Датчик напряжения ардуино. MP220VДатчик контроля сетевого напряжения с опторазвязкой
Немногим больше 8 лет назад Стив Джобс представил Macbook Air - устройство, которое открыло новый класс портативных ноутбуков - ультрабуков. С тех пор различных ультрабуков вышло множество, однако у всех была одна общая черта - низковольтные процессоры с тепловыделением (TDP) в 15-17 Ватт. Однако в 2015 году, с переходом на 14 нм техпроцесс, Intel решили пойти еще дальше, и представили линейку процессоров Core m, которые имеют TDP всего 4-5 Вт, однако должны быть сильно мощнее линейки Intel Atom с аналогичным TDP. Основная особенность новых процессоров - они могут охлаждаться пассивно, то есть из устройства можно убрать кулер. Но увы - убирание кулера принесло достаточно много новых проблем, о которых и поговорим ниже.
Сравнение с ближайшими конкурентами
И хотя уже вышли процессоры на Kaby Lake, их тестов пока еще нет, так что ограничимся предыдущей линейкой, Skylake - с технической точки зрения разница между ними невелика. Для сравнения возьмем три процессора - Intel Atom x7-Z8700, как один из самых мощных представителей линейки Atom, Intel Core m3-6Y30 - самый слабый Core m (в дальнейшем объясню, почему не стоит брать более мощные), и Intel Core i3-6100U - популярный представитель самой слабой линейки «полноценных» низковольтных процессоров:
Получается интересная картина - с физической точки зрения Core m3 и i3 абсолютно одинаковы, различаются лишь максимальные частоты графики и процессора, при этом теплопакет различается втрое, чего в общем-то быть не может. Atom имеет тот же TDP, что и Core m3, сравнимые частоты, но 4 физических ядра. При этом ядер хоть и больше, но они сильно урезаны по возможностям для уменьшения тепловыделения: к примеру, i5-6300HQ с 4 «полноценными» физическими ядрами с такими же частотами имеет TDP на порядок выше - 45 Вт. Поэтому будет интересно сравнить возможности урезанной и полноценной архитектур при одинаковом тепловыделении.
Тесты процессоров
Как уже выяснили выше, m3 является по сути i3, зажатым втрое меньший теплопакет. Казалось бы, разница в производительности должна быть как минимум двукратной, однако здесь есть несколько нюансов: во-первых, Intel позволяет Core m не обращать внимание на TDP, пока его температура не достигнет определенной отметки. Это очень хорошо видно при многократном прогоне бенчмарка Cinebench R15:
Как видно первые 4 прогона теста процессор набирал порядка 215 очков, а потом результаты стабилизировались на 185, то есть потеря производительности из-за такого «мухлежа» Intel составила порядка 15%. Поэтому брать более мощные Сore m5 и m7 не имеет никакого смысла - после 10 минут нагрузки они снизят производительность до уровня Core m3. А вот результат i3-6100U, рабочая частота которого всего на 100 мгц выше, чем у m3-6Y30, гораздо лучше - 250 очков:
То есть при нагрузке только на процессор разница в производительности между m3 и i3 оказывается 35% - достаточно существенный результат. А вот Atom показал себя с лучшей стороны - хоть ядра и урезаны, но вдвое большее их количество дало возможность процессору набрать 140 очков. Да, результат все еще на 25% хуже, чем у Core m3, однако не забываем про восьмикратную разницу в цене между ними.
Второй нюанс - теплопакет рассчитан и на видеокарту, и на процессор одновременно, поэтому посмотрим на результаты теста 3Dmark 11 Performance: это тест, рассчитанный на ПК среднего уровня (которым и принадлежат наши системы), тестирующий одновременно и процессор, и видеокарту. И тут итоговая разница оказывается такой же, Core m3 оказывается на 30% хуже i3 (потому что Core i3 тоже перестает хватать теплопакета - для работы на максимальных частотах ему нужно порядка 20 ватт):
Intel Core m3-6Y30:
Intel Core i3-6100U:
А вот Intel Atom проваливается с треском - результат в 4-5 раз хуже, чем у m3 и i3:
И это, в принципе, ожидаемо - Cinebench тестирует голую математическую производительность процессора и хорошо подходит лишь для сравнения процессоров одной архитектуры, а вот 3Dmark дает разностороннюю нагрузку, гораздо более приближенную к реальной жизни. Однако все еще восьмикратная разница в цене позволяет Atom держаться на плаву.
Энергопотребление
Как видно из тестов выше, трехкратная разница в TDP дает прирост производительности около 35%. Однако это верно только под большой нагрузкой, которая для ультрабуков достаточно редка. Для удобства возьмем два макбука, 12" и 13" 2016 - macOS на разных устройствах оптимизирована одинаково хорошо, и это позволит узнать разницу в энергопотреблении устройств без привязки к операционной системе (да, ниже тестируется энергопотребление всей системы, однако существенный вклад в него дают только экраны и процессоры, и так как первые очень похожи, то весомый вклад в разницу энергопотребления дают только процессоры). И тут разница оказывается... всего полтора ватта в среднем, 7.2 и 8.9 Вт (причем в 13" Macbook стоит процессор мощнее i3-6100U):
Выводы
Что же получается в итоге? Intel Atom - хороший выбор для недорогого планшета или нетбука, на котором ничего тяжелее 1080р60 с YouTube никто запускать не будет. Процессор дешев, и за это ему можно простить разницу в производительности с линейками Core. Intel Core m - хороший выбор для производительного планшета или простого ультрабука. Из-за отсутствия кулера такое устройство будет абсолютно бесшумным, и в обычных задачах ничуть не медленнее более мощных собратьев на Core i. Однако брать его для обработки фото или видео, а уж тем более игр, явно не стоит - производительность быстро упирается в низкий TDP и достаточно сильно снижается даже в сравнении с простым i3. Ну а линейка Core i - хороший выбор для производительного ультрабука. При наличии в системе хотя бы простой дискретной графики такое устройство оказывается на уровне игровых ноутбуков 5летней давности, и позволяет без проблем заниматься как обработкой фото и нетяжелого видео, как и дает возможность поиграть в массовые игры даже не на самых минимальных настройках графики. Однако любая нагрузка выше средней будет приводить к ощутимому шуму небольшого высокооборотистого кулера, что может раздражать любителей работать ночью в тишине.
Как известно, ATmega может питаться от широкого диапазона напряжений, поэтому может оставаться "в строю" даже в случае постепенного разряда батареи, выражающегося в уменьшении напряжения. Ситуация эта в робототехнике более чем стандартная, за примером далеко ходить не надо: возьмем проект Voyager . Это робот-космический аппарат, запущенный за пределы солнечной системы и потому лишенный способности питаться от солнечных батарей . На него установлены радиоизотопные термические генераторы (ядерные батарейки), которые на момент старта выдавали 30В / 470Вт, но каждый год они теряют 0.78% своей мощности. Соответственно, в настоящий момент осталось около 60% от первоначальной, и приходится включать исследовательские подсистемы поочередно, чтобы не перегрузить генераторы.
В Arduino нельзя просто взять и подключить Vcc к аналоговому пину напрямую - по умолчанию AREF связан с Vcc и вы всегда будете получать максимальное значение 1023, от какого бы напряжения вы не питались. Спасает подключение к AREF источника напряжения с заранее известным, стабильным напряжением, но это - лишний элемент в схеме.
Еще можно соединить Vcc с AREF через диод : падение напряжение на диоде заранее известно, поэтому вычислить Vcc не составит труда. Однако, при такой схеме через диод постоянно протекает ток , сокращая жизнь батареи, что тоже не очень удачно.
Как же выкрутиться из положения, не добавляя новых элементов в схему и не сокращая время работы батареи? Оказывается, выход - есть, и поможет нам внутренний источник опорного напряжения 1.1В в ATmega (в документации он проходит как bandgap reference), которое не зависит от Vcc. Получается такая формула:
V_BAT=(1.1*1024)/analogRead(14);
где V_BAT - это напряжение Vcc в вольтах, а analogRead(14) - результат прямого чтения АЦП из канала 14.
В Arduino разрешены чтения только из каналов 0-7 (не удивляйтесь, если нашли на своем Diecimila или Duemilanove только 0-5 , возьмите, к примеру, Seeeduino ;)
Чтобы появилась возможность отправлять данные в другие каналы, в том числе в 14, надо изменить маску в библиотеке-ядре Arduino. Для этого откройте файл hardware\cores\arduino\wiring_analog.c и найдите там строку:
ADMUX = (analog_reference
замените ее на:
ADMUX = (analog_reference
После этого можно написать вот такой скетч:
uint16_t raw_bandgap = 0; // значение внутреннего bandgap
float
volt_battery = 0.0;
void
setup
(){
Serial
.begin
(57600);
}
void
loop
(){
// Чтение напряжения батареи
analogReference
(DEFAULT
); // использовать Vcc как AREF
// холостое чтение после смены AREF (см. 23.5.2 в руководстве)
raw_bandgap = analogRead
(14); // измерить значение внутреннего bandgap
volt_battery = (1.1 * 1024) / raw_bandgap; // вычислить Vcc
Serial
.print
(volt_battery);
Serial
.println
(" v_bat"
);
delay
(1000);
}
Тем, кто хочет знать напряжение на батарее, стоит иметь ввиду, что при наличии регулятора (типа L7805CV), мы будем измерять напряжение Vout регулятора, а в случае наличия входного диода - надо учесть напряжение, которое на нем падает.
Вот так выглядят вычисляемые значения в Seeeduino , в момент переключения с питания 5В на 3,3В:
При этом мой вольтметр показывает меньшие значения. Но, тем не менее - скетч работает;)
UPD: Нашел примеры, в которых вместо константы 1.1 используется 1.05. Результат получается гораздо ближе к показаниям вольтметра, ищу теоретическую базу, способную объяснить этот факт...
Простое решение для систем охраны и автоматики!
BM8039D , MP8036 , MA3401
Есть в наличии
Купить оптомДанный модуль разработан специально для устройств из каталога Мастер Кит BM8039D , MP8036 , MA3401 и т.п. Но с успехом может использоваться с любой домашней автоматикой и сигнализацией.
Устройство имеет опто-гальваническую развязку, это дает возможность подключать модуль непосредственно к выводу микроконтроллера.
Модуль будет полезен для проектов пользователей на базе микроконтроллеров и Arduino и Raspberry.
Технические характеристики
| Напряжение питания (В) | 220 |
| Количество встроенных реле управления (шт) | 1 |
| Тип питания | переменный |
| Количество входов (шт) | 1 |
| Количество выходов (шт) | 1 |
| Рекомендованная температура эксплуатации (°С) | -30...+60 |
| Длина (мм) | 42 |
| Ширина (мм) | 25 |
| Высота (мм) | 17 |
| Вес, не более (г) | 20 |
| Напряжение коммутации (В) | 220 |
| Мощность подключаемой нагрузки, максимальная (Вт) | 1 |
| Вес | 38 |
Особенности
- Опто-гальваническая развязка. Напряжение изоляции 1500В
- Возможность прямого подключения к микроконтроллеру.
- Возможность управления обмоткой реле, мощностью до 1 Вт.
- Напряжение коммутации до 350В
Принцип работы
При наличии на входе модуля переменного напряжения 220V происходит замыкание контактов реле. Благодаря применению оптореле модуль может напрямую подключаться к линиям контроля микроконтроллера.
Конструкция устройства
Модуль выполнен в виде встраиваемого датчика. Модуль имеет небольшие размеры 40х25х15 мм. При необходимости, модуль может выполнять роль бестрансформаторного источника питания, с рабочим напряжением 5В/12В и током до 80 мА.
Схемы
Подключение
Комплект поставки
- Модуль MP220V - 1 шт.
- Инструкция - 1 шт.
Что потребуется для сборки
- Для подключения понадобится: провод, отвертка, бокорезы.
Подготовка к эксплуатации
- Включите мультиметр в режим измерения сопротивления. Подключите щупы к линии контроля модуля.
- Подключите к клеммам «IN 220V» сетевой шнур с вилкой.
- Включите вилку в сеть 220В.
- На плате должен зажжется индикатор, а мультиметр должен показать 0 Ом.
- Проверка завершена. Приятной эксплуатации
Условия эксплуатации
- Температура -30С до +50С.
- Относительная влажность 20-80% без образования конденсата.
- Tutorial
Введение
Всем привет! После завершения цикла по датчикам были вопросы различного плана по измерению параметров потребления бытовых и не очень электроприборов. Кто сколько потребляет, как что подключать чтобы измерить, какие бывают тонкости и так далее. Пришло время раскрыть все карты в этой области.В этом цикле статей мы рассмотрим тему измерения параметров электроэнергии. Этих параметров на самом деле очень даже большое количество, о которых я постараюсь постепенно рассказать небольшими сериями.
Пока в планах три серии:
- Измерение электроэнергии.
- Качество электроэнергии.
- Устройства измерения параметров электроэнергии.
По итогам всего цикла мы изготовим некий умный электросчетчик с выходом в интернет. Совсем отъявленные любители контролировать электроприборы своего умного дома могут оказать посильную помощь в реализации коммуникационной части на базе, например MajorDomo. Сделаем OpenSource умный дом лучше, так сказать.
В этой серии в двух частях мы разберем следующие вопросы:
- Подключение датчиков тока и напряжения в устройствах постоянного тока, а также однофазных и трехфазных цепей переменного тока;
- Измерение действующих значений тока и напряжения;
- Измерение коэффициента мощности;
- Полная, активная и реактивная мощность;
- Потребление электроэнергии;
1. Подключение датчиков
В прошлом цикле про датчики напряжения и тока я рассказал о видах датчиков, но не рассказал о том как ими пользоваться и куда их ставить. Пришло время это исправить
Подключение датчиков постоянного тока
Понятно что весь цикл будет посвящён системам переменного тока, но быстро пробежимся и по цепям постоянного тока, так как это может нам пригодиться при разработке источников питания постоянного тока. Возьмем к примеру классический понижающий преобразователь с ШИМ :
Рис 1. Понижающий преобразователь с ШИМ
Нашей задачей является обеспечение стабилизированного выходного напряжения. Кроме того, на основании информации с датчика тока возможно контролировать режим работы дросселя L1, не допуская его насыщения, а также реализовывать токовую защиту преобразователя. И честно говоря, вариантов установки датчиков особо и нет.
Датчик напряжения в виде резистивного делителя R1-R2, который единственный способен работать на постоянном токе, устанавливается на выходе преобразователя. Как правило специализированная микросхема преобразователя имеет вход обратной связи, и прилагает все усилия для того, чтобы на этом входе (3) оказался определённый уровень напряжения, прописанный в документации на микросхему. Например 1,25В. Если наше выходное напряжение с этим уровнем совпадает - все хорошо - мы напрямую подаем выходное напряжение на этот вход. Если нет, то устанавливаем делитель. Если нам надо обеспечить выходное напряжение в 5В, то делитель должен обеспечивать коэффициент деления 4, т. е. Например R1 = 30к, R2 = 10к.
Датчик тока обычно устанавливается между источником питания и преобразователем и на микросхему. По разности потенциалов между точками 1 и 2, и при известном сопротивлении резисторы Rs возможно определить текущее значение тока нашего дросселя. Устанавливать датчик тока между источников и нагрузкой не самая хорошая идея, так как конденсатор фильтра будет отрезан резистором от потребителей импульсных токов. Установка резистора в разрыв общего провода тоже нге сулит ничего хорошего - будет два земляных уровня с которыми возиться то еще удовольствие.
Проблемы падения напряжения можно избежать путем использования бесконтактных датчиков тока - например датчиков холла:
Рис 2. Бесконтактный датчик тока
Однако есть более хитрый способ измерения тока. Ведь на транзисторе точно также падает напряжение и через него течет тот же самый ток что и индуктивность. Следовательно, по падению напряжения на нем можно также определить текущее значение тока. Честно говоря, если посмотреть на внутреннюю структуру микросхем преобразователей, например, от Texas Instruments - то такой способ встречается так же часто как и предыдущие. Точность такого способа конечно не самая высокая, но для работы токовой отсечки этого вполне достаточно.
Рис 3. Транзистор в качестве датчика тока
Аналогично поступаем в других схемах подобных преобразователей, будь то повышающий или инвертирующий.
Однако необходимо отдельно упомянуть о трансформаторных прямоходовом и обратноходовом преобразователях.
Рис 4. Подключение датчиков тока в обратноходовых преобразователях
В них точно также может использоваться либо внешнее сопротивление, либо транзистор в его роли.
На этом с подключением датчиков в преобразователи постоянного тока мы закончили. Если у вас есть предложения по другим вариантам - с удовольствием дополню ими статью.
1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного тока
В цепях переменного тока у нас гораздо больший выбор возможных датчиков. Рассмотрим несколько вариантов.Самый простой - использование резистивного делителя напряжения и токового шунта.
Рис 5.Подключение резисторных датчиков
Однако, у нее усть пара существенных недостатков:
Во-первых, либо мы обеспечим значительную амплитуду сигнала с токового шунта, выделив большое количество мощности на нем, либо будем довольствоваться малой амплитудой сигнала и впоследствии усиливать его. А во-вторых, резистор создает разность потенциалов между нейтралью сети и нейтралью прибора. Если прибор изолирован - то это не имеет значения, если же у прибора есть вывод заземления, то мы рискуем остаться без сигнала с датчика тока, так как закоротим его. Пожалуй стоит попробовать датчики, работающие на других принципах.
Например, воспользуемся трансформаторами тока и напряжения, либо датчиком тока на эффекте холла и трансформатором напряжения. Здесь гораздо больше возможностей по работе с оборудованием, так как нулевой провод не имеет потерь, а главное - в обоих случаях присутствует гальваническая развязка измерительного оборудования, что часто может пригодиться. Однако, необходимо учитывать, что трансформаторные датчики тока и напряжения имеют ограниченную частотную характеристику и если мы захотим измерить гармонический состав искажений, то у нас это не факт что выйдет.
Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных датчиков тока и напряжения
1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного тока
В многофазных сетях наши возможности по подключению датчиков тока немного меньше. Связано это с тем, что токовый шунт использовать совсем не получится, так как разность потенциалов между шунтами фаз будет колебаться в пределах сотен вольт и мне не известен ни один контроллер общего применения, аналоговые входы которого способны выдержать такое издевательство.Один способ использовать токовые шунты конечно есть - для каждого канала необходимо сделать гальванически развязанный аналоговый вход. Но гораздо проще и надежнее использовать другие датчики.
В своем анализаторе качества я использую резистивные делители напряжения и выносные датчики тока на эффекте холла.
Рис 7.Датчики тока в трехфазной сети
Как видно из рисунка, мы используем четырехпроводное подключение. Разумеется вместо датчиков тока на эффекте холла можно взять трансформаторы тока или петли Роговского.
Вместо резистивных делителей можно использовать трансформаторы напряжения, причем как для четырехпроводной так и для трехпроводной системы.
В последнем случае первичные обмотки трансформаторов напряжения подключаются треугольником, а вторичные звездой, общая точка которых является общей точкой измерительной цепи
Рис 8.Использование трансформаторов напряжения в трехфазной сети
2 Действующее значение тока и напряжения
Пришло время решить задачу измерения наших сигналов. Практическую значимость для нас представляет в первую очередь действующее значение тока и напряжения.
Напомню матчасть из цикла по датчикам. С помощью АЦП нашего микроконтроллера через равные промежутки времени мы будем фиксировать мгновенное значение напряжения. Таким образом, за период измерения у нас будет массив данных уровня мгновенного значения напряжения (для тока все аналогично).
Рис 9. Серия мгновенных значений напряжения
Наша задача - произвести подсчет действующего значения. Для начала воспользуемся формулой интеграла:
(1)В цифровой системе приходится ограничиваться неким квантом времени, так что мы переходим к сумме:
(2)Где - период дискретизации нашего сигнала, а - число отсчетов за период измерения. Где-то здесь я в видео начинаю втирать дичь про равенство площадей. Надо было выспаться в тот день. =)
В микроконтроллерах MSP430FE4252, которые применяются в однофазных электросчетчиках Меркурий, за период измерения равный 1, 2 или 4 секунд производится 4096 отсчетов. На T=1с и N=4096 мы и будем опираться в дальшейнем. Более того, 4096 точек в секунду позволят нам использовать алгоритмы быстрого преобразования фурье для определения гармонического спектра вплоть до 40 гармоники, как того требует ГОСТ. Но об этом в следующей серии.
Набросаем алгоритм для нашей программы. Нам требуется обеспечить стабильный запуск АЦП каждую 1/8192 секунды, так как у нас два канал и измерять мы будем эти данные попеременно. Для этого настроим таймер и сигнал прерывания будет автоматически перезапускать АЦП. Все АЦП так умеют.
Писать будущую программу будем на arduino, так как она у многих под рукой. У нас пока чисто академический интерес.
Имея частоту системного кварца 16МГц и 8-разрядный таймер (чтобы жизнь медом не казалась) нам необходимо обеспечить частоту срабатывания хоть какого прерывания таймера с частотой 8192Гц.
Печалимся по поводу того что 16МГц цело не делится как нам надо и итоговая частота работы таймера 8198Гц. Закрываем глаза на погрешность в 0,04% и все равно считываем по 4096 выборок на канал.
Печалимся по поводу того, что прерывание по переполнению в arduino занято расчетом времени (отвечает за millis и delay, так что это работать нормально перестанет), так что пользуемся прерыванием по сравнению.
А еще внезапно понимаем, что сигнал к нам приходит биполярный, и что msp430fe4252 с ним прекрасно справляется. Мы же довольствуемся униполярным АЦП, поэтому на операционном усилителе собираем простой преобразователь биполярного сигнала в униполярный:
Рис 10.Преобразователь биполярного сигнала в униполярный
Причем наша задача обеспечить колебание нашей синусоиды относительно половины опорного напряжения - тогда мы либо отнимем половину диапазона либо активируем опцию в настройках АЦП и получим знаковые значения.
В Arduino 10-разрядный АЦП, поэтому из беззнакового результата в пределах 0-1023 будем вычитать половину и получим -512- 511.
Проверяем модель, собранную в LTSpiceIV и убеждаемся, что все работает как надо. В видеоматериале дополнительно убеждаемся экспериментально.
Рис 11.результат моделирования. Зеленым исходный сигнал, синим - выходной
Скетч для Arduino для одного канала
void setup() { autoadcsetup(); DDRD |=(1<
Программа написана в среде Arduino IDE для микроконтроллера ATmega1280. На моей отладочной плате первые 8 каналов разведены для внутренних нужд платы поэтому используется канал ADC8. Возможно использовать данный скетч и для платы с ATmega168, однако необходимо выбрать правильный канал.
Внутри прерываний передергиваем пару служебных пинов чтобы наглядно видеть рабочую частоту оцифровки.
Пару слов о том, откуда взялся коэффициент 102. При первом запуске с генератора подавался сигнал различной амплитуды, с осциллографа считывалось показание действующего значения напряжения, а из консоли забиралось рассчитанное значение в абсолютных единицах АЦП.
| Umax, В | Urms, В | Counted |
| 3 | 2,08 | 212 |
| 2,5 | 1,73 | 176 |
| 2 | 1,38 | 141 |
| 1,5 | 1,03 | 106 |
| 1 | 0,684 | 71 |
| 0,5 | 0,358 | 36 |
| 0,25 | 0,179 | 19 |
Разделив значения третьего столбца на значения второго получаем в среднем 102. Это и будет наш «калибровочный» коэффициент. Однако можно заметить, что при снижении напряжения точность резко падает. Это происходит из-за низкой чувствительности нашего АЦП. Фактически 10 разрядов для точных расчётов катастрофически мало и если напряжение в розетке измерить таким образом вполне получится, то поставить 10-разрядный АЦП на измерение потребляемого нагрузкой тока будет преступлением против метрологии.
На данном моменте мы прервемся. В следующей части рассмотрим другие три вопроса данной серии и будем плавно переходить к созданию непосредственно самого устройства.
Представленную прошивку, а также другие прошивки для данной серии (так как видеоматериалы я снимаю быстрее чем подготавливаю статьи) вы найдете в репозитории на GitHub.
Загрузка...
