如何利用Arduino構建一個功率計

作為電子愛好者，我們常常依靠一些儀表或儀器來測量和分析電路。從簡單的萬用表到復雜的功率分析儀或DSOs，所有的儀表都有它們自己獨特的用途。這些儀表的大部分都有成品，我們可以根據(jù)特定的需要來購買。有時我們可能會想自己制作一個儀表。例如，當我們準備做一個太陽能光伏項目時，我們想計算負載的功耗，在這種情況下，我們就可以用一個像Arduino這樣的微控制器平臺來構建我們自己的功率計了。

構建自己的功率計不僅可以降低成本，還可以為我們提供更深入了解開發(fā)測試功能的途徑。例如，使用Arduino的功率計可以很容易地調整串口監(jiān)視器上的監(jiān)控結果，可以在串口上繪制圖形，可以添加SD卡在預定義的時間內自動記錄電壓、電流和功率的數(shù)值。

功率計材料清單

Arduino Nano

LM358運放

7805

LCD1602

0.22歐姆2瓦電阻

10k可調電阻

10k，20k，2.2k，1k電阻

0.1uF電容

測試負載

面包板

功率計電路圖

下面是arduino功率計項目的完整電路圖：

為了便于理解，我們把arduino功率計電路被分為兩個部分。電路的上半部分是測量單元，電路的下半部分是計算和顯示單元。該電路測量范圍適合于0-24V，考慮到太陽能光伏電池的規(guī)格，電流為0-1A。電路的基本原理是通過測量負載的電流和電壓，從而計算出負載所消耗的能量，并將測量值顯示在1602顯示器上。

下面，我們再把電路分成多個功能塊進行介紹，這樣我們就能更清楚地了解電路是如何工作的。

測量單元

測量單元包含一個分壓器可以幫助我們測量電壓；一個非反向的運算放大器幫助我們測量通過電路的電流。上述電路的分壓部分如下所示：

這里輸入電壓是由Vcc表示的，就像前面說的，我們正在設計從0到24V的電壓范圍的電路。但是像Arduino這樣的微控制器無法測量如此高的電壓值，它只能測量0-5v的電壓。因此，我們必須將0-24v的電壓（轉換）到0-5v。這因此我們通過使用一個分壓電路來實現(xiàn)，如下所示。10k和2.2k電阻形成了分壓電路，用下面的公式可計算出分壓器的輸出電壓。

Vout = （Vin × R2） / （R1 + R2）

電路圖中標記為Voltage的電壓可以從兩個電阻中間獲得，這個轉換后的電壓就可以被輸入到Arduino的模擬針中。接下來就是電流測量單元，我們知道微控制器只能讀取模擬電壓，所以我們需要將電流的值轉換成電壓。這時，可以通過在電路中添加一個電阻（并聯(lián)）來實現(xiàn)，根據(jù)歐姆定律，它會降低電壓值，這與流過它的電流成正比。這樣獲得的值會非常小，所以我們用一個運算放大器來放大它。電路如下所示：

分流電阻（SR1）的值是0.22歐姆。就像之前說的，我們設計的是0-1A的測量電路，基于歐姆定律，我們可以計算出這個電阻的電壓降，當最大的1A電流通過負載時，它的電壓會在0.2V左右。這個電壓對于微控制器來說是非常小的，我們使用一個運算放大器來將電壓從0.2V放大到到更高。這個放大器的增益是21，所以0.2*21=4.2v。計算運算放大器增益的公式如下所示：

Gain = Vout / Vin = 1 + （Rf / Rin）

在例子中，Rf的值是20k而Rin的值是1k，這樣我們就能獲得21的增益值。然后，將放大器的放大電壓輸入到一個由電阻1k和電容0.1uf組成的的RC濾波電路，過濾掉耦合噪聲。最后，將得到的電壓輸入到Arduino模擬針上。

測量單元最后的部分是電壓調節(jié)電路。由于實際輸入的電壓可能是可變的，而Arduino和運算放大器需要一個穩(wěn)定的+5V來保證正常工作，因此我們用7805穩(wěn)壓模塊并添加一個噪聲電容來進行電壓調節(jié)。電路如下：

計算和顯示單元

在測量單元中，我們將電壓和電流參數(shù)轉換成了0-5v，使之可以用在Arduino模擬輸入上?，F(xiàn)在，我們需要將這些電壓信號與Arduino連接起來，并將1602液晶顯示器連接到Arduino上，這樣我們就可以查看最終結果了。

如上圖所示，Voltage針與Arduino模擬針A3相連，而Current針連接到Arduino模擬針A4，1602液晶顯示器的電源來自于7805輸出的+5 V，同時將1602其它信號針與Arduino的數(shù)字數(shù)字針相連，以4-bit模式工作，同時我們使用了一個電位計（10 k）連接到1602的 Con 針用來調節(jié)LCD的對比度。

Arduino編程部分

硬件部分討論結束后，現(xiàn)在輪到軟件部分了。軟件部分代碼的基本思路是讀取A3和A4上的模擬電壓，并計算電壓、電流和功率值，最后將其顯示在LCD屏幕上。下面我們將代碼分割成小段來解釋。和所有Arduino程序一樣，開始都是定義使用的引腳。在本例中，A3和A4針分別用于測量電壓和電流，數(shù)字針3，4，8，9，10和11用于與Arduino進行交互。

int Read_Voltage = A3;

int Read_Current = A4;

const int rs = 3， en = 4， d4 = 8， d5 = 9， d6 = 10， d7 = 11; //1602 LCD 連接針

LiquidCrystal lcd（rs， en， d4， d5， d6， d7）;

included一個名為“l(fā)iquid crystal”的頭文件。然后setup 函數(shù)中，初始化LCD顯示屏，并將串口顯示文本設置為“Arduino Wattmeter”，然后等待兩秒鐘。代碼如下所示：

void setup（） {

lcd.begin（16， 2）; //Initialise 16*2 LCD

lcd.print（“ Arduino Wattmeter”）;

lcd.setCursor（0， 1）;

lcd.print（“-Circuitdigest”）;

delay（2000）;

lcd.clear（）;

}

在主循環(huán)函數(shù)中，我們使用analogread函數(shù)來讀取A3和A4的電壓值。我們知道Arduino ADC的輸出值是0-1203，因為它有一個10位的ADC，這個值必須被轉換成0-5v，可以通過乘以（5/1023）來完成。在硬件介紹部分，我們已經(jīng)完成從0-24v到0-5v的電壓轉換，以及0-1a到0-5v的轉換。所以現(xiàn)在我們要用一個乘數(shù)把這些值恢復到實際值?？梢酝ㄟ^將其與乘數(shù)值相乘來完成。乘數(shù)的值可以用硬件部分提供的公式來計算，或者如果你已知電壓和電流值，你可以實際計算它。本例遵循了后一種選擇，因為它在現(xiàn)實中往往更準確。所以乘數(shù)的值是6.46和0.239。因此，代碼如下所示：

float Voltage_Value = analogRead（Read_Voltage）;

float Current_Value = analogRead（Read_Current）;

Voltage_Value = Voltage_Value * （5.0/1023.0） * 6.46;

Current_Value = Current_Value * （5.0/1023.0） * 0.239;

如何提高測量精度？

上述計算實際電壓和電流值的方法可以很好地工作。但是也有一個缺點，那就是測量的ADC電壓和實際電壓之間的關系不是線性的，因此得到的結果不會非常精確。為了提高精確度，我們可以用已知的一組值來建立測量的ADC值的集合，然后利用這些數(shù)據(jù)，使用線性回歸方法推導出乘數(shù)方程。一旦我們計算出了實際電壓和實際電流值，我們就可以用公式計算出功率（P=V*I）。然后使用下面的代碼在LCD上顯示這三個值。

lcd.setCursor（0， 0）;

lcd.print（“V=”）; lcd.print（Voltage_Value）;

lcd.print（“ ”）;

lcd.print（“I=”）;lcd.print（Current_Value）;

float Power_Value = Voltage_Value * Current_Value;

lcd.setCursor（0， 1）;

lcd.print（“Power=”）; lcd.print（Power_Value）;

完整測試代碼

/*

 * Wattmeter for Solar PV using Arduino
 * Dated: 2-10-2018
 * Website: www.basemu.com
 * Translation to:circuitdigest.com
 * Power LCD and circuitry from the +5V pin of Arduino whcih is powered via 7805
 * LCD RS -> pin 2
 * LCD EN -> pin 3
 * LCD D4 -> pin 8
 * LCD D5 -> pin 9
 * LCD D6 -> pin 10
 * LCD D7 -> pin 11
 * Potetnital divider to measure voltage -> A3
 * Op-Amp output to measure current -> A4
 */

#include    

int Read_Voltage  = A3;
int Read_Current  = A4;
const int rs = 3, en = 4, d4 = 8, d5 = 9, d6 = 10, d7 = 11; 
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

void setup() {
  lcd.begin(16, 2); 
  lcd.print(" Arduino Wattmeter"); 
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("  With Arduino  "); 
  delay(2000);
  lcd.clear();
}
void loop() { 
 float Voltage_Value = analogRead(Read_Voltage);
 float Current_Value = analogRead(Read_Current);
 Voltage_Value = Voltage_Value * (5.0/1023.0) * 6.46;
 Current_Value = Current_Value * (5.0/1023.0) * 0.239;
 lcd.setCursor(0, 0);
 lcd.print("V="); lcd.print(Voltage_Value); 
 lcd.print("  "); 
 lcd.print("I=");lcd.print(Current_Value);
 float Power_Value = Voltage_Value * Current_Value;
 lcd.setCursor(0, 1);
 lcd.print("Power="); lcd.print(Power_Value); 
delay(200);
}