[09-2015] Ваттметр-счётчик электроэнергии для электровелосипеда

[poster333]

Ваттметр-счётчик электроэнергии для электровелосипеда

А. НЕФЕДЬЕВ, г. Волгоград

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].

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.

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 "+LU" 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.

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 транзистора BTD1816J3 в стабилизаторе напряжения может служить другой транзистор той же структуры в корпусе ТО-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 80x36 мм, имеющий такое же назначение выводов.

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 Пш1 и Пш2 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 Пш1 и ИШ2 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.

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, ОРА241 или TS507.

Схема подключения ваттметра к аккумуляторной батарее GB1 и нагрузке RH 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).

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 подстроечный 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 подстроечный резистор выпаивают, измеряют его сопротивление и впаивают в плату постоянный резистор такого же сопротивления.

Затем калибруют измеритель тока. В плату вместо резистора R18 впаивают подстроечный многооборотный резистор сопротивлением 2...4,7 кОм. Последовательно с нагрузкой включают точный цифровой амперметр. Подав напряжение питания, добиваются изменением сопротивления подстроечного резистора одинаковых показаний образцового амперметра и налаживаемого прибора. Затем подстроечный 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.

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/measu ring/gtpower_ rc130.html (22.04.15)

3. Сайт русскоязычной поддержки программы Flowcode. — URL: http://flowcode. info/(22.04.15).

4. LCD 16x2 Character LCD Module Black Yellow 5.0V. — URL: http://www.ebay.com/ itm/16x2-1602-16-2-162-Character-LCD-Module - Black - Background - Yellow-Characters-5-0V-/201231583749?pt=LH_ DefaultDomain_0&hash=item2eda564a05 (12.04.15).