каналы надо оцифровывать последовательно. Оцифровка канала тока и напряжения ничем практически не отливается за исключение разных переменных и каналов. При оцифровке каждое измеренное значение сравнивается с предыдущим, и если новое больше - оно запоминается. Таким образом можно определить полную потребляемую мощность. Угол сдвига фаз определяется же путём программного определения перехода полуволны через ноль (или лучше сказать приближения синусоиды к нулю). При условиях соответствующих переходу полуволны синусоиды через ноль в возникает прерывание от таймера, внутри которого выполняются все арифметические действия с полученными значениями для вычисления мощностей и косинуса. Это основной код. Остальное всё не имеет большого значения и стандартно.

Здесь:
U - напряжение сети;
I - ток через нагрузку;
U * - амплитудное значение напряжения после резистивного делителя;
U ** - амплитудное значение напряжения на токоизмерительном резисторе;
U ADC0 - оцифровываемое напряжение на входе ADC0 микроконтроллера;
U ADC1 - оцифровываемое напряжение (соответствующее измерямому току) на входе ADС1 микроконтроллера;
а - область запоминания времени таймера, соответствующего переходу синусоиды через ноль;
b - погрешность запоминания времени таймера (определения перехода синусоиды через ноль).

Теперь фотки.

Моя печатка, которая для дипломки сделана. Половина на ней не разведена, одна дорожка забыта и не совсем удачная разводка. Посему свою версию печатки не выкладываю и предлагаю всем заинтересованным развести её под себя и с учётом требований к хорошей помехозащищённости аналоговых цепей.

Вид сверху на печатку и транс в корпусе. Корпус покупался на рынке. Мастер из колледжа сказал что возят их из Польши. Стоит сие чудо около 3у.е.

Верхняя часть корпуса с розеткой, фильтрующим кондёром и ЖКИ модулем.

Вид сверху на это чудо собранное в корпус.

Вид спереди. Ничего кроме ЖКИ, за приклеенным оргстеклом, и выступающими болтами стоек не видно.
Итак, если кто-то ещё не заметил - гальванической развязки в приборе нету, посему трогать токоведущие части ваттметра опасно для жизни и рекомендуется избегать с ними контакта!!!
Именно поэтому я приклеил оргстекло, а за ним расположил ЖКИ. Стойки же железные, но они прикручены болтами к ЖКИ в тех местах, которые предусмотрены производителем и не касаются пайки и проводников ПП, а под одну, чтобы исключить контакт, подложена картонная шайба, которые используют при монтировании материнских плат в корпус.

Работаем на ХХ и ловим глюки (или наводки).

Работаем на лампу накаливания 60Вт и показываем вполне реальные значения. К слову - для определения потребляемой мощности и калибровки прибора пользовался мультиком Mastech MY-6. При этом напряжение в сети было 210В, а тока через лампу составил 0.22А Куда пропали 2Вт - не могу сказать, однако измерил делить напряжения, скорректировал формулу и по току также скорректировал формулу, потому как в идеале там должен был быть резистор 0.707 Ом.
Косинус по-моему вполне достоверный получился. Он соответствует углу в 2°. Конечно можно ввести поправку на угол при чисто активной нагрузке, но надо учитывать что провода, их изоляция и т.п. тоже вносят реактивную составляющую в мощность.

Так горит лампа. Полосы - рассинхронизация между фотиком и частотой мерцания лампы. На глаз этого конечно же не заметно и лампа светит так же как и от сети. От чего это на фотках заметно - не знаю. То ли сопротивление через диод ниже намного оказывается, то ли все лампы так будут мерцать.
Ещё одно замечание - косинус отличный от 1.000 следует читать как 0.XXXX . Знак угла сдвига фаз не указывается, т.к. не хватает места на ЖКИ и обычно преобладают индуктивные нагрузки.
Буду рад за любые комментарии, критику и предложения по данному устройству. Также есть желание привести прошивку и схему в более удачный вид, посему заинтересованных прошу высказываться, и со своей стороны обещаю помогать с любыми проблемами, возникшими при повторении.

Вопросы, как обычно, складываем .