Leistungs- und Energiemessgerät
Beschreibung des Leistungs- und Energiemessgeräts, welches ich im Rahmen des Vortrags "Solar-powering your geek gear" entwickelt habe.
Dieses Gerät eignet sich besonders in Zusammenhang mit kleinen Solarpanels.
Einleitung
Hinweis: Der Autor übernimmt keinerlei Haftung für Schäden jeglicher Art, die durch die Durchführung der hier beschriebenen Aktionen entstehen könnten.
Das hier beschriebene Messgerät wurde für Solaranwendungen entwickelt um mit
einem kompakten Gerät leicht einen Überblick über momentane Spannung, Strom und
daraus berechnet, die Leistung sowohl umgesetzte Energie gibt.
Das Gerät versorgt sich selbst aus der Eingangsspannung, es sind also keine
weiteren Stromquellen (wie z.B. Batterien) nötig. Wird die Eingangsspannung gering, so wird der aktuelle Energiewert im EEPROM des Mikrocontrollers abgelegt
und beim nächsten Einschalten wieder ausgelesen.
Technische Daten
- Spannungsmessbereich: 10V - 25V
- Strommessbereich: 0A - 2A
- Leistungsmessbereich: 0W - 50W
- Energiemessbereich: 0Wh - einige Wh
Hardware
Die Hardware das Messgeräts besteht aus folgenden Komponenten:
- AVR-Mikrocontroller (AVR ATmega8)
- 5V-Spanungsregler (7805)
- LC-Display (HD44780 kompatibel)
- Operationsverstärker (LM358)
- Einige Widerstände und Kondensatoren
Der Mikrocontroller verfügt über mehrere analoge Eingänge, mit denen die Messgrößen aufgenommen werden. Die Spannung kann mittels eines einfachen Spannungsteilers am Eingang direkt auf einen analogen Eingang gegeben werden.
Der Spannungsteiler teilt die Eingangsspannung etwa im Verhältnis 1:10, so dass
bei 25V Eingangsspannung noch 2.5V am Eingang des Mikrocontrollers liegen.
Die Strommessung ist etwas komplizierter, da ein sehr niederohmiger Shunt benutzt wird um die Spannungsabfälle an eben diesem bei größeren Strömen möglichst gering zu halten. Die Wahl fiel auf einen 10mOhm-Shunt, so dass bei 2A Strom 20mV an diesem abfallen. Diese geringe Spannung wird mit Hilfe
des Operationsverstärkers um den Faktor 100 Verstärkt, so dass schliesslich
am Eingang des Mikrocontrollers bei 2A Strom 2V Spannung anliegen.
Der Operationsverstärker wird mit nur einer Versorgungsspannung versorgt, was zu gewissen nicht-Linearitäten der Verstärkung führt, die für den geplanten Einsatzzweck jedoch irrellevant sind.
Das Display ist 4-bittig an den Mikrocontroller angeschlossen und dient zum Anzeigen der Messwerte.
Der Spannungsregler sorgt für eine Regelung der Eingangsspannung auf 5V, am Eingang ist (hinter der Diode) ein Pufferkondensator angebracht, der so dimensioniert ist, dass bei einem plötzlichen Spannungsabfall noch genügend
Zeit bleibt um den aktuellen Energiewert im EEPROM abzulegen.
Schaltplan
Große Version
Eagle-Datei (via SVN): main.sch
Bilder
Mit einem Inverter und Leuchtstofflampe als Last:
Innenleben des Geräts:
Rückseite der Platine:
Normaler Messmodus:
Energie seit Einschalten:
Gesamtenergie:
Powerdown-Modus:
Software
Folgende Aufgaben werden zyklisch von der Software abgearbeitet:
- Analogwerte auslesen
- Transformation der Analogwerte in Spannung und Strom
- Berechnung von Leistung (P=U*I) und Energie (E=Integral von der Leistung über die Zeit)
- Überprüfung ob Shutdown notwendig
- Reagieren auf Tastendruck (Umschalten der Anzeige, Reset)
Shutdown
Der Shutdown dient dazu, bei einem Abfall der Eingangsspannung (unter ca. 9V),
dafür zu sorgen, dass der aktuelle Energiewert sicher im EEPROM abgelegt wird.
Ist dies geschehen befindet sich das Gerät im Shutdown-Modus, auch wenn die Spannung nun wieder steigt reaktiviert sich das Gerät nicht automatisch um bei schwankender Eingangsspannung den EEPROM nicht permanent zu beschreiben. Das Gerät kann aus diesem Zustand durch einen Druck auf den Taster reaktiviert werden.
Download
Der Code kann per SVN eingesehen werden:
https://svn.scriptkiller.de/power_meter/tags/2008-12-24-25c3/src/
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