Ваттметр на ардуино уно и датчике тока SCT-013

Инструмент сможет измерять значение тока переменного напряжения для одной конкретной нагрузки. На основании полученных результатов рассчитать значение мощности и вывести на ЖК-дисплей.

Необходимые компоненты

1. Arduino UNO
2. Датчик тока SCT 013
3. ЖК-дисплей 16х2 с клавиатурой (LCD Keypad Shield)
4. Макетная плата
5. Электролитический конденсатор 10 мкФ
6. Резистор 100 Ом (2 шт.)
7. Резистор 33 Ом

Теория

Ваттметр — это прибор, который измеряет электрическую мощность. Сам ваттметр можно разделить  на два вида: аналоговый и цифровой. Аналоговые ваттметры работают по электродинамическому принципу. Но нам интересен цифровой ваттметр, принцип работы которого заключается в использовании датчиков. Датчик или датчики получают некоторые выборочные значения, затем эти результаты обрабатываться с помощью микроконтроллера и выводятся на устройства ввода/вывода.

В цифровом ваттметре, как правило, используются два датчика, которые вычисляют  действующее значение тока (RMS current) и значение действующего напряжения (RMS voltage). Мощность рассчитывается путем перемножения этих двух значений ( напряжение (U) × ток (I) ). Датчики, используемые для измерения напряжения и тока, используют трансформатор ТT (трансформатор тока) и трансформатор ТН (трансформатор напряжения).

В нашем случае, трансформатор ТT модуля SCT-013 имеет только одну обмотку с ферритовым сердечником, через которую пропускается измерительный провод (сечением не более 13мм). Выходной сигнал с датчика тока пропорционален протекающему току через провод.

Разновидности датчика тока SCT-013

Существуют 10 моделей датчика SCT-013.

Модель SCT-013-000 отличается от всех остальных типом выходного сигнала: это токовый сигнал от 0 до 50 миллиАмпер. При максимальном выходном сигнале в 50 мА в измерительном проводе протекает ток в 100 А.

У остальных моделей выходной сигнал составляет от 0 до 1 Вольта. Различаются они только максимальным измеряемым значением тока: 5А; 10А; 15А; 20А; 25А; 30А; 50А; 60А; 100А.

Характеристики датчика

Принципиальная схема

Arduino — это аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом, которое можно использовать в качестве микроконтроллера, способного выполнять введенные в него команды. Arduino uno — один из распространенных типов плат.

Сама плата Arduino имеет чип типа ATmega 328, где и хранятся инструкции для работы (программный код). Контроллер имеет 8-битную архитектуру. Arduino поможет в обработке аналоговых данных с датчика в цифровую форму. Для этого этого используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Получив цифровые данные, программа рассчитает значение мощности с помощью формулы.

Библиотека EmonLib является одной из библиотек, используемых для проектирования ваттметра. В библиотеке предоставлена функция, которая вычислит величину среднеквадратичного значения тока. Функции нужно передать величину выборки, которую вы хотите использовать для получения значения величины тока.

В этом ваттметре используется только датчик, который предназначен для измерения тока. После измерения полученный ток можно умножить на напряжение 220 вольт, чтобы получить значение потребляемой мощности.

В библиотеке EmonLib (Energy Monitor) также есть своя собственная калибровка, которую при необходимости можно выполнить, зная используемый нагрузочный резистор.

Описание подключения

1. Подключите ЖК-экран с клавиатурой к Arduino Uno.
2. Подключите датчик SCT-013 к цепи фильтра, состоящего из делителя напряжения (двух резисторов на 100 Ом), из резистора 33 Ом и конденсатора 10 мкФ.
3. Конденсатор подключается между землей и выходом с делителя напряжения, а резистор 33 Ом подключается параллельно датчику тока, один из контактов датчика подключается к аналоговому входу А1 ардуино уно, рисунок 2.
4. Загрузите приведенный ниже код в Arduino с помощью Arduino IDE.

#include <LiquidCrystal.h>             // Подключение библиотеки для работы с ЖК-дисплея
#include <EmonLib.h>                   // Подключение библиотеки для работы с датчиком тока
EnergyMonitor emon1;                   // Создание экземпляра класса для работы с датчиком

int peakPower = 0;                     // Переменная для хранения пиковой мощности
double kilo = 0;                       // Переменная для хранения потребляемой мощности
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);   // Создание экземпляра класса для работы с дисплеем

void setup()
{  
  Serial.begin(9600);           // Инициализация последовательного порта
  lcd.begin(16,2);              // Инициализация дисплея (2 строки по 16 символов)
  lcd.clear();                  // Очистка дисплея
  lcd.setCursor(0,0);           // Установка курсора на первую строку и первый символ
  lcd.print("Start . . .");
  emon1.current(1,1);           // Ток: пин датчика, калибровочный коэффициент.
}

void loop()
{
  double RMSCurrent = emon1.calcIrms(2500);    // Получение текущего значения тока с датчика
  double cur = 0.92513*RMSCurrent + 0.02799;  // Расчет текущего значения тока
  int RMSPower = 220*cur;                     // Расчет текущего значения мощности    
  if (RMSPower > peakPower)                    // Определение пиковая ли мощность
  {
    peakPower = RMSPower;                      
  }
  kilo = kilo + (RMSPower * (2.05/60/60/1000));// Добавляем текущую мощность к общему значение
  delay (10);
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,0);           // Вывод в порт значений
  lcd.print(cur);
  lcd.print("A");
  lcd.setCursor(10,0);
  lcd.print(RMSPower);
  lcd.print("W");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print(kilo);
  lcd.print("kWh");
  lcd.setCursor(10,1);
  lcd.print(peakPower);
  lcd.print("W");
  Serial.println(RMSCurrent);
  Serial.println(kilo);
  Serial.println(peakPower);
  Serial.println(RMSPower);
  Serial.println(" ");
}