2 Instrument Multifunctional Cu Uc

7/23/2019 2 Instrument Multifunctional Cu Uc

1/8

Traian erban Instrumentaie numericde msurare Lucrri practice de laborator

Studiul unui instrument multifuncional cu microcontroler

Obiectivul lucrrii

Studiul structurii hardware i al funcionrii unui instrument multifuncional cu microcontroler

pentru msurarea tensiunii, curentului, puterilor i temperaturilor utiliznd traductoare rezistive

i generatoare.

Schema bloc a sistemului de msurare

Instrumentul multifuncional are un canal de curent, cu doudomenii de msurare: In1= 2,5A i

In2 = 25A, unul de tensiune cu domeniul nominal UN= 500Vca, i doude temperatur: unul

pentru senzor rezistiv (termorezisten) cu domeniul nominal nTR= (-50...450)oC i unul pentru

senzor semiconductor de temperaturcu domeniul nominal nSST= (-40...100)oC.


2/8


Mrimile afiate sunt cele msurate direct i cele calculate: puterea activ, puterea reactiv,

puterea aparent, defazajul i factorul de putere. Mrimile care se afieaz pe LCD-ul

alfanumeric 2x16 caractere sunt eligibile prin intermediul meniului interfeei utilizator.

Traductorul de curent

Varianta aleas este cea cu senzor Hall n varianta n bucl nchis.Tensiunea de ieire a

senzorului Hall este preluat, amplificat i convertit n curent cu care se alimenteaz o

nfurare cu mai multe spire dispus pe miezul feromagnetic al senzorului. Fluxul magnetic

produs de conductorul n care se msoar curentul este contracarat de fluxul magnetic al

nfurrii astfel ctraductorul de curent funcioneazla flux nul. Mrimea curentului injectat n

nfurarea secundar este msura curentului primar care trebuie msurat. nfurarea

secundar este nseriat (prin terminalul de ieire) cu rezistena de sarcin. Se obine astfel

conversia curent-tensiune. Ieirea senzorului fiind n curent, rezistena de sarcinpoate fi plasat

n imediata vecintate a intrrii circuitului de condiionare analogic a semnalului, eliminnd

astfel o mare parte din tensiunea de zgomot produs prin cuplajele parazite de tip inductiv i

capacitiv.

Traductorul de tensiune

Traductorul de tensiune utilizat este unul cu senzor Hall, asigurnd instrumentului izolare

galvanicfade circuitul care furnizeaztensiunea msurat.

Structura intern[ a senzorilor de tensiune este aceea]i cu cea a senzorilor de curent, cu deosebirea

cnfurarea primarare mult mai multe spire, permind scderea curentului nominal pnla

valori compatibile cu intrrile de tensiune. n cazul particular al acestei aplicaii, curentul

nominal al traductorului este I1n=10mA.

Adaptorul pentru termorezisten

Informaia de temperatur de la termorezisten se obine prin alimentarea acesteia n curent

constant. Purttoarea informaiei de temperatur este cderea de tensiune pe termorezisten,

obinut prin injectarea unui curent calibrat. Pentru a msura temperatura n grade Celsius,

trebuie inut cont cla 0oC rezistena termorezistenei are o valoare nenul, ceea ce conduce la o

cdere de tensiune diferit de zero. Aceast cdere de tensiune trebuie sczut din valorile

curente ale cderii de tensiune pe termorezisten, prin intermediul unui amplificator diferenial.

n concluzie, modulele funcionale care alctuiesc adaptorul pentru termorezistensunt: sursa de


3/8


curent calibrat, amplificatorul diferenial i sursa de tensiune de referinpentru scalarea n grade

Celsius.

Schema adaptorului pentru termorezisteneste reprezentatmai jos:

Din foaia de catalog a termorezistenei PT 100 rezult:- valoarea rezistenei la temperatura minim impus n tema de proiectare (-50

oC):

Rmin= 80,25 / -50C;

- valoarea rezistenei la temperatura maxim impus in tema de proiectare (+450oC):

Rmax= 264,14 / +450C;- variaia total a rezisten\ei n domeniul de msurare:

R = 183,89 .

Din considerente practice s-a ales o valoare a curentului prin termorezistenta PT100:Icc= 4,17 mA

Adaptorul pentru senzor semiconductor de temperatur

Senzorul semiconductor de temperatureste destinat msurrii cu precizie a temperaturilor

relativ mici, n domeniul -50... 150oC. Unii senzori semiconductori au ieire n curent, alii n

tensiune. Unii au mrimea de ieire proporionalcu temperatura absolut(PTAT) alii cu

temperatura pe scara Celsius (PTCT). Senzorul utilizat de instrumentul multifuincional este

PTAT cu ieire n tensiune, necesitnd, pentru afiarea temperaturii n grade Celsius, decalarea

nivelului tensiunii de ieire cu valoarea corespunztoare pentru 0oC. Acest lucru este realizat

prin utilizarea uni amplificator diferenial (figura de mai jos).Caracteristica de ieire a senzorului LM35 fiind de 10mV/C, tensiunea de ieire din acesta, la

temperatura maxim msurabilde 150C este de 1500mV. La valoarea maxima temperaturii

msurabile, tensiunea de intrare n convertorul analog numeric trebuie sfie egalcu tensiunea

de capt de scal5,115V, ceea ce impune amplificarea:

Au = 5.115/1,5 = 3,41


4/8


Conversia RMS-DC

Pentru msurarea valorilor efective ale curentului i tensiunii s-a recurs la conversia c.a.-c.c. cu

convertoare de valoare efectivadevratpe canalele de curent i de tensiune. Aceastconversie

poate fi realizatprin intermediul circuitelor dedicate convertoarele RMS-DC.

AD636 este un circuit integrat analogic specializat pentru conversia valorii efective (true RMS) a

semnalului alternativ de intrare n tensiune continu. Valoarea true RMS n traducere -

valoare efectiv adevrat, semnific valoarea efectiv obinut prin calcul conform definiiei

matematice: integrala pe o perioad a ptratului valorii instantanee. Termenul adevrat

subliniazdiferena valorii efective calculate conform definiiei fade valoarea efectivobinut

din valoarea medie prin scalarea cu factorul de form, care este valabil numai n regimsinusoidal sau corespunztor unei forme de undcu factor de formcunoscut i constant.

Pentru AD636 singura componentexterncriticeste condensatorul de integrare, care trebuie

s fie de nalt calitate. Semnalul de ieire (tensiune continu) poate fi filtrat suplimentar

utiliznd un etaj-tampon (buffer) pentru minimizarea ripple-ului (ondulaiei) tensiunii de ieire.

n plus, pe lngfuncia de filtru, buffer-ul are o impedande ieire suficient de micpentru a

putea furniza un curent maxim de ieire de circa 5mA.

AD636 poate funciona ntr-un domeniu larg de tensiuni de alimentare, att unipolare (+5V pn

la +24V) ct i bipolare (2,5V... 16,5V).Convertoarele RMS_DC sunt realizate conform schemei de mai jos:


5/8


Seciunea numericControlul funciilor multimetrului este realizat cu un microcontroller pe 8 bii fabricat n

tehnologie CMOS, de tip PCB80C552 , derivat din familia 80C51.

Circuitul 80C552 include:

- memorie RAM staticinternde 256 x 8 care poate fi cititi scris

- cinci porturi bidirecionale de 8 bii

- un port de intrare de 8 bii

- dounumrtoare/timer-e de 16 bii

- un timer adiional pe 16 bii pentru achiziii de date- un controller de ntreruperi cu 15 linii structurate pe 2 niveluri

- un convertor analog numeric ADC pe 10 bii cu 8 intrri analogice multiplexate

- douieiri DAC modulate n limea impulsului ( PWM)

- douinterfee seriale full duplex (UART i I2C-bus)

- un timer "watchdog"

- un oscilator de ceas intern cu 3 intervale de frecven: 1,216 MHz ; 1,224 MHz; 1,230

MHz

Microcontrolerul 80C552 poate fi interfaat cu circuite standard TTL i are 2 moduri de lucru

economice: "idle mode i power-down mode".

Microcontroller-ul funcioneazi ca procesor aritmetic putnd opera cu numere binare n format

de octet sau la nivel de bit, avnd 49 de instruciuni de un octet, 45 de doi octei i 17 de trei

octei. La frecvena de ceas de 16MHz (24 MHz), 58% dintre instruciuni se executn 0,75s

(0,5s) iar 40% n 1,5s (1s). Instruciunile de nmulire i de mprire necesitcte 3s (2s).


6/8


Structura interna microcontrolerului PCB80C552

Portul P5 este port de intrare pentru ADC, dar poate fi folosit i ca port de intrare de date pentrusemnale cu nivele TTL. Toate celelalte porturi sunt bidirecionale.

Consumul de curent al circuitului este maxim 30mA la 11MHz i 5Vcc, scznd mult n oricare

din cele doumoduri de lucru economice. Frecvena de rezonana cristalului de cuarutilizat la

circuitul de ceas determin ratele de transfer pentru comunicaia intern i pentru interfaa

serial. Pentru usurina obinerii ratelor standard de transfer pe linia serial s-a ales frecvena

ceasului de 11,0592MHz.

Structura componentei software a instrumentului multifuncionalProgramul dupcare funcioneazmicrocontrolerul conine urmtoarele seciuni:

1. Declaraii iniiale

2.

Programul principal

3. Tabelul de valori cos

4. Tabelul de conversie cos

5.

Mesaje pe display-ul alfanumeric


7/8


6. Tratarea ntreruperilor

7.

Msurarea tensiunii i curentului, puterii active i reactive

8.

Afiarea puterii aparente

9. Afiarea puterii active

10.

Afiarea puterii reactive11.

Afiarea coninutului contoarelor de energie activi energie reactiv

12.

Msurarea i afiarea temperaturii cu traductor PT100

13.Msurarea i afiarea temperaturii cu traductor LM35

14.Afiarea tensiunii i curentului

15.

Calculul cos, sin

16.

Rutina de scanare a celor 4 taste de comand

17.

Rutine pentru afiare pe display

18.

Rutine aritmetice pentru calculul unor mrimi afiate

Modul de lucru

Se realizeazun montaj simplu care va include sursa de energie, instrumentul multifuncional, un

consumator i o sursde cldur(figura de mai jos).

Pentru verificarea preciziei instrumentului, n serie cu sarcina i cu circuitul de curent se vor

monta un ampermetru numeric i circuitul de curent al unui wattmetru, iar n paralel cu sarcina icu intrarea de tensiune vor fi montate un voltmetru numeric i circuitul de tensiune al aceluiai

wattmetru. Din indicaiile instrumentelor se vor trage concluzii referitoare la precizia msurrii

cu instrumentul multifuncional. Pentru aceasta instrumentele alese vor trebui s ndeplineasc

toate condiiile de instrumente etalon fade instrumentul multifuncional.


8/8


Indicaiile instrumentelor dedicate (ampermetru, voltmetru, wattmetru) vor fi considerate de

referin, ca valori adevrate, iar indicaiile instrumentului multifuncional ca valori msurate ale

curentului, tensiunii i puterii.

Pentru verificarea indicaiilor de temperatur, indicaiile instrumentului multifuncional vor fi

comparate cu cele ale termometrelor numerice incluse n multimetrele numerice PROTEK sauMETRAHIT.

Tabelul de date

Nr.

det.

UDMM

(V)

UV

(V)

U

(%)

IDMM

(A)

IA

(A)

I

(%)

PDMM

(W)

PW

(W)

P

(%)

DMM

(oC)

ref

(oC)

(%)

Obs.

ntrebri

1.

Ce mrimi msoarinstrumentul multifuncional ?

2.

Ce domenii de msurare are instrumentul multifuncional ?

3. Care sunt modulele componente ale instrumentului multifuncional ?

4. Ce traductoare utilizeazinstrumentul multifuncional studiat ?

5. Ce adaptoare include instrumentul ?

6.

Ce structurare seciunea numerica instrumentului ?

7.

Ce concluzii rezult din analiza datelor experimentale referitoare la precizia

instrumentului ?

2 Instrument Multifunctional Cu Uc

Documents

Transcript of 2 Instrument Multifunctional Cu Uc