🙎🏽 👪 👃🏽 电量测量。第1部分。电压和电流测量 🤷🏾 📸 👩

介绍

大家好！在传感器的周期结束后，有人提出了不同的计划来测量家用而非非常电器的消耗参数。谁消耗了多少，如何连接要测量的东西，发生了什么细微变化等等。现在是时候揭示该区域中的所有卡片。
在本系列文章中，我们将考虑测量电参数的主题。这些参数实际上是一个非常大的数字，我将尝试以小系列逐步介绍。
到目前为止，该计划是三个系列：

电量测量。
电力质量。
用于测量电参数的设备。

在分析过程中，我们将解决微控制器上的某些实际问题，直到获得结果为止。当然，此周期的大部分时间将用于测量AC电压，并且对所有风扇控制其智能家居的电气设备很有用。
根据整个周期的结果，我们将制造一种具有互联网访问权限的智能电表。非常臭名昭著的风扇可以控制其智能家居的电气设备，例如在MajorDomo的基础上，可以为通信部分的实施提供所有可能的帮助。可以这么说，让我们使OpenSource成为一个更好的智能家居。
在本系列的两部分中，我们将讨论以下问题：

DC设备以及单相和三相AC电路中的电流和电压传感器的连接；
测量电流和电压的电流值;
功率因数测量；
满功率，有功功率和无功功率；
能量消耗;

通过解决，您将找到此列表中前两个问题的答案。我故意不涉及测量指标准确性的问题，从本系列中，我仅对使用正负韧皮鞋的准确性所获得的结果感到满意。我肯定会在第三系列中专门针对此问题撰写文章。

1.传感器连接

在上一个有关电压和电流传感器的系列文章中，我讨论了传感器的类型，但没有讨论如何使用它们以及将它们放置在何处。是时候修复它了

连接直流传感器

显然，整个周期将专门用于交流系统，但我们还将快速介绍一下直流电路，因为这对于我们开发直流电源非常有用。以一个经典的PWM

降压转换器为例：图1. PWM降压转换器
我们的目标是提供稳定的输出电压。另外，基于来自电流传感器的信息，可以控制电感器L1的操作模式，防止其饱和，并且还可以实现转换器的电流保护。坦率地说，安装传感器没有特别的选择。
电阻分压器R1-R2形式的电压传感器安装在转换器的输出处，这是唯一能够使用直流电的传感器。通常，专用的转换器微电路具有反馈输入，并会尽一切努力确保在此输入（3）上有微电路文档中规定的特定电压电平。例如1.25V。如果我们的输出电压与此水平相符-一切都很好-我们直接将输出电压施加到此输入。如果不是，则设置分频器。如果我们需要提供5V的输出电压，则分压器必须提供4的分压系数，即R1 = 30k，R2 = 10k。
通常将电流传感器安装在电源和转换器之间以及芯片上。根据点1和点2之间的电势差以及已知的电阻，电阻器Rs可以确定电感器电流的电流值。在电源和负载之间安装电流传感器不是一个好主意，因为滤波电容器将被电阻器从脉冲电流消耗器处切断。在公共线的间隙中安装电阻器也无济于事-会有两个接地层，仍然很有趣。
使用非接触式电流传感器（例如霍尔传感器）可以避免电压降的问题：

图2.非接触式电流传感器
但是，有一种更棘手的方法来测量电流。毕竟，晶体管上的电压也会下降，并且与之流过的电感相同的电流。因此，通过其两端的压降，您还可以确定电流的电流值。老实说，如果您查看转换器电路的内部结构（例如从Texas Instruments获得），则发现这种方法的频率与以前的方法相同。这种方法的准确性当然不是最高的，但这足以使当前的截止频率起作用。

图3.晶体管作为电流传感器我们
在类似转换器的其他电路（升压或反相）中也做同样的事情。
但是，有必要分别提及变压器线性和反激式转换器。

图4.反激式转换器中电流传感器的连接
它们也可以使用外部电阻或晶体管。
这样，我们将传感器连接到DC / DC转换器。如果您对其他选项有建议，我会很乐意为他们添加文章。

1.2将传感器连接到单相交流电路

在交流电路中，我们有更多可能的传感器选择。让我们考虑几个选项。
最简单的方法是使用电阻分压器和电流分流器。

图5.电阻传感器的连接
但是，她有两个明显的缺点：
首先，我们将提供来自电流分流器的信号的大幅值，在其上分配大量功率，或者我们将对信号的小幅值感到满意，然后对其进行放大。其次，电阻器会在网络中性点和设备中性点之间产生电势差。如果该设备是隔离的，则没有关系，如果该设备具有接地端子，则由于没有连接电流传感器的信号，我们会冒着将其短路的风险。也许您应该尝试使用其他原理的传感器。
例如，我们使用电流和电压互感器，或者使用霍尔效应电流传感器和电压互感器。在这里，由于中性线没有损耗，因此有更多使用设备的机会，而且最重要的是-在两种情况下，测量设备的电气隔离都非常有用。但是，必须牢记，变压器电流和电压传感器的频率响应有限，如果我们要测量失真的谐波成分，那么就无法解决这一问题。

图6.变压器与非接触式电流和电压传感器的连接

1.3将传感器连接到多相交流电路

在多相网络中，我们连接电流传感器的能力稍差一些。这是因为根本无法使用电流分流器，因为分流器之间的电位差会在数百伏特内波动，而且我不知道任何通用控制器的模拟输入都能承受这种嘲笑。
当然，有一种使用电流分流器的方法-对于每个通道，必须进行电流隔离的模拟输入。但是使用其他传感器更容易，更可靠。
在我的质量分析仪中，我使用电阻分压器和远程霍尔效应电流传感器。

图7三相网络中的电流传感器
从图中可以看出，我们使用四线连接。当然，可以使用电流互感器或Rogowski回路代替霍尔效应上的电流传感器。
代替电阻分压器，可以将变压器用于四线和三线系统。
在后一种情况下，变压器的初级绕组由三角形连接，而次级由星形连接，星形的公共点是测量电路的公共点。

图8.在三相网络中使用电压互感器

2电压电流值

现在是解决测量信号问题的时候了。对我们来说，实际意义主要是电流和电压的电流值。
让我提醒您传感器周期中的物料。定期使用微控制器的ADC，我们将固定瞬时电压值。因此，在测量期间，我们将获得一个瞬时电压值水平的数据数组（对于电流，一切都相似）。

图9.一系列瞬时电压值
我们的任务是计算有效值。首先，我们使用积分公式：

（1）
在数字系统中，我们必须将自己限制在某个时间范围内，因此我们求和：

（2）信号的采样周期
在哪里？

-测量期间的样本数。在这里的某个地方，我通过视频开始摩擦有关区域平等的游戏。那天我不得不睡觉。 =）
在单相水银电表中使用的MSP430FE4252微控制器中，在1、2或4秒的测量周期内可获得4096个读数。在T = 1s和N = 4096时，我们将进一步依靠。此外，按照GOST的要求，每秒4096个点将使我们能够使用快速傅立叶变换算法来确定最多40个谐波的谐波频谱。但是在下一个系列中会更多地介绍这一点。
我们为程序概述了算法。我们需要确保每1/8192秒ADC稳定启动一次，因为我们有两个通道，并且将交替测量此数据。为此，请配置定时器，然后中断信号将自动重启ADC。所有ADC都这样做。
我们将在arduino上编写未来的程序，因为许多程序都在手。到目前为止，我们仅具有学术兴趣。
系统石英频率为16 MHz，并且具有8位定时器（这样看来生活就不那么美好了），我们需要确保任何定时器中断的工作频率为8192 Hz。
我们为16 MHz未按需进行完全分频并且计时器的最终频率为8198 Hz感到遗憾。我们闭上眼睛，看到0.04％的误差，并且仍然每个通道读取4096个样本。
我们很遗憾，arduino中的溢出中断正在忙于计算时间（它负责毫秒和延迟，因此它将停止正常工作），因此我们在比较中使用了该中断。
然后我们突然意识到信号是双极性的，而msp430fe4252可以完美应对。我们对单极性ADC感到满意，因此，我们将一个双极性信号的简单转换器组装到运算放大器上的单极性ADC：

图10.将双极性信号转换为单极性的转换器
此外，我们的任务是确保正弦波相对于参考电压的一半进行振荡-然后我们将减去一半的范围或激活ADC设置中的选项并获得符号值。
Arduino有一个10位ADC，因此我们从0-1023的无符号结果中减去一半，得到-512-511。我们
检查在LTSpiceIV中组装的模型，并确保一切正常。在视频资料中，我们另外进行了实验验证。

图11.仿真结果。绿色是原始信号，蓝色是输出

适用于一个通道的Arduino草图

void setup()
{
  autoadcsetup();
  DDRD |=(1<<PD2)|(1<<PD3);
  Serial.begin(38400);
}


double urms = 0;
double utemp = 0;
int umoment = 0;
int N = 0;
int flag = 0;
void loop()
{
  if (flag){
    flag = 0;
    Serial.println(urms);
  }
}
int i = 255;

void autoadcsetup(){
  //set up TIMER0 to  4096Hz
  //TIMER0_OVF will be the trigger for ADC
  /*normal mode, prescaler 16
   16MHz / 64 / 61 = 4098 Hz 0.04% to 4096Hz*/
  TCCR0B = (1 << CS01)|(1 << CS00);//timer frequency = clk/64
  OCR0A = 60;//61-1
  TIMSK0 = (1<<OCIE0A);
  //set ADC.
  ADMUX =  (1 << REFS0);//8-bit mode, ADC0 channel, AVVCC as ref
  ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADATE) | (1 << ADIE) | (1 << ADPS2);//TUrn ADC On, trigger enable, Interrupt enable, sysclk/16=1MHz_ADC_clk=76kHz conv freq(13ticks per conversion)
  ADCSRB = (1<< ADTS1) | (1<<ADTS0) | (1<<MUX5);//Auto trigger source
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect){
  if (PIND & (1<<PD2)){
    PORTD &= ~(1<<PD2);
  }
  else{
    PORTD |=(1<<PD2);
  }
  TCNT0 = 0;

}


ISR(ADC_vect){

  if( ( UCSR0A & (1<<UDRE0)) ){
    umoment = ADCL;//copy result.
    umoment += (ADCH<<8);
    umoment = umoment - 512;
    utemp = utemp + pow((double)(umoment),2)/4096;
    N++;
    if (N == 4095){
      urms = sqrt(utemp)/102;
      N = 0;
      utemp = 0;
      flag = 1;
      if (PIND & (1<<PD3)){
        PORTD &= ~(1<<PD3);
      }
      else{
        PORTD |=(1<<PD3);
      }
    }
  }
}

该程序是在Arduino IDE中为ATmega1280微控制器编写的。在我的调试板上，前8个通道是为满足板的内部需求而布线的，因此使用ADC8通道。可以将此草图用于带有ATmega168的电路板，但是，必须选择正确的通道。
在中断内部，我们抽动了几个服务引脚以直观地看到工作的数字化频率。
关于系数102的来源，首先要从发生器提供各种幅度的信号，从示波器读取有效电压值的指示，然后从控制台获取以ADC绝对单位表示的计算值。

最大功率	蠕虫	已计算
3	2.08	212
2,5	1.73	176
2	1.38	141
1,5	1,03	106
1个	0.684	71
0.5	0,358	36
0.25	0.179	十九

将第三列的值除以第二列的值，得出的平均值为102。这就是我们的“校准”系数。但是，可以注意到，当电压降低时，精度会急剧下降。这是由于我们的ADC的灵敏度较低。实际上，用于精确计算的10次放电非常小，如果可以用这种方法测量插座中的电压，那么放置10位ADC来测量负载消耗的电流将是一种违法计量。

至此，我们将停止。在下一部分中，我们将考虑本系列中的其他三个问题，并将平稳地进行设备本身的创建。

展示的固件以及该系列的其他固件（由于我拍摄视频的速度比准备文章要快），您可以在GitHub的存储库中找到：github.com/radiolok/arduino_rms_count
关于电表的开发，将以TI SimpleLink WiFi CC3200的参考作为基础SmartPlug，前几天的新闻飞到了我的邮件中。我非常喜欢CC3200微控制器，因此我们将为现有的便当盒开发一个增强器包，并实现我们感兴趣的所有功能。不要忘记使它在其他微控制器上如此出色地工作。

邀请评论 progchip666，对材料的评论和补充，以及 smart_alex 如之前对使用Arduino测量电流和电压感兴趣的那样。

电量测量。第1部分。电压和电流测量

介绍

1.传感器连接

连接直流传感器

1.2将传感器连接到单相交流电路

1.3将传感器连接到多相交流电路

2电压电流值

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