В статье приведено описание устройства, которое позволяет наглядно с помощью двух светодиодных линеек отображать текущее значение напряжения сети ~220 В и тока потребления в контролируемой линии, а также осуществлять звуковую сигнализацию при выходе уровней напряжения и тока за установленные границы.
Идея контролировать состояние домашней питающей сети возникает, думаю, у многих, особенно после очередной оплаты за потребленную электроэнергию. Диву даешся, как можно было столько «накрутить», а реальных средств контроля в квартире нет. Устанавливать полноценные электроизмерительные приборы в прихожей как-то неприятно. Кроме того, отображение информации на них не является настолько наглядным, как, например, на светодиодной линейке. Вторая задача, поставленная при разработке этого устройства, — это сигнализация о предельных значениях параметров питающей сети. Кроме того, опыт использования заводских «отсекателей», которые автоматически отключают потребителя при выходе напряжения сети за установленные границы, показал недопустимость их использования при частых и непродолжительных скачках сетевого напряжения. Поэтому, имея опыт программирования микроконтроллеров, автор разработал и изготовил устройство, позволяющее с наименьшими затратами и при минимальном вмешательстве в проводку реализовать следующие функции:
- контроль и наглядную светодиодную индикацию уровня напряжения питающей сети;
- контроль и наглядную светодиодную индикацию уровня тока, потребляемого из сети;
- звуковую сигнализацию при выходе уровня сетевого напряжения или тока за установленные границы.
Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис.1. Основа устройства – недорогой микроконтроллер (МК) DD1 типа PIC16F676. К нему подключены две светодиодные линейки HL1-HL12 для индикации уровня тока в сети и HL13-HL18 для индикации уровня сетевого напряжения. Светодиоды в линейках подключены по схеме мультиплексирования методом Чарли Алена.
Измерение уровней напряжения и тока осуществляется с помощью встроенного в МК PIC16F676 10-разрядного АЦП. Сетевое напряжение через однополупериодный выпрямитель на диоде VD4 подается на входной делитель R13R11 и фильтр R14C6. Измерение тока в сети реализовано с использованием самодельного трансформатора тока Т1. Сигнал с вторичной обмотки трансформатора тока, нагруженной на резистор R2, подается на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1.1. С его помощью осуществляется усиление и выпрямление входного синусоидального сигнала. Затем выпрямительный сигнал подается на повторитель DA1.2 и фильтрирующую цепочку R1C1. Выпрямленные и нормализованные сигналы уровней напряжения и тока подаются на входы RA0 и RA1 МК.
Питание МК от сети 220 В бестрансформаторное с балластным конденсатором С5. Выпрямление питающего напряжения осуществляется однополупериодным выпрямителем на диодах VD1, VD2. Такая неэкономичная схема использована для сохранения общего провода в цепях питания измерения. Выпрямленное напряжение поступает на параметрический стабилизатор VD3, C3, обеспечивающий напряжение 9 В для питания операционных усилителей, которое поступает также на интегральный стабилизатор DA2 с фильтрующими конденсаторами С4, С5 для получения напряжения 5 В (питание микроконтроллера).
Устройство содержит звуковой сигнализатор на элементах BA1, VT1, R7, R10 и кнопку SA1 с обвязкой R12, R15, о назначении которой будет сказано ниже.
Работает устройство следующим образом. После подачи питания на МК производится его инициализация и подача короткого звукового сигнала. Динамическая индикация производится в цикле прерывания по таймеру Т0. Частота обновления светодиодных линеек составляет 83,3Гц, что обеспечивает хорошее их восприятие. Затем каждые полсекунды производится измерение уровней напряжения и тока, сравнение их с константами и установкой флагов, соответствующих включению требуемых светодиодов линеек.
Если результат измерений превысил заданные константами критические значения напряжения или тока, то включается звуковой сигнализатор частотой 2 кГц. Для лучшего восприятия сигнал сделан прерывистым. Частота модуляции сигнала составляет 4 Гц. Подача сигнала продолжается до тех пор, пока уровни напряжения/тока не нормализуются. Нажав кнопку SB1, можно отключить подачу сигнала. Повторное нажатие на кнопку SB1 или сброс МК приведет к восстановлению работоспособности звуковой сигнализации.
Для измерения уровней напряжения и тока в процессе наладки устройства в программу введен сервисный режим. Для входа в него необходимо включить устройство в сеть при нажатой кнопке SB1. В этом режиме на светодиодные линейки в двоичном коде выводится результат измерения следующим образом. 8-битный результат измерения напряжения выводится на светодиоды HL1, HL2, HL13- HL18, при этом HL18 соответствует биту 0, HL13 – биту 5, HL1 – биту 6, HL2 – биту 7 байта результата. 10-битный результат измерения тока выводится на светодиоды HL3- HL12, при этом HL3 соответствует биту 0, а HL10 – биту 7 младшего байта результата, а HL11, HL12 – соответственно битам 0 и 1 старшего байта результата. Зажженный светодиод соответствует лог. «1», а погашенный – лог. «0».
Конструкция и детали
За исключением трансформатора тока все элементы устройства собраны на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 71х34 мм. Чертеж печатной платы показан на рис.2, расположение элементов со стороны печатного монтажа – на рис.3, а со стороны установки – на рис.4. Следует отметить, что кнопка SB1 и светодиоды линеек запаивают со стороны печатного монтажа для возможности крепления платы к передней панели.
В конструкции использованы круглые светодиоды диаметром 3 мм. Для наглядности индикации рекомендуется использовать светодиоды разного цвета. Автор использовал три вида светодиодов: HL1- HL4, HL18 – зеленые, HL5- HL8, HL14- HL17 – оранжевые и HL9- HL13 – красные.
Резисторы для поверхностного монтажа были использованы тех типоразмеров, которые имелись в наличии: 1206 и 0805.
Звуковой сигнализатор взят из неисправного китайского будильника. Особых требований к используемым радиокомпонентам не предъявляется.
В качестве трансформатора тока был использован малогабаритный силовой трансформатор мощностью около 1 Вт от китайского радиоприемника, в котором сгорела первичная обмотка. Сгоревшая обмотка была удалена и на ее место пропущен один неполный виток фазного провода. Вторичная обмотка трансформатора, по паспорту имеющая параметры 3 В/300 мА, была использована без изменений.
Сборка и наладка
Рекомендуется собирать устройство поэтапно с проверкой работы каждого функционального узла. Сначала собирают цепи питания +9 В и +5 В. Далее запаивают элементы измерительных цепей и проверяют напряжения, приходящие на выводы 12 и 13 МК, которые не должны превышать 3 В. Затем устанавливают все остальные элементы за исключением резисторов R2 и R7. Предварительно прошитый МК вставляют в панель и временно подключают резистор R7 указанного номинала и включают устройство в сеть. Если устройство не запускается, а звуковой сигнализатор издает щелчки, значит, необходимо увеличить сопротивление резистора R7 и добиться нормального запуска устройства при минимальном значении напряжения сети. При удачном запуске МК, звуковой сигнализатор издает трехтональный сигнал, и на светодиодной линейке индикатора напряжения должен загореться как минимум светодиод HL18.
Для наладки измерительных цепей устройства понадобится ЛАТР, а также возможность создать и измерить требуемый максимальный контролируемый ток в нагрузке. Исключительно расчетным методом, к сожалению, не обойтись, так как многое зависит от параметров используемого трансформатора тока, передаточная характеристика которого может оказаться очень нелинейной именно на больших токах.
Наладка канала измерения напряжения довольно проста. Номиналы элементов делителя R11R13 можно оставить такими, как указаны на схеме. Подключив устройство к ЛАТРу и войдя в сервисный режим, следует записать отображаемый светодиодами в двоичном виде результат измерения напряжения в контрольных точках: 180 В (нижняя допустимая граница напряжения сети), 200 В, 210 В, 220 В, 230 В, 240 В, 250 В, 260 В (верхняя допустимая граница напряжения сети). Затем следует перевести результаты измерения в шестнадцатеричный вид, например, с помощью Windows-калькулятора и внести эти константы в первых 8 ячеек EEPROM контроллера (или вписать их в таблицу, расположенную в конце файла «220_indr.h», и перекомпилировать программу).
Для наладки канала измерения тока сначала следует подобрать сопротивление нагрузочного резистора R2. Это делают независимо от схемы устройства. При максимальном контролируемом токе в первичной обмотке ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора, при этом падение напряжения на резисторе R2 должно находится в пределах 0,5…0,8 В. Если добиться таких параметров не удастся, то следует перемотать вторичную обмотку более толстым проводом или же смотать имеющуюся обмотку и намотать ее тем же проводом, но сложенным вдвое-втрое.
После чего трансформатор тока подключают к схеме. Следующей задачей является настройка коэффициента усиления ОУ DA1.1 подстроечным резистором R4. При этом МК в панельку не устанавливают, а выходное напряжение усилителя контролируют на выводе 12 МК цифровым вольтметром. Подключив питание устройства и пропустив через токовую обмотку Т! максимальный тока, добиваются получения в контролируемой точке напряжения 2,5…3 В.
Определение и запись в МК констант, соответствующих уровням тока в точках, соответствующих зажиганию очередного светодиода токовой линейки, производят с помощью сервисного режима по ранее описанной методике. Всего предусмотрено 13 токовых констант: 12 соответствующих зажиганию 12 светодиодов линейки и 13-я – предел включения звуковой сигнализации. Токовые константы записывают в ячейки EEPROM сразу за константами напряжения, причем сначала идет старший байт константы, который может принимать значения от 00 до 03, а затем младший байт. Автор использовал следующий ряд отображаемых токов: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25 А и звуковая сигнализация при достижении тока 30 А.
Следует отметить, что устройство гальванически связано с сетью, поэтому при его наладке необходимо соблюдать требования безопасности и по возможности питать через разделительный трансформатор.
Источник: Радиоаматор №7-8, 2014
Автор: Дмитрий Карелов, г. Кривой Рог.
