非接觸式交流功率計開源分享

描述

式傳使用此非接觸感器測量交流電流和功率因數(shù)。它是 Seeed Grove I2C 50/60HZ 交流電流和功率因數(shù)模塊。

對于能源管理項目，我希望有一種簡單的方法來測量交流電流和功率因數(shù)，最好是非接觸式的，可以很容易地連接到設備和移除而無需直接連接到任何高壓電路。

我還想要一個 I2C 模塊，它封裝了所有傳感復雜性并讓我的主 MCU 處理通信。

這個傳感器模塊是我參加Seeed Grove 傳感器共同發(fā)明活動的一部分，這對任何人來說都是一個讓您夢想中的傳感器成為現(xiàn)實的好機會。

有功功率和視在功率

視在、實際和無功功率矢量，維基共享資源，用戶 Wikieditor4321

?

對于交流電源，以瓦特為單位的視在功率就是電壓乘以電流。這是用于計算導線在傳導電流時會發(fā)熱多少的功率。視在功率的單位是 VA，即伏安。

負載使用的實際功率通常小于視在功率，因為??一些功率會被電容或電感電路元件反射。在測量交流電感或電容負載（例如電機或計算機電源）時，以瓦特為單位的實際功率由公式 P = V * I * cos theta 表示。功率的單位通常是瓦特或千瓦。

功率因數(shù)

兩個正弦信號，電壓和電流，電流信號延遲相移 θ

?

Cos θ 也稱為功率因數(shù)，其中 θ 表示電流的相移或延遲。對于感性或容性負載，電流滯后或超前施加的電壓。對于純電阻負載，θ 為 0，因此 cos θ 為 1。對于電感負載，功率因數(shù)通常在 0.8 到 1.0 的范圍內。也就是說，有功功率 [kW] 小于施加電壓乘以電流 [VA]。

對于此傳感器，可以使用非接觸式電流互感器 (CT) 檢測交流電流。感謝一篇關于DIY 非接觸式交流電壓檢測器的 instructables 文章，我了解到可以使用高阻抗數(shù)字邏輯緩沖器以非接觸方式測量交流電壓信號的相位。在音頻方面，這意味著測量電路中的嗡嗡聲。可以測量電壓和電流之間的相位差來計算功率因數(shù)。

I2C 傳感器

我喜歡在我的項目中使用 I2C 傳感器。它們使測量變得容易，它們處理所有的物理、信號調節(jié)、模數(shù)轉換、校準，并提供一個允許輕松訪問數(shù)字化數(shù)據的接口。訪問傳感器的任何代碼都沒有所有這些復雜性。此外，您可以將多個 I2C 傳感器放在同一條 2 線總線上。

我發(fā)現(xiàn) Microchip ATtiny tinyAVR 2 系列非常適合實現(xiàn) I2C 傳感器。它是一款微型 8 位 MCU，具有高級差分 ADC、可編程異步邏輯，并且可以以極低的功耗運行。

閣樓 tinyAVR 2 系列引出線

?

Seeed Studio Grove 傳感器 PCB

簡化示意圖

測量電流互感器的輸出并檢測電壓信號的相位

?

使用差分 ADC，測量電流相對容易，您只需測量電阻兩端的電壓降。對于交流電流，您需要在 50 或 60HZ 周期內對電流進行多次采樣，并計算采樣的均方根平均值。AC 電壓信號的相位可以用連接到高阻抗數(shù)字邏輯緩沖器的天線線測量，該緩沖器是 ATtiny 可配置定制邏輯 (CCL) 外設的一部分。

模塊

?

如何使用模塊

將 100A 50mA CT 夾在載流導線周圍，從而連接它。CT 有一個 3.5mm 插頭。將其連接到插孔。將插孔線與 20 歐姆負載電阻并聯(lián)連接到 B- 和 B+ 端子。如果使用 0-1Vac CT（內置負載電阻），請勿連接 20ohm 負載電阻。

?

?

?

將電源線天線線纏繞到相同的載流電線或電纜上。將其連接到引腳 RX1。不要將電線的導體連接到任何東西，它只是用膠帶粘在絕緣載流電線或電纜上。該天線線感測電壓 (emf)。

?

插入 Grove 連接器并連接到您的 MCU，例如 ESP32。

示例代碼

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include "I2C_AC_Current.h"
AC_Current hct20;
void setup()
{
Serial.begin(115200);
hct20.begin(21,22);  // SDA, SCL. 21,22 for ESP32
}
void loop()
{
hct20.read();
Serial.print("Current: ");
Serial.print(hct20.getCurrent());
Serial.print(" PF: ");
Serial.println(hct20.getPF());
delay(1000);
}

安慰

Current: 1.30 PF: 0.96

如果假設電壓通常是恒定的，則可以計算功率，例如：

const float voltage = 240;
float real_power_watts = voltage * hct20.getCurrent() * hct20.getPF();

傳感器固件

值得慶幸的是，Spence Konde 已經為 ATTiny 2 系列編寫了一個Arduino 內核，這使得編寫傳感器代碼變得更加容易。該內核提供諸如 setup()、loop() 函數(shù)、串行對象、I2C 從 ISR 函數(shù)和用于訪問許多芯片外設的庫等功能。

傳感器固件代碼可以在github 上找到。

setup() 函數(shù)啟動 ADC、I2C 客戶端，并安裝請求和響應回調。

void setup()
{
...
  setupLogic();
  ADC_init();
  Wire.onReceive(receiveHandler);
  Wire.onRequest(requestHandler);
  Wire.begin(SHT2x_ADDRESS);
...
}

邏輯庫設置芯片的自定義可配置邏輯以偵聽 IN2、引腳 PA2 上的電壓信號。

void setupLogic()
{
...
  Logic0.enable = true;               // Enable logic block 0
  Logic0.input0 = in::masked;         // PA0 masked
  Logic0.input1 = in::masked;         // PA1 TX1 masked
  Logic0.input2 = in::pin;            // PA2 RX1 voltage sense
  Logic0.output = out::disable;       // Disable logic block 0 output pin PA4
  Logic0.filter = filter::disable;    // No output filter enabled
  Logic0.truth = 0x01;                // Set truth: HIGH only if input low
  Logic0.edgedetect = edgedetect::enable;    // Enable edge detection
  Logic0.attachInterrupt(&voltageSenseISR,CHANGE);
  Logic0.init();
  // Start the AVR logic hardware
  Logic::start();
}

它在每次級別更改時調用中斷服務例程，每秒發(fā)生 50-60 次。當 ADC 對電流進行采樣時，此中斷會啟動循環(huán)定時器，并在電流下一次過零時存儲迭代次數(shù)。這個數(shù)字在校準時與電壓和電流信號之間的相移成正比。

主 loop() 函數(shù)每秒對當前信號采樣一次，持續(xù) 20 毫秒，并在每個通道上調用 add_sample()。

hardware_fast_sample_chABC(MAX_SAMPLES,chA,chB,chC); // samples for 20ms

add_sample() 函數(shù)在看到下一個電流過零時保存電壓相位計數(shù)。它將每次迭代的當前樣本的平方加到兩個 bin 中，一個 bin 用于 60HZ 信號，另一個 bin 用于剩余的 50HZ 信號。通過檢查哪個 bin 具有平衡信號來選擇正確 bin 的結果。

void add_sample(int16_t diff) {
  _crossguard--;
  _phaseCounter++; // set to zero in ISR
  if(((diff ^ _lastSample) & _crossguard) >> 15) {  
// If crossed unambiguously (one but not both samples negative and crossGuard negative)
    _crossguard = 10;
    if (_phaseTriggered == 1) {  // on first call after phase mark.
      _phaseTriggered++;
      _phaseCount = _phaseCounter;
    }
  } 
  uint32_t sq =  ((uint32_t)diff*(uint32_t)diff);
  if (_tickNum < SAMPLES_PER_60HZ_CYCLE) {
    _sum2_60 += sq;
    _n_60++;
    if (diff >= 0) { _p++; }
    if (diff < 0) { _n++; }
  } else {
    _sum2_e += sq;
    _n_e++;
    if (diff >= 0) { _pe++; }
    if (diff < 0) { _ne++; }
  }
  _tickNum++;
  _lastSample = diff;
  return;
}

在主循環(huán)中，每秒一次，RMS 電流（安培）被縮放并存儲在全局變量中以供 I2C 從 ISR 讀取。

功率因數(shù)也被縮放并存儲在全局變量中。

當檢測到 I2C 請求時，將調用 receiveHandler，并保存請求字節(jié)（命令）。

void receiveHandler(int numbytes)
{
  if (numbytes > 0) {
    // Called on a Write address, data
    g_i2c_command = Wire.read();
  }
}

稍后，調用 requestHandler 并緩沖響應以寫入線路。

void requestHandler()
{
  if ((g_i2c_command == SHT2x_GET_TEMPERATURE_NO_HOLD) ) {
    Wire.write((uint8_t)(g_temperature >> 8));
    Wire.write((uint8_t) g_temperature);
    uint8_t buf[] = { (uint8_t)(g_temperature>>8), (uint8_t) g_temperature };
    Wire.write(sht20_crc8(buf, 2));
  } else if ((g_i2c_command == SHT2x_GET_HUMIDITY_NO_HOLD) ) {
    Wire.write((uint8_t)(g_humidity >> 8));
    Wire.write((uint8_t) g_humidity);
    uint8_t buf[] = { (uint8_t)(g_humidity>>8), (uint8_t) g_humidity };
    Wire.write(sht20_crc8(buf, 2));
  }
}

計劃

未來的計劃是支持 3 個通道，向 I2C 接口添加通道細節(jié)，并降低傳感器功耗。

結論

我期待著使用此模塊通過監(jiān)控各種電力負載來幫助節(jié)省能源。

感謝您的關注，我很樂意聽到任何評論，或者如果您覺得這有用。