AC AC Monitoring Data Logger: 9 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

سلام به همگی ، به اولین برنامه اموزشی من خوش آمدید! در روز من یک مهندس آزمایش برای شرکتی هستم که تجهیزات گرمایش صنعتی را تهیه می کنم ، و شب من یک علاقه مندان فن آوری مشتاق و DIY'er هستم. بخشی از کار من شامل آزمایش عملکرد بخاری است ، به همین مناسبت من می خواستم بتوانم بر روی جریان RMS 8 دستگاه در بیش از 1000 ساعت نظارت داشته باشم و داده ها را وارد کنم تا نتایج را بعداً نمودار کنم. من به یک دیتا لاگر دسترسی دارم اما قبلاً به پروژه دیگری متعهد شده بود و من به هزینه کم نیاز داشتم ، بنابراین تصمیم گرفتم این دیتاگالر اصلی را با هم جمع کنم.

این پروژه از Arduino Uno برای خواندن حسگرهای آنالوگ از طریق مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) استفاده می کند و داده ها را با مهر زمان روی کارت SD ثبت می کند. در طراحی مدارها نظریه و محاسبه زیادی وجود دارد ، بنابراین به جای توضیح کامل همه چیز ، فقط نحوه ساخت آن را به شما نشان خواهم داد. اگر به دیدن FULL ضربه علاقه دارید ، در نظرات به من اطلاع دهید و بیشتر توضیح خواهم داد.

توجه داشته باشید:

من سوالات زیادی در مورد محاسبات True RMS داشتم. این دستگاه از یکسو کننده نیمه موج برای ثبت اوج موج استفاده می کند ، که می تواند در 0.707 ضرب شود تا RMS را بدست آورد. به طور مداوم فقط با بارهای خطی نتیجه دقیقی می دهد (یعنی جریان اندازه گیری شده یک موج سینوسی خالص است). منابع غیر خطی یا بارهایی که شکل موج مثلثی ، مستطیلی یا هر شکل دیگر غیر موج سینوسی می دهند ، محاسبه RMS واقعی را انجام نمی دهند. این دستگاه جریان AC را اندازه گیری می کند فقط برای اندازه گیری ولتاژ طراحی نشده است ، بنابراین ضریب توان را محاسبه یا اندازه گیری نمی کند. لطفاً دستورالعمل دیگر من را در مورد نحوه ایجاد یک ضریب قدرت اندازه گیری کنید که می تواند برای این کار استفاده شود. بسیاری از مردم نیز گفته اند که اتصال مستقیم AC با خط مرکزی 2.5 ولت بهتر است ، اما این امر عوارضی را ایجاد می کند زیرا شامل نمونه گیری سریع دیجیتالی به اندازه کافی سریع ، میانگین قوی/هموارسازی داده ها و غیره است و عدم قطعیتی که معرفی می شود بسیار بیشتر از اندازه گیری است ارزش خام من شخصاً راه حل های سخت افزاری و کد ساده تر را در صورت امکان ترجیح می دهم ، بنابراین به آن روش علاقه ای ندارم. از نظر دقت من معتقدم این بسیار بهتر از دومی است و بعداً در نتایج من خواهید دید که پس از کالیبراسیون ، ضریب رگرسیون نزدیک به 1.0 وجود دارد.

مرحله 1: ترانسفورماتورهای فعلی

این پروژه از ترانسفورماتور جریان HMCT103C 5A/5MA استفاده می کند. دارای نسبت 1: 1000 دور به معنی هر 5 آمپر جریان از طریق هادی است ، 5 میلی آمپر از CT عبور می کند. یک مقاومت باید در دو پایانه CT متصل شود تا ولتاژ در آن اندازه گیری شود. در این مناسبت از یک مقاومت 220 اهم استفاده کردم ، بنابراین با استفاده از قانون اهم = V ، خروجی CT 1.1 ولت AC خواهد بود ، به ازای هر 5 میلی آمپر جریان CT (یا هر 5 آمپر جریان اندازه گیری شده). CT ها برای ایجاد نوارهای تخته ای با مقاومت و مقداری سیم ابزار برای ایجاد سرنخ پرواز لحیم شدند. من سیم ها را با فیش های جک 3.5 میلی متری صدا متصل کردم.

در اینجا برگه داده ترانسفورماتور فعلی آمده است

برگه اطلاعات

مرحله 2: شرطی سازی سیگنال

سیگنال از CT ضعیف خواهد بود بنابراین باید تقویت شود. برای انجام این کار ، یک مدار تقویت کننده ساده را با استفاده از یک آمپر تقویت کننده دو ریل uA741 با هم لحیم کردم. در این حالت ، سود با استفاده از فرمول Rf / Rin (150k / 1k) بر 150 تنظیم می شود. با این حال سیگنال خروجی از تقویت کننده هنوز AC است ، دیود خروجی op-amp نیم چرخه منفی AC را قطع کرده و ولتاژ مثبت را به یک خازن 0.1uF منتقل می کند تا موج را به سیگنال DC موج دار صاف کند. در زیر قطعات تشکیل دهنده مدار آمده است:

• V1-این در این نمودار دلخواه است ، به سادگی ولتاژ سیگنال را نشان می دهد که در ورودی غیر معکوس op-amp تغذیه می شود.
• R1 - به مقاومت بازخورد (Rf) معروف است و روی 150k تنظیم شده است
• R2 - به عنوان مقاومت ورودی (Rin) شناخته می شود و روی 1k تنظیم شده است
• 741 - این مدار مجتمع uA741 است
• VCC - راه آهن تأمین مثبت +12 ولت
• VEE - ریل عرضه منفی -12 ولت
• D1 - آیا دیود سیگنال اصلاح موج haf 1N4001 است
• C3 - این خازن سیگنال DC را برای مدت زمان مشخص نگه می دارد

در تصویر 2 می بینید که با استفاده از Veroboard و سیم مسی قلع مونتاژ شده است. برای سوراخ کردن مدار چاپی 4 سوراخ ایجاد شد تا بتوان آنها را روی هم قرار داد (زیرا هشت کانال وجود دارد که باید به طور کلی هشت مدار تقویت کننده وجود داشته باشد.

مرحله 3: منبع تغذیه

اگر نمی خواهید آن را از ابتدا بسازید ، می توانید تخته ای را که قبلاً از چین مونتاژ کرده اید مانند تصویر بالا خریداری کنید ، اما همچنان به ترانسفورماتور 3VA (240V تا 12V پایین) نیاز دارید. هزینه عکس مورد نظر من 2.50 پوند است

برای تأمین انرژی پروژه تصمیم گرفتم منبع تغذیه دو ریل 12VDC خودم را بسازم. این بسیار مناسب بود زیرا آمپرهای آمپر نیاز به +12V ، 0V ، -12V دارند و Arduino Uno می تواند هر منبع تغذیه تا 14 VDC را بپذیرد. در زیر قطعات تشکیل دهنده مدار آمده است:

• V1 - این منبع تغذیه از سوکت اصلی 240V 50Hz است
• T1 - این یک ترانسفورماتور کوچک 3VA است که در مورد آن دروغ گفته بودم. این مهم است که ترانسفورماتور دارای یک ضربه مرکزی روی ثانویه باشد که به 0V یعنی زمین متصل می شود
• D1 تا D4 - این یک یکسو کننده پل کامل موج با استفاده از دیودهای 1N4007 است
• C1 & C2 - خازن های الکترولیتی 35 ولت 2200uF (باید 35 ولت باشد زیرا پتانسیل مثبت و منفی به 30 ولت می رسد)
• U2 - LM7812 ، تنظیم کننده ولتاژ مثبت 12V است
• U3 - LM7912 ، تنظیم کننده ولتاژ منفی 12V است (مراقب باشید که تفاوت های پین بین IC 78xx و 79xx را توجه کنید!)
• C3 & C4 - 100nF خازن های صاف کننده الکترولیتی 25 ولت
• خازن های دیسک سرامیکی C5 & C6 - 10uF

قطعات را روی نوار چسب لحیم کردم و با سیم مسی قلع حلقه ای تک هسته ای مسیرهای عمودی را پیوستم. تصویر 3 بالا منبع تغذیه DIY من را نشان می دهد ، متأسفانه تعداد زیادی پرش کننده در عکس وجود دارد!

مرحله 4: مبدلهای آنالوگ به دیجیتال

Arduino Uno قبلاً دارای ADC 10 بیتی است ، اما فقط 6 ورودی آنالوگ وجود دارد. بنابراین من ترجیح دادم از دو ADC breakout با ADS1115 16 بیتی استفاده کنم. این به 2^15 = 32767 بیت اجازه می دهد تا سطوح ولتاژ را از 0-4.096V نشان دهند (4.096V ولتاژ کار شکست است) ، این بدان معناست که هر بیت 0.000125V را نشان می دهد! همچنین از آنجا که از گذرگاه I2C استفاده می کند ، به این معنی است که می توان تا 4 ADC را مورد بررسی قرار داد ، و در صورت تمایل امکان نظارت تا 16 کانال را فراهم می کند.

من سعی کردم اتصالات را با استفاده از Fritzing نشان دهم ، اما به دلیل محدودیت ها ، هیچ قسمت سفارشی برای نشان دادن یک سیگنال ژنراتور وجود ندارد. سیم بنفش به خروجی مدار تقویت کننده متصل است ، سیم سیاه کنار آن نشان می دهد که همه مدارهای تقویت کننده باید دارای نقطه مشترک باشند. بنابراین من از تخته نان برای نشان دادن نحوه ایجاد نقاط تساوی استفاده کرده ام. با این حال پروژه واقعی من دارای ضربات در سرصفحه های زنانه است ، به Veroboard لحیم می شود ، و تمام نقاط کراوات بر روی ورودور لحیم می شود.

مرحله 5: میکروکنترلر

همانطور که در بالا ذکر شد ، کنترلری که من انتخاب کردم Arduino Uno بود ، این انتخاب خوبی بود زیرا دارای ویژگی های زیادی روی صفحه و عملکردی است که در غیر این صورت نیاز به ساخت جداگانه داشت. بعلاوه ، با بسیاری از "سپرهای" ساخته شده سازگار است. در این مناسبت من به یک ساعت زمان واقعی برای زمانبندی تمام نتایج و یک نویسنده کارت SD برای ثبت نتایج در یک فایل.csv یا.txt نیاز داشتم. خوشبختانه سپر ثبت اطلاعات Arduino هر دو در یک سپر قرار دارد که بدون لحیم کاری اضافی ، بر روی برد اصلی Arduino فشار می دهد. سپر با کتابخانه های RTClib و کارت SD سازگار است ، بنابراین نیازی به کد ویژه نیست.

مرحله ششم: مونتاژ

من از PVC متوسط 5 میلی متری/چگالی کم (گاهی اوقات به عنوان کفپوش معروف است) استفاده کردم تا اکثر اجزای خود را خراب کنم و با چاقوی دستی آن را به اندازه مناسب برش دهم. همه اجزا به صورت مدولار برای نمونه اولیه ساخته شده اند زیرا اجازه می دهد تا در صورت خرابی قطعات جداگانه جدا شوند ، با این حال به اندازه یک PCB حکاکی شده کارآمد یا مرتب نیست (کار بیشتر) این به معنی تعداد زیادی سیم جهنده بین اجزاء.

مرحله 7: بارگذاری کد

کد را در Arduino بارگذاری کنید ، یا کد را از repo Github من دریافت کنید

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

مرحله 8: کالیبراسیون

از لحاظ تئوری ، جریان اندازه گیری شده ناشی از چندین چیز است:

آمپر اندازه گیری شده = (((a *0.45)/150)/(1.1/5000))/1000 جایی که 'a' ولتاژ سیگنال از تقویت کننده است

0.45 مقدار rms Vout مدار تقویت کننده است ، 150 افزایش op-amp است (Rf / Rin = 150k / 1k) ، 1.1 خروجی ولتاژ مقیاس کامل CT هنگام اندازه گیری آمپر 5A ، 5000 به سادگی 5A در mA ، و 1000 مقدار دور در ترانسفورماتور است. این را می توان ساده کرد:

آمپر اندازه گیری شده = (b * 9.216) / 5406555 که در آن b مقدار ADC گزارش شده است

این فرمول با استفاده از آردوینو 10 بیتی ADC مورد آزمایش قرار گرفت و تفاوت بین مقادیر مولتی متر و مقادیر تولید شده توسط آردوینو 11 درصد مشاهده شد که این یک انحراف غیرقابل قبول است. روش ترجیحی من برای کالیبراسیون ، ثبت مقدار ADC در مقابل جریان بر روی یک مولتی متر در صفحه گسترده و ترسیم یک چند جمله ای مرتبه سوم است. از این فرمول مکعب می توان برای به دست آوردن نتایج بهتر هنگام محاسبه جریان اندازه گیری استفاده کرد:

(ax^3) + (bx^2) + (cx^1) + d

ضرایب a ، b ، c و d در Excel از یک جدول داده ساده محاسبه می شود ، x مقدار ADC شما است.

برای بدست آوردن داده ها از یک مقاومت سرامیکی 1k متغیر (رئوستات) و یک ترانس 12 ولت برای کاهش ولتاژ AC اصلی از 240 ولت استفاده کردم که به من یک منبع جریان متغیر از 13mA تا 100mA تولید می کند. هرچه نقاط داده بیشتری جمع آوری شود بهتر است ، اما من پیشنهاد می کنم 10 نقطه داده را جمع آوری کنید تا روند دقیقی به دست آورید. الگوی پیوست شده ضرایب را برای شما محاسبه می کند ، فقط باید آنها را در کد آردوینو وارد کنید

در خط 69 کد می بینید که ضرایب را کجا وارد کنید

float chn0 = ((7.30315 * توان (10 ، -13)) * پاور (adc0 ، 3) + (-3.72889 * پاور (10 ، -8) * پاور (adc0 ، 2) + (0.003985811 * adc0) + (0.663064521)))؛

که همان فرمول موجود در شیت 1 فایل اکسل است:

y = 7E-13x3-4E-08x2 + 0.004x + 0.663

جایی که x = adc0 هر کانالی که کالیبره می کنید

مرحله 9: پایان دهید

آن را در محوطه پروژه قرار دهید. منبع تغذیه را با یک کلید ضامن برای روشن/خاموش کردن همه چیز در منبع تغذیه و یک اتصال IEC "شکل 8" برای ورودی اصلی خاموش کردم. همه را با هم بچرخانید و آماده آزمایش آن هستید.

کار بیشتر

کل پروژه به سرعت مورد تمسخر قرار گرفت بنابراین فضای زیادی برای بهبود ، مدار حکاکی شده ، اجزای بهتر وجود دارد. در حالت ایده آل ، کل چیز به جای بارهای جامپر روی FR4 حک می شود یا لحیم می شود. همانطور که قبلاً گفتم موارد زیادی وجود دارد که من به آنها اشاره نکرده ام ، اما اگر مورد خاصی وجود دارد که دوست دارید بدانید ، در نظرات به من اطلاع دهید و من دستورالعمل را به روز خواهم کرد!

به روز رسانی 2016-12-18

من اکنون یک LCD 16x2 با استفاده از "کوله پشتی" I2C برای نظارت بر چهار کانال اول اضافه کرده ام ، هنگامی که از طریق پست وارد می شود ، دیگری را برای نظارت بر چهار کانال آخر اضافه می کنم.

وام

این پروژه توسط همه نویسندگان کتابخانه هایی که در طرح آردوینوی من استفاده شده اند از جمله کتابخانه DS3231 ، کتابخانه Adafruit ADS1015 و کتابخانه SD Arduino امکان پذیر شده است