Vývoj elektroniky

Produkty

Podpora a zájmová sekce

Digitální wattmetr

Fotografie wattmetru
Stručný popis konstrukce

Popisovaný přístroj je jednoduchý, cenově optimalizovaný digitální wattmetr, měřič spotřebované energie a účiníku v rozsahu do 1,35 resp. 2,5 kW/230 V s LCD displejem a sériovým datovým výstupem. Veškeré výpočty provádí levný mikrokontrolér ATMega168 (v původní konstrukci byl použit MCU ATMega8). Dokumentace byla zveřejněna v PE 4/2005 a je ke stažení na konci této stránky.

Přístroj je možné upravit pro použití v jiné síti, pro odlišný příkon měřených spotřebičů nebo do formy jiné mechanické konstrukce (např. již realizovaný vestavný modul wattmetru nebo přesný wattmetr s nejistotou měření 0,1 %, který je ve výrobním programu od ledna 2009).

Pro zájemce o přístroj - nedodáváme hotový přístroj ve formě, jaká je zde a v Praktické elektronice uveřejněná. Dodáváme DPS a naprogramované procesory pro individuální stavbu přístroje, dále můžeme dodat různé zakázkové úpravy a z wattmetru odvozené speciální měřící přístroje.

Díly na výrobu wattmetru si můžete zakoupit:
PoložkaKč bez DPHKč vč. DPHKoupit
Naprogramovaný mikrokontrolér ATMega168 pro wattmetr. SKLADEM, do 2 dnů185 Kč224 Kč
  
Profi DPS pro wattmetr (verze pro ATMega168), vrtání, maska, cínování. SKLADEM180 Kč218 Kč
  



Schéma a podklady pro výrobu DPS

Data pro výrobu DPS najdete v souborech v downloadu (dole) - obsahuje data desky v Eaglu 4.09, štítek přístroje ve formátu PDF a schéma. Pro verzi 1.06 a vyšší je nutná úprava zapojení oproti verzi zveřejněné v PE (úprava je již zohledněna v souborech v downloadu).

Download také obsahuje alternativní návrh DPS (součástky SMD 1206) od Michala Skřivánka (díky!).

Upozornění: pro spolehlivou funkci (zejm. na rozsahu 2,5 kW) doporučuji změnit kapacitu filtračního kondenzátoru z 100uF na 330 nebo 470uF, napájecí napětí pak není tak zvlněné. Mně i spoustě dalích lidí funguje wattmetr i s kapacitou 100uF, ale vyskytl se i ojedinělý případ, kdy wattmetr ukazoval nenulový údaj při odpojené zátězi. To mohl dělat třeba vyšší odběr displeje a tím způsobené zvlnění.

POZOR - na deskách wattmetru, které prodává Buček v Brně (nemám s jeho iniciativou ty desky vyrábět nic společného), je vlasová trhlinka na jednom ze spojů od procesoru ke konektoru pro displej těsně vedle pájecí plošky pod konektorem - propájejte to, jinak displej zůstane nezinicializovaný (jeden řádek černý, druhý prázdný).

Firmware pro procesor ATMega8/ATMega168
Aktuální verze: 1.06c

Zdrojové kódy nejsou zvěřejněny. Máte-li zájem, napište si na ivo@strasil.net , můžeme se dohodnout - pokud máte zájem provést nějaké prospěšné úpravy, rád bych je zvěřejnil i tady na webu. Také je možné upravit zapojení a software wattmetru na zakázku, dělali jsme např. vestavné moduly wattmetrů.

HEX k vypálení do mikrokontroléru je na konci stránky v download sekci.

FAQ - dotazy, připomínky ke konstrukci
I když tady vypisuji všechny možné problémy, neznamená to, že ta konstrukce je problémová. Spíš naopak, jenom chci upozornit na možná úskalí. Konstrukční popis v PE je bez chyb.
Co je nové ve verzi 1.06c?
  • Pro případy měření nesymetrických zátěží v sítích s velmi vysokou impedancí (Ri > Z zátěže / 50) nebo výrazným kolísáním napětí je možné v kalibračním menu wattmetru volbou U-komp: VYP vypnout kompenzaci nesymetrie sítě. V ostatních případech ponechte kompenzaci zapnutou volbou U-komp: ZAP.
Co je nové ve verzi 1.06b?
  • Zpřesnění měření výrazně nesymetrických zátěží (např. spotřebič přes diodu) v případě, že je přístroj napájen z rozvodné sítě nebo jiného stabilního zdroje (zpřesnění výpočtu pracuje s faktem, že obě půlvlny sinusoidy napájecího napětí mají stejný obsah a že kolísání napětí sítě nepřesahuje 0,2V/s – pokud toto není dodrženo (např. napájení z levného dieselgenerátoru), úchylka měření u nesymetrických zátěží může dosahovat až 5 %; měření symetrických zátěží není ovlivněno).
ČTĚTE: Co je nové ve verzi 1.06?
  • Pozor: firmware je určen pro mikrokontrolér typu ATmega168 a vyžaduje provedení drobné hardwarové úpravy (viz níže)
  • Nastavení pojistek pro ATMega168: High: 0xD5, Low: 0xE2
  • Je doplněna softwarová kalibrace měření proudu a napětí a nastavení velikosti bočníku (pro rozsah 1,3 nebo 2,5 kW):
    • Přidržením tlačítka při připojení napájení se wattmetr přepne do nastavovacího módu
    • Napřed se zobrazí výzva Rezim: - zvolte rozsah 1,3 kW (bočník 50 mOhm) nebo 2,5 kW (bočník 25 mOhm) krátkým stiskem tlačítka, dlouhým (4-5 sec.) stiskem tlačítka volbu potvrďte.
    • Na displeji se zobrazí verze firmware (např. v06a) a po chvilce se objeví výzva ke kalibraci:
      [I] 092
      1,89 A

      V horním řádku je uvedeno měření, které nastavujeme - napřed se nastavuje měření proudu, poté měření napětí. Číslo v horním řádku je hodnota kalibrační konstanty v rozsahu 0..255 - hodnotou této konstanty se provádí korekce měření (hodnota 128 je základní, hodnoty nižší/vyšší upravují měřenou hodnotu směrem dolů/nahoru o ca. 10%).
      Kalibrace měření proudu: připojíme odporovou zátěž (proud ve vyšší polovině rozsahu - tj. ca. 3 A (700 W) pro verzi 1,3 kW nebo 6 A (1400 W) pro verzi 2,5 kW) v sérii s ampérmetrem a opakovanými krátkými stisky tlačítka dostavíme zobrazovanou hodnotu proudu tak, aby odpovídala hodnotě na ampérmetru - kalibrační konstanta se mění v rozsahu 0 - 255 (po překročení hodnoty 255 se vrací zpět k nule). Dlouhým (4 - 5 sec.) stiskem tlačítka přejdeme ke kalibraci měření napětí.
      Kalibrace měření napětí: odpojíme zátěž a měříme voltmetrem síťové napětí. Krátkými stisky tlačítka dostavíme zobrazovanou hodnotu napětí tak, aby odpovídala hodnotě na voltmetru. Dlouhým stiskem tlačítka přejdeme na další parametr.
      Zapnutí kompenzace nesymetrie děliče a offsetu OZ (Ukomp): (možnost vypnutí kompenzace zavedena od verze 1.06c) Krátkými stisky tlačítka přepínáme ZAP/VYP, dlouhým stiskem ukončíme kalibraci. Zvolte VYP, pokud měříte za nestabilní sítí nebo sítí s velkým vnitřním odporem (oddělovací trafo, agregát). Zvolte ZAP, pokud měříte na normální rozvodné síti. Kompenzace zlepšuje měření zátěží s nesymetrickým odběrem; je kompenzován offset OZ IC1C a nesymetrie děliče R8/R10.
      Poznámka: Pokud máte k dispozici wattmetr s minimálně srovnatelnou přesností (1% nebo lepší), můžete napřed zkalibrovat napětí a poté nekalibrovat proud podle ampérmetru, ale nastavit jej tak, aby údaj o činném příkonu odpovídal hodnotě na referenčním wattmetru.
  • Nutná HW úprava pro použití procesoru ATmega168: bohužel, Atmel změnil napětí vnitřní reference na 1,1 V. Z toho důvodu by bylo nutné změnit hodnoty rezistorů v děliči měření napětí, v diferenciálním zesilovači a přepočítat konstanty. Navíc garantovaná přesnost vnitřní napěťové reference není nijak úžasná.
    Jednodušší je tedy přidat externí referenci TL431 (2,5 V) a rezistor pro její napájení podle tohoto schématu. V odkazech je také upravená DPS (Eagle BRD) ke stažení. Osvědčilo se ještě navíc zablokovat referenční napětí 2,5 V kondenzátorem 50 uF, zamezí se tím resetování procesoru při silném rušení nebo špičkách v síti (o tomto jevu mám informaci jen od jednoho konstruktéra, třeba na mém vzorku se mi žádné resetování při rušení ani při největší snaze nasimulovat nepodařilo).
Co je nové ve verzi 1.05?
  • Mírné zpřesnění měření na silně nesymetrických zátěžích
Co je nové ve verzi 1.04?
  • Opět funguje IR komunikace
  • Opraven bug zobrazování 6550VAr, když je účinník přesně 1 (přetečení)
  • Pokud přidržíte tlačítko při zapojování wattmetru do sítě, zobrazují se hodnoty pro bočník 0,025 ohm (rozsah wattmetru je tedy do 2,5 kW) - pokud použijete menší bočník, připojte k tlačítku paralelně kondenzátor několik uF, aby se automaticky navolil tento režim (udělal bych to jinak, ale nezbývá místo v procesoru - není volný ani jeden byte!). Tento režim je indikován tím, že při zapnutí přístroje se nezobrazí tečka za číslem verze firmware (za textem v04c pro tuto verzi). Pro použití s rozsahem nad 1,35 kW je nutné proudově namáhané cestičky na DPS posílit připájením měděného drátu na cestičku nebo přinejhorším alespoň pocínováním (to je vhodné provést i pro variantu podle článku v PE).
  • Kvůli úspoře místa nezbylo než vyhodit moje jméno a copyright, co se zobrazoval při spuštění... no, neznamená to, že by teď byl ten program public domain, nadále je pro nekomerční použití, jestli máte jiné záměry, napište...
Jak správně naprogramovat pojistky ATmegy?
... je snad nejčastější dotaz, takže: správné nastavení pojistek je pro ATMega8 (hexa):
  • fuse high: 0xD9
  • fuse low: 0xE4
  • pozn. nastavení pojistek pro ATMega168: High: 0xD5, Low: 0xE2 (firmware >=1.06)
takze: watchdog vypnuty, oscilator interni RC 8MHz, BOR vypnuty (je mozne i zapnuty na 2,7V).
Jak je to s přesností vnitřní reference MCU?
Celkem dobře... i když datasheet informuje o přesnosti "2,3 - 2,7 V", tak při proměření různých cca 15 kusů ATmeg 8, 16, 162 a 128 bylo napětí vnitřní reference vždy 2,53 - 2,6 V. Navíc téměř nemění s teplotou (ověřeno mražením a zahříváním MCU od -15 do 60°C). Nicméně je pravda, že tento údaj není garantován výrobcem a přesnost může jít s nějakým "úsporným opatřením" dolů. Od verze 1.06 se využívá vnější reference TL431.
Proč se musí kalibrace provádět hardwarově a proč to nejde nastavit digitálně?
Od verze 1.06 (v ATMega168) je již kalibraci možné provádět softwarově.
Co znamená nápis K a dvojice čísel, který se zobrazuje při zapnutí přístroje?
Jde o automatické vyrovnání nuly, které se provádí vždy při zapnutí. Dvojice čísel udává zjištěnou úchylku v promilích. Posun nuly vzniká nevyrovaností děliče R8/R10 a zejména offsetem operačních zesilovačů, bez této kompenzace by byl zobrazován místo nuly stálý údaj okolo 2W u mého vzorku. Pokud je při zapnutí napájení detekována zátěž, zobrazí se Ld a úchylka se kompenzuje podle poslední kompenzace . (přítomnost zátěže se zjišťuje z 40 měření, následujících po sobě - zátěž je detekována, pokud některé měření udává proud vyšší než cca 50 mA)
Několik poznámek k volbě součástek
  • Rezistor R11 je při zapnutí značně napěťově namáhán - běžný typ 0207 to nemusí přežít (přepálí se při zapnutí), doporučuji použít 1W rezistor nebo dva 0207 sériově.
  • Rezistor R12 je napěťově namáhán, většina výrobců standardních rezistorů 0207 udává povolené trvalé napětí na rezistoru aspoň 300 V, takže by na této pozici měl vydržet každý běžný typ.
  • Rezistory bočníku: pokud máte k dispozici jiné než běžné "keramické kostky", dostupné např. v GM, použijte je. Ty z GM totiž někdy záhadně mění hodnotu, případně se přímo přeruší i v době, kdy jsou studené a hluboko pod maximální dovolenou ztrátou. Taky si můžete ten odpor navinout z odporového drátu. Proč o tom tolik píšu? ...no protože když se bočník přeruší, tak máte na vstupu OZ rázem 230VAC a nejen jemu se to líbit nebude...
    Pravděpodobnost je velice malá, ale může pomoct bočník přemostit antiparalelní kombinací diod nebo trisilem, který by se při přerušení bočníku prorazil do zkratu.
  • Pojistka F1 má zvolenu hodnotu 400mA/T tak, aby přežila připojení přístroje k síti v maximu amplitudy síť. napětí. Pokud by byla použita hodnota odpovídající příkonu wattmetru (tj. cca 30 mA - musí se započítat i jalovina vyrobená na C3), shořela by při prvním připojení k síti, kdy je proud omezen na prvních několik milisekund defakto jen rezistorem R11 na cca 1,5 A v nejhorším případě. Musí ale zareagovat v případě průrazu C3, kdy bude proud trvale 1,5 A a brzy by došlo k přepálení R11. Charakteristika radiálních zpožděných pojistek pojistek pro tento případ udává dobu vypnutí 100 ms - 2 s. Při použití pojistky 200mA/T (nejnižší vhodná hodnota) jsou tyto časy v rozmezí 20 - 200 ms.
  • Operační zesilovač LM324 byl zvolen pro svou nízkou cenu a schopnost práce v režimu rail-to-rail. Dobrý poměr výkon/cena má např. OP491, který má nízký offset a je tedy pro zapojení ve wattmetru poněkud vhodnější, zvlášť pokud hodláte měřit výrazně nesymetrické zátěže (kompenzace chyb v softwaru přístroje budou mít méně práce, je možné vypnout v kalibraci parametr Ukomp a měřit nesymetrické zátěže na nestabilní síti).
  • Rezistory R8 a R10 by měly být přesné (0,1 %), opět jde o požadavek, který napomáhá přesnému měření nesymetrických zátěží (od v. fb je zavedena softwarová kompenzace, přesné rezistory použijte tehdy, pokud potřebujete měřit nesymetrické zátěže na nestabilní síti s velkým vnitřním odporem - poté vypněte v kalibraci parametr Ukomp).
  • LCD displej můžete použít jak v provedení s 2x8 znaky, tak 1x16, ale v uspořádání 2x8 bude zobrazovaná informace přehlednější. Pokud to Vaše krabička umožní, doporučuji umístit celý displej dovnitř tak, aby kovový rámeček nebyl přístupný dotyku - potom jej nemusíte uzemnit a snížíte napěťové namáhání mezi rámečkem a DPS displeje při připojení wattmetru do zásuvky s prohozenou fází a vodičem N (izolovaná elektronika je poté na potenciálu fáze).
Nevím, co je účiník, jalový výkon...
Zkuste se podívat na pdf soubor v downloadu na konci této stránky, kde je základní vysvětlení těchto pojmů. Psal jsem to původně pro děti v kroužku elektroniky, tak prosím omluvte zjednodušení.
Ke stažení
Jméno souboru Popis Velikost Datum
Wattmetr_v6c.hex Firmware 1.06c pro ATMega168 29 KB 07.06.11 19:26
!Wattmetr_-_dokumentace.pdf Kompletní dokumentace - původní verze, prosím věnujte pozornost zde na webu uveřejněnému popisu změn pro firmware verze 1.06 a vyšší 302 KB 07.06.11 19:26
stitek.pdf Štítek pro wattmetr 22 KB 07.06.11 19:26
lkb-vykonAC.pdf Zjednodušený popis teorie AC výkonu, účiník apod. 100 KB 07.06.11 19:26
wattmetr-schema.png Schéma 17 KB 07.06.11 19:26
wattmetr-v5.hex Wattmetr - v.1.05 23 KB 07.06.11 19:26
wattmetr-v4.hex Wattmetr - v.1.04 23 KB 07.06.11 19:26
wattmetr-uprava-sch.gif Nákres úpravy zapojení pro v. 1.06 30 KB 07.06.11 19:26
wattmetr_v6_eagle_1.zip DPS v Eaglu pro wattmetr v. 1.06 a vyšší 10 KB 07.06.11 19:26
wattmetr-v6.hex Wattmetr - v. 1.06a pro ATmega168 - pozor, vyžaduje HW úpravu (viz text k wattmetru) 27 KB 07.06.11 19:26
wattmetr-v6b.hex Wattmetr - v. 1.06b pro ATmega168 - pozor, vyžaduje HW úpravu (viz text k wattmetru) 29 KB 07.06.11 19:26
wattmetr-dps-168-verze-smd1206.zip Upravená DPS od Michala Skřivánka, osazená součástkami SMD 1206. Verze pro novou variantu s procesorem ATMega168. 75 KB 07.06.11 19:26