Ваттметр-счётчик электроэнергии для электровелосипеда

Вниманию читателей предлагается ваттметр-счётчик электро­энергии с внешним датчиком тока. Он предназначен для приме­нения на электровелосипеде. На индикаторе прибора отобра­жаются напряжение батареи, потребляемые от неё ток и мощ­ность, а также расход электроэнергии с момента включения при­бора. Устройство собрано на микроконтроллере PIC16F690-I/SO с использованием доступной элементной базы. Оно несложно в повторении.

Для контроля режима работы аккуму­ляторных батарей электровелоси­педов и радиоуправляемых моделей применяют различные измерительные приборы, наиболее популярные из ко­торых — ваттметр-счётчик электро­энергии Turnigy 130А [1] и его аналог G.T. Power RC 130А [2], построенные на микроконтроллерах ATtiny26. Но им свойственны некоторые недостатки. Первый — невысокая надёжность. При использовании ваттметров таких типов на электровелосипеде с аккумуляторной батареей номинальным напряжением 48 В отмечены частые отказы приборов. Чаще всего — по причине выхода из строя линейного интегрального стабили­затора напряжения LM2936HVBMA-5.0, хотя и рассчитанного на максимальное входное напряжение 60 В, но работаю­щего без теплоотвода.

Второй недостаток ваттметров ука­занных типов — датчик тока, установ­ленный на печатной плате прибора внутри его корпуса. Вследствие этого приходится прокладывать от аккумуля­торной батареи и двигателя электровелосипеда к месту установки ваттметра на руле толстые силовые провода, что очень неудобно. К тому же падение на­пряжения на длинных проводах дости­гает 0,5 В, что существенно увеличива­ет погрешность измерения напряжения батареи.

И наконец, третий недостаток этих ваттметров — высокая цена.

По этим причинам был разработан предназначенный преимущественно для применения на электровелосипеде ваттметр-счётчик электроэнергии на микроконтроллере, имеющий выносной датчик тока. Программа для его микро­контроллера PIC16F690-I/SO разрабо­тана в графической среде Flowcode [3].

Основные технические данные

• Напряжение аккумуляторной батареи, В            25…70
• Дискретность отсчёта напря­жения, В …..0,1
• Максимальное напряжение, отображаемое на индика­торе, В………102,3
• Ток нагрузки, А……….. 0…20
• Дискретность отсчёта тока, А……0,1
• Максимальный ток, отобра­жаемый на индикаторе, А … .102,3
• Мощность нагрузки, Вт ………… 0…10465
• Дискретность отсчёта мощ­ности, Вт……….1
• Измеряемый расход электро­энергии, Вт·ч ……… 0…99999
• Дискретность отсчёта расхо­да, Вт·ч……1

Схема ваттметра изображена на рис. 1. После подачи на его выводы «+U» и «Общ.” напряжения аккумулятор­ной батареи на экран ЖКИ HG1 в тече­ние 0,8 с выводится строка привет­ствия, затем ваттметр переходит в рабочий режим. Двухстрочный ЖКИ показывает одновременно четыре пара­метра: напряжение, ток, мощность и расход электрической энергии с момен­та включения прибора.

Рис. 1

Микроконтроллер DD1 работает от внутреннего генератора частотой 8 МГц. Коды из файла VAWWh.hex следует за­грузить в программную память микро­контроллера. Для подключения про­грамматора (автор использовал PICkit2) на плате предусмотрен разъём Х1.

Напряжение аккумуляторной бата­реи поступает для измерения на анало­говый вход AN8 (RC6) микроконтролле­ра через делитель из резисторов R1, R3, R7, R8. Конденсатор С1 — фильтру­ющий, он устраняет воздействие на прибор помех от работающего электро­двигателя велосипеда.

Для измерения тока напряжение с его датчика по цепи «+Ш» через ФНЧ R6C4 поступает на вход усилителя на ОУ DA2, а после усиления — на аналоговый вход AN9 (RC7) микроконтроллера. Предел измерения тока — 102,3 А, но исходя из максимальной мощности, рассеиваемой на датчике, ток не дол­жен превышать 20 А.

Измерения напряжения и тока вы­полняет внутренний 10-разрядный АЦП микроконтроллера. По их измеренным значениям микроконтроллер вычисляет мощность нагрузки аккумуляторной батареи и количество израсходованной электроэнергии. Эти параметры выво­дятся на ЖКИ HG1 с округлением до целых значений.

Питается прибор от контролируемой аккумуляторной батареи через линей­ный стабилизатор напряжения, образо­ванный регулирующим транзистором VT1 и микросхемой параллельного ста­билизатора напряжения TL431ID (DA1). Перед стабилизатором установлена цепь VD1, R5, СЗ, снижающая помехи от работы электродвигателя. Наибольшее допустимое напряжение аккумулятор­ной батареи 70 В определяется макси­мальным напряжением коллектор- эмиттер транзистора VT1, размерами его теплоотвода и мощностью рассея­ния резисторов R9—R11.

Прибор выполнен на односторонней печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертёж печатных про­водников этой платы и расположение элементов на ней показаны на рис. 2. На плате имеются четыре перемычки ти­поразмера 1206 для поверхностного монтажа. Все элементы, кро­ме разъёмов, монтируют со стороны печатных проводни­ков. Разъём Х1 (угловую шты­ревую колодку PLS-5R) уста­навливают с обратной сторо­ны платы. Там же располага­ют штыревую часть разъёма Х2 (колодку PLS-16). В мон­тажные отверстия платы ин­дикатора HG1 впаивают от­ветную гнездовую часть это­го разъёма. Можно обойтись и без неё, надев плату ин­дикатора непосредственно на штыри установленного на плате разъёма и пропаяв их. Но это сде­лает конструкцию трудноразборной.

Рис. 2

В ваттметре применены резисторы типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. При сборке прибора резисто­ры R3 и R18 монтировать на плату не следует. Они будут установлены на этапе его налаживания.

Конденсаторы С1, С2, С4, С5 — ке­рамические типоразмера 1206 или 0805. Конденсатор СЗ — тоже керами­ческий, но типоразмера 2220. Заменить его может конденсатор любого типа ёмкостью 1 мкФ на напряжение не ме­нее 100 В.

Заменой n-p-n транзистора BTD1816J3 в стабилизаторе напряжения может слу­жить другой транзистор той же структу­ры в корпусе ТO-252 (DPAK) с допусти­мым напряжением коллектор—эмиттер более 80 В. Например, MJD31CT4, MJD340, 10NC60HT4, 7NM60N, 8N65M5 и другие транзисторы, имеющие анало­гичное назначение выводов. К выводу коллектора транзистора дополнитель­но припаивают полоску тонкой листо­вой меди площадью приблизительно 6 см², служащую теплоотводом.

Для улучшения считывания инфор­мации при ярком дневном свете в ватт­метр установлен приобретённый на EBay ЖКИ YB1602A [4] с жёлтыми сим­волами на чёрном фоне. Но можно ис­пользовать любой другой ЖКИ серии 1602 с напряжением питания 5 В, габа­ритными размерами 80×36 мм, имею­щий такое же назначение выводов.

Рис. 3

Прибор собран в корпусе от вы­шедшего из строя ваттметра G.T. Power RC 130А. Его внешний вид по­казан на рис. 3. При отсутствии тако­го корпуса ваттметр можно собрать и в любом другом корпусе подходяще­го размера из изоляционного мате­риала. Выносной датчик тока сопротивле­нием 5 мОм состоит из двух разме­щённых на отдельной печатной плате (рис. 4) из стеклотекстолита толщи­ной 1,5 мм и соединённых параллель­но проволочных токоизмерительных шунтов R_ш1 и R_ш2 сопротивлением по 10 мОм от мультиметров М830, М838 и им подобных. Такой датчик выдер­живает длительную работу при токе до 20 А. Для измерения большего то­ка резисторы R_ш1 и R_ш2 должны быть сделаны из более толстых высокоом­ных проводов. Можно использовать и стандартный измерительный шунт сопротивлением 5 мОм, например, 75ШИСВ.2-0,5-15 или аналогичный.

Рис. 4

Сигнал датчика, пропорциональный протекающему через него току, усили­вает операционный усилитель ОРА340 (DA2). Коэффициент усиления устанав­ливают подборкой резистора R18 в це­пи обратной связи ОУ. Вместо ОРА340 может быть применён практически лю­бой одинарный rail-to-rail ОУ в корпусе SO-8, например, OPA241 или TS507.

Схема подключения ваттметра к аккумуляторной батарее GB1 и нагруз­ке R_Н изображена на рис. 5. Утолщён­ными линиями показана цепь, по кото­рой протекает ток нагрузки. Для умень­шения погрешности измерения датчик тока следует располагать как можно ближе к минусовому выводу аккумуля­торной батареи. К ваттметру Р1 датчик можно подключать проводами неболь­шого сечения (на рис. 5 они показаны тонкими линиями).

Рис. 5

При налаживании прибора вместо аккумуляторной батареи можно исполь­зовать лабораторный источник питания с выходным напряжением 25…50 В и допустимым током нагрузки не менее 5 А. В качестве эквивалента нагрузки можно применить мощный проволочный резистор (ПЭВ или аналогичный) сопротивлением 5…10 Ом.

Налаживают прибор в следующем порядке. Сначала калибруют его вольт­метр. Для этого в печатную плату вме­сто резистора R3 впаивают многообо­ротный подстроенный резистор сопро­тивлением 2…4,7 кОм. Далее подают на прибор напряжение от аккумулятор­ной батареи или от лабораторного ис­точника питания, параллельно подклю­чают точный цифровой вольтметр. Изменением сопротивления подстроечного резистора добиваются одинаковых показаний цифро­вого вольтметра и налаживае­мого прибора. После этого подстроенный резистор вы­паивают, измеряют его сопро­тивление и впаивают в плату постоянный резистор такого же сопротивления.

Затем калибруют измери­тель тока. В плату вместо ре­зистора R18 впаивают под­строенный многооборотный резистор сопротивлением 2…4,7 кОм. Последовательно с нагрузкой включают точный цифровой амперметр. Подав напряжение питания, добиваются из­менением сопротивления подстроен­ного резистора одинаковых показаний образцового амперметра и налаживае­мого прибора. Затем подстроенный ре­зистор выпаивают, измеряют его сопро­тивление и впаивают в плату постоян­ный резистор такого же сопротивления.

При необходимости подборкой ре­зистора R16 устанавливают оптималь­ную контрастность изображения на индикаторе.

Скачать архив к проекту

ЛИТЕРАТУРА

1. Ваттметр Turnigy 130А. — URL: http://www.velomastera.ru/shop/show_good.php?idtov=501720 (22.04.15).
2. Ваттметр G.T.Power RC 130A — URL: http://li-force.ru/catalog/measuring/gtpower_ rc130.html (22.04.15).
3. Сайт русскоязычной поддержки про¬граммы Flowcode. — URL: http://flowcode.info/ (22.04.15).
4. LCD 16×2 Character LCD Module Black Yellow 5.0V. — URL: http://www.ebay.com/itm/16×2-1602-16-2-162-Character-LCD-Module-Black-Background-Yellow- Characters-5-0V-/201231583749?pt=LH_ DefaultDomain 0&hash=item2eda564a05 (12.04.15).

Автор: А. НЕФЕДЬЕВ, г. Волгоград

Источник: Радио №9, 2015