Прибор для регистрации медленных изменений напряжения в сети

В статье предлагается конструкция прибора способного вести длительную регистрацию медленных изменений действующего напряжения в бытовой электросети. Прибор выполнен на основе аппаратной платформы Arduino, собранные данные сохраняются на MicroSD карту.

ВНИМАНИЕ! В приборе присутствует опасное для жизни напряжение, какие-либо манипуляции с устройством, можно проводить, только обеспечив видимый разрыв с электрической сетью.

Стабильность напряжения в бытовой электросети важна для надежной работы многих электроприборов. Однако далеко не всегда значение напряжения отвечает всем необходимым стандартам, особенно если электросети протяженные, их оборудование устарело, а качество обслуживания вызывает вопросы. В таких условиях потребителю стоит задуматься о приобретении стабилизаторов или источников бесперебойного питания. Однако такое оборудование стоит довольно дорого и перед его покупкой стоит произвести мониторинг изменений напряжения в сети. В простейшем случае для такого мониторинга достаточно относительно точного мультиметра и блокнота [1], но проведение такого рода измерений в ручном режиме отнимет много времени, а значит собрать по настоящему исчерпывающую информацию будет непросто. Предлагаемый автором прибор по сути и представляет такой автоматизированный вольтметр с запоминающим устройством, который дает возможность собрать минимальную информацию о качестве электропитания, когда использование профессиональных вольтамперфазометров неоправданно.

Основой прибора является плата MassDuino UNO, которая в целом аналогична Arduino UNO, но имеет ряд заметных отличий [2], самым важным из которых в данном случае является 12-разрядный АЦП вместо 10-разрядного у Arduino UNO [3]. В цепь питания установлен предохранитель FU1, рассчитанный на ток 200 мА. Питание платы осуществляется от исследуемой электросети через понижающий трансформатор T1 230/12 В с номинально допустимым током второй обмотки 500 мА. Ко вторичной обмотке T1 подключен диодный мост VD1 типа RS205. Для сглаживания пульсаций предусмотрен LC-фильтр, собранный на готовом дросселе L1 с индуктивностью примерно 300 мГн и батарее фильтрующих конденсаторов C1-C2 типа К50-24 емкостью 10000 мкФ, рассчитанных на напряжение 16В. Питание подается на плату MassDuino UNO через контакт Vin, который предназначен для питания платы от внешнего нестабилизированного источника. Модуль для MicroSD карты питается от стабилизатора платы MassDuino UNO, для работы с этим модулем задействованы 4, 11, 12 и 13 цифровые порты MassDuino UNO. Так как у платы MassDuino UNO каждый контакт представляет собой параллельно включенные гнездо и штыревой контакт, то модуль для работы с MicroSD картой подключен при помощи шестипроводного шлейфа без применения пайки. Трансформатор T2 служит для измерения напряжения сети, это понижающий трансформатор 230/10 В с номинально допустимым током второй обмотки 300 мА. Ко вторичной обмотке T2 подключен диодный мост VD2 типа RS605. Для сглаживания пульсаций предусмотрен LC-фильтр, собранный на готовом дросселе L2 с индуктивностью примерно 30 мГн и пленочных конденсаторах C3-C4 типа К73-17 емкостью 470 нФ, рассчитанных на напряжение 63В. Конденсатор C5 типа К10-7в имеет емкость 47 нФ и рассчитан на напряжение 50 В. Напряжение на этих конденсаторах составляет около 8 В, при этом АЦП MassDuino UNO может работать с напряжением в диапазоне 0-5 В, поэтому измеряемое напряжение подается на делитель, собранный на прецизионных резисторах R1-R4 типа ПТМН-0,5 сопротивлением 10 кОм. Одно плечо делителя образовано резистором R1, а другое тремя параллельно включенными резисторами R3-R4, т. о. на порт A0 платы MassDuino UNO поступает напряжение около 2 В. Так, как в цепи вторичной обмотки трансформатора T2 отсутствуют конденсаторы большой емкости или стабилизаторы напряжения, то изменение напряжения на порту A0 относительно быстро меняется вслед за изменением напряжения в питающей сети, т. о. измерив напряжение на выводе A0 можно сравнительно просто определить действующее значение напряжения в сети. Конденсатор C6 типа КТК емкостью 300 пФ располагается рядом с резисторами R1-R4 делителя и призван уменьшить возможные наводки возникающие в измерительной цепи.

Устройство собрано в корпусе старого компьютерного блока питания стандарта AT (для любителей ретрокомпьютеров отмечу, что данный блок попал ко мне уже в частично разукомплектованном и полностью нерабочем состоянии), при этом его штатный разъем питания типа AC-016 оставлен на месте, а все остальное содержимое удалено.

На месте разъема типа PX0675/63 расположена пластина с держателем типа ДП1ЦМ для предохранителя FU1.

Трансформаторы T1 и T2 закреплены в корпусе при помощи хомутов из металлической перфорированной ленты. Диодный мост VD1 и конденсаторы C1-C2, размещены на самодельной печатной плате.

В измерительной цепи диодный мост VD2 размещен на его штатном радиаторе. Радиатор непосредственно прикреплен к корпусу. Разумеется, этот радиатор избыточен, но он дает возможность надежно закрепить диодный мост VD2 и не оставляет ни какой возможности того, что протекающего по нему ток вызовет нагрев этого электронного компонента, который теоретически может привести к изменению параметров диодного моста VD2. Плата с дросселем L2 и конденсаторами C3, C4, C5 взята готовая из старого блока питания, она крепится к корпусу при помощи мебельного уголка МК 16х16х12 мм. Делитель напряжения на резисторах R1-R4 собран на самодельной плате. Также на этой же плате находится конденсатор C6.

Плата делителя напряжения, плата MassDuino UNO и модуль для MicroSD карты размещены на фигурной пластине, вырезанной из органического стекла толщиной 5 мм.

Модуль для работы с MicroSD картой размещен перпендикулярно крепежной пластине, так, чтобы разъем для MicroSD карты располагался напротив отверстия, которое в корпусе блока питания служило для вывода проводов питания. Это позволяет вынимать MicroSD карту без снятия крышки корпуса.

Для надежного крепления этого модуля была изготовлена отдельная прямоугольная крепежная пластина из органического стекла толщиной 5 мм, к основной крепежной пластине она фиксируется при помощи пары мебельных уголков МК 16х16х12 мм.

В общем виде алгоритм работы прибора довольно прост: при подаче питания проверяется наличие MicroSD карты, а затем через равные промежутки времени производится измерение напряжения питающей сети, а на MicroSD карту записываются результаты измерения.

/*
На основе кода из примера
  SD card datalogger
   created  24 Nov 2010
 modified 9 Apr 2012
 by Tom Igoe
  
 The circuit:
 * SD card attached to SPI bus as follows:
 ** MOSI - pin 11
 ** MISO - pin 12
 ** CLK - pin 13
 ** CS - pin 4
*/
              
// voltmetr
// Цифровой вольтметр


#include <SPI.h>
#include <SD.h>
#include <TimerOne.h>

const int chipSelect = 4;
const int dt = 10; //задержка во времени, предназначенная ограничить запись измерений на SD карту одним измерением в секунду
int sensor; //переменная для хранения результата, считанного с АЦП
int vA=0; // переменная для хранения значения считанного с порта А0
int portA=0; // входное напряжение считываем с порта А0

unsigned long k = 0; // счетчик количества измерений
int n = 300; //номер последнего элемента в массиве VL[], счет начинается с 0
int VL[301]; //массив для хранения результатов измерения 
int sort; //вспомогательная переменная для сортировки
int i,j; //счетчики в массивах и циклах

void setup()                     
{
 
  // Open serial communications and wait for port to open:
  Serial.begin(1200);
  while (!Serial) {
    ; // wait for serial port to connect. Needed for Leonardo only
  }
  Serial.print("Initializing SD card...");
  // see if the card is present and can be initialized:
  if (!SD.begin(chipSelect)) {
    Serial.println("Card failed, or not present");
    // don't do anything more:
    return;
  }
  Serial.println("card initialized.");
  
  pinMode(13, OUTPUT); //встроенный светодиод используем для индикации процесса измерения
  
  Timer1.initialize(1000000);
  Timer1.attachInterrupt(Volt);
}

void loop()                      
{
  digitalWrite(13, LOW); // светодиод по умолчанию погашен  
}


void Volt()
{
    digitalWrite(13, HIGH); // светодиод загорается в начале цикла измерения  
     
    String dataString = "";
    String dataString_volt = "";
    String dataString_volt_A = "";
    k = k+1; // счетчик измерений
     
    for (i = 0; i <= n; i = i + 1)  
    {
      sensor = analogRead(portA); // считываем с АЦП значение на основе которого будем рассчитывать напряжение в сети
      VL[i] = sensor-81; // 81 - шумы установки при нулевом напряжении на входе 
    
      //Serial.print(VL[i]);
      //Serial.print(' ');
      
    }
  
    // вывод считанных значений до сортировки (для отладки)
    /*
    for (i = 0; i <= n; i = i + 1) 
    {
      Serial.print(VL[i]);
      Serial.print(' ');
    }
    Serial.println();
    */

    //Сортировка пузырьком
    for (i = 0; i <= n; i = i + 1) 
    {
      for (j = 0; j <= n; j = j + 1) 
      {
        if (VL[i] < VL[j]) 
        {
          sort = VL[i];
          VL[i] = VL[j];
          VL[j] = sort;
        }
      }
    }

    // вывод массива после сортировки (для отладки)
    /*
    for (i = 0; i <= n; i = i + 1) 
    {
       Serial.print(VL[i]);
       Serial.print(' ');
    }
    Serial.println();
    */
    
    // VL[n/2+1] -  медианное среднее, середина отсортированного массива       
    dataString += String(VL[n/2+1]); // получение строки, содержащей значение считанное с АЦП
    dataString_volt_A += String(VL[n/2+1] * 1.221);  // конвертируем показания из аналогового порта в милливольты
    dataString_volt += String(VL[n/2+1]*1.221*0.106); // получение строки, содержащей значение напряжения сети в вольтах 0.106=220/2080, где 220 - напряжение в сети, 2080 - соответствующее сетевому напряжению 220 В напряжение на входе АЦП (в мВ)
     
    // open the file. note that only one file can be open at a time,
    // so you have to close this one before opening another.
    File dataFile = SD.open("datalog.txt", FILE_WRITE);

    // if the file is available, write to it:
    if (dataFile) {
      dataFile.print(k); // запись на SD карту, номера измерения, приблизительно соответствующего одному измерению в секунду
      dataFile.print(" ");
      dataFile.print(dataString); //запись на SD карту результата работы АЦП за вычетом шумов
      dataFile.print(" ");
      dataFile.print(dataString_volt_A); //запись на SD карту результата работы АЦП в милливольтах
      dataFile.print(" ");
      dataFile.println(dataString_volt); //запись на SD карту напряжения расчитанного по результатам работы АЦП
      dataFile.close();
       
      // повторения вывода в последовательный порт (для отладки)
      /*Serial.print(k);
      Serial.print(" ");
      Serial.print(dataString);
      Serial.print(" ");
      Serial.print(dataString_volt_A);
      Serial.print(" ");
      Serial.println(dataString_volt);*/
       
    }
    // if the file isn't open, pop up an error:
    else {
      Serial.println("error opening datalog.txt");
    }    
}

Программа, управляющая устройством, создана в среде Arduino IDE. В начале программы подключаются необходимые сторонние библиотеки, инициализируются переменные и назначаются номера портов для внешних устройств (1-34 строки кода). В строках с 36 по 57 располагается функция setup в которой устанавливается скорость обмена по последовательному порту, проверяется наличие MicroSD карты, инициализируется 13 цифровой порт, к которому подключен встроенный светодиод и устанавливается промежуток времени между прерываниями по таймеру. Следует отметить, что хотя в коде указано, что таймер должен срабатывать каждую секунду, но на деле измерение производится примерно раз в пять секунд. Причины данной аномалии автору не ясны, в любом случае в работе данного прибора важно, чтобы измерения проводились достаточно часто и через равные интервалы времени. В функции loop (59-62 строки) располагается только одна команда на гашение светодиода, подключенного к 13 цифровому порту. Основная часть кода (65-152 строки) это процедура обработки прерывания Volt. В строке 67 дается команда на зажигание светодиода, подключенного к 13 цифровому порту, т. о. по периодическому миганию этого светодиода можно отслеживать работу программы. Команда delay в коде программы не используется, в качестве времени задержки выступает время обработки прерывания. Пока процедура выполняется светится встроенный светодиод платы, когда прерывание обработано светодиод гаснет по команде из функции loop. Так как время обработки прерывания довольно велико, то кратковременную вспышку светодиода можно заметить. В строках 69-71 инициализируются строки которые будут использоваться для записи на MicroSD карту, в строке 72 располагается счетчик общего количества измерений, проведенных с момента подачи питания или последней перезагрузки. В строках 74-82 расположен цикл в котором происходит опрос порта A0 и заполнение массива VL, который, затем используется для вычисления среднего значения. В строках 84-92 размещен цикл для вывода через последовательный порт необработанных результатов измерений, эта часть кода необходима только на этапе отладки. В строках 94-106 расположен алгоритм для сортировки массива VL методом пузырька [4, 5, 6]. В строках 108-116 размещен цикл для вывода через последовательный порт отсортированного массива VL, эта часть кода также нужна только на этапе отладки. В отсортированном массиве средний элемент представляет собой медианное среднее по данной выборке измерений [7]. Для дальнейших вычислении будем использовать медианное среднее. В строке 119 в dataString помещаем это медианное среднее, в строке 120 в dataString_volt_A помещаем результат работы АЦП пересчитанный в милливольты. Значение напряжения на входе АЦП можно измерить вольтметром и сравнить с рассчитанным значением, это полезно при наладке прибора. Автор использовал мультиметр VICTOR 88B [8]. В строке 121 производится расчёт действующего напряжения в электросети. В строке 125 для записи открывается файл на MicroSD карте. В строках 128-151 располагается ветвление, проверяющее можно ли вести запись данных в файл, в котором либо производит запись, либо выдается информацию об ошибке. В строках 129-136 производится запись на MicroSD карту текущего номера измерения, медианного значения выданного АЦП и рассчитанных на его основе напряжений на входе АЦП и действующего значения напряжения в сети. В строках 138-145 производится дублирование вывода в последовательный порт, эта часть кода нужна только при отладке.

Наладка собранного прибора состоит в том, чтобы изменяя константы в строках 77, 120 и 121 добиться того, чтобы в файл записывались значения напряжения, мало отличающиеся от результатов измерения выполненных внешним "эталонным" прибором.

По результатам работы программы на MicroSD карте оказывается сформирован текстовой файл данных, который можно использовать для дальнейшей обработке информации.

На основе этих данных можно построить график изменения напряжения в электросети. Для построения простых графиков хорошо подходит утилита Gnuplot [9, 10], для которой надо написать несложный скрипт.

set terminal png large font arial size 800,600
set grid
unset key
set out "Volt.png" 
plot [:500] [200:250] "DATALOG.TXT" using 1:4 with lines lt 1

pause -1

Результатом работы этого скрипта будет изображение с графиком, где по горизонтальной оси отложено время для первых 500 измерений, а по вертикальной оси отсчитывается измеренное значение напряжения в диапазоне от 300 до 250 В. Для построения графика в файле "DATALOG.TXT" берутся данные из 1 и 4 столбцов. На примере такого графика видно, что согласно показаниям самодельного прибора действующее значение напряжения со временем немного изменяется, но остается в переделах нормы.

Вертикальная линия в начале графика соответствует моменту подачи питания на трансформаторы. Конструкция устройства допускает его питание через разъем microUSB на плате MassDuino UNO, при этом напряжение питания также поступает и на модуль для работы с microSD картой. Таким образом при условии питания регистрирующей части от пауэрбанка можно регистрировать изменения напряжения в самых широких пределах, даже когда напряжение в электросети не будет достаточным для питания данного прибора.