Medidor de Potencia Activa Monofásico y Trifásico

COMENTARIO TÉCNICO
Buceando
en los MCUs
Freescale......
Por Ing. Daniel Di Lella
Dedicated Field Application Engineer
EDUDEVICES
www.edudevices.com.ar
dilella@arnet.com.ar
“Medidor de Potencia Activa Monofásico y Trifásico”
Por Ing. Aranda, Roberto Carlos / Ing. Teseyra, Rene Julio / Lutfi David,
Ortiz Rodrigo – FMA - UCSE
Muchas veces al comenzar un desarrollo nos encontramos ante una verdadera
“encrucijada” cuando empezamos a analizar las distintas variantes disponibles para
implementar una solución que además de ser efectiva cuente con otros atributos como
sencillez, robustez, etc., etc.... y todos los que estamos ligados de alguna u otra forma a
este “cruel mundo de la tecnología” sabemos perfectamente que no es algo sencillo de
lograr para muchos de nosotros los “mortales”....
Esta aplicación que les entregaré en los próximos artículos tiene, a mi juicio, muchos de
los atributos anteriormente citados. Espero que sea de vuestro agrado e “ilumine” o
dispare ideas que puedan aprovechar en vuestros proyectos.
Descripción General de la Aplicación
Esta aplicación consiste en la implementación de un medidor digital de potencia activa
monofásica y trifásica para sistemas de alimentación de baja tensión desde el rango de
220V a 380V y 50Hz de frecuencia de línea. El mismo fue desarrollado a partir de un
MCU de la familia HC908 como el MC908GP32 pero puede fácilmente adaptarse a
otros más potentes de la familia HC9S08 sin mayores modificaciones, más el agregado
de los correspondientes circuitos adquisidores de señales desde la red eléctrica.
El diagrama operativo del sistema es mostrado en la figura 1, en el cual podemos
observar los principales bloques constituyentes:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
M1. Placa Sensores Potencia Opto aislada.
MP. MCU MC908GP32, unidad central de control y procesamiento.
M2. Interfase Serial Opto aislada a PC RS-232.
T1.T2.T3 y T4. Teclas.
D1. Display inteligente LCD 16x2 con Backlight.
RTC. Reloj en Tiempo Real DS1307 de la firma Dallas.
De acuerdo a las especificaciones requeridas en este tipo de aplicaciones, el sistema es
auto alimentado desde la red eléctrica, posee indicaciones de salida por display LCD del
tipo inteligente de 16x2, y comunicación serial RS-232 opto aislada, a fin de garantizar
un correcto aislamiento galvánico - eléctrico.
En su modo normal de trabajo permite la medición y registro de las potencias activas
monofásicas o trifásicas, para cargas balanceadas y/o desbalanceadas.
Las lecturas son presentadas en un Display LCD de 16 caracteres por 2 líneas,
simultáneamente lleva un registro de las lecturas realizadas, con información de fecha y
hora, para lo cual dispone de un reloj basado en el circuito integrado DS1307, el lector
puede implementar dicho reloj utilizando el módulo “TBM” (Time Base Module) del
GP32 (HC908) o bien, utilizando el módulo RTI disponible en todos los dispositivos de
la familia HC9S08. La comunicaron serial RS-232 con optoaislamiento permite la
transmisión de los datos registrados a una PC (Computadora Personal) ya sea en el
momento de la lectura, modo on-line, o bien a posteriori a fin de utilizar un software de
procesamiento estadístico de datos desarrollado específicamente para esta aplicación, el
que además permitirá, por ejemplo, el monitoreo remoto y lectura de los datos a través
de una aplicación WEB.
Figura 1: Diagrama en bloques del Sistema
Descripción de los Módulos del Sistema
Como se menciono anteriormente la etapa de control, esta implantada en torno al
Microcontrolador MC908GP32, el cual si bien resulta sobre dimensionado para esta
aplicación especifica, resultó el mas adecuado en función de la herramienta de
desarrollo que se tenía disponible en el laboratorio para la línea Freescale, pero el lector
puede utilizar cualquier MCU de la familia HC908 o HC9S08 que disponga de un
puerto serial y las líneas suficientes I/O como para manejar el LCD y las entradas de los
sensores. Resulta claro que el procesamiento y comunicación de datos es implementado
en el software desarrollado específicamente para el MCU, y que escapa al concepto de
los futuros artículos a desarrollar. Básicamente este software gestiona la adquisición de
datos desde el modulo correspondiente, la presentación de los mismos por medio del
Display LCD, y la comunicación serial con una computadora personal.
El Modulo de adquisición y calculo de las potencias activas, es una configuración
circuital que permite la lectura de potencias y entrega como salida un valor de tensión
continua proporcional a las mismas. De esta forma el software de control resulta
sumamente simplificado ya que en definitiva se trata de la adquisición y gestión de
valores continuos (proporcionales a las potencias medidas) por parte del
microcontrolador.
El funcionamiento de este módulo de medición de potencias puede ser descripto
brevemente de la manera siguiente, en referencia al diagrama mostrado, el conversor
óptico entrega una señal de tensión continua proporcional al valor de la potencia
consumida en la carga, este valor tiene un off-set de 2.5 V, de esta forma, al pasar por
un conversor A/D de 8 bits, el valor digital correspondiente variará entre 0 y 127, se
logra entonces que cada bit sea equivalente a una lectura de 20W, mayor resolución en
la lectura puede obtenerse utilizando cualquier MCU de la familia HC9S08 con
conversores A/D de 10 Bits de resolución.
Este puente es conocido como configuración de Woodward, por lo cual en este
desarrollo fue diseñado para una potencia máxima de 1200 W, la que puede ser
modificada fácilmente mediante el rediseño de esta etapa. Se adopto este modo de
trabajo, por considerarlo interesante en función de la simplificación de la adquisición de
los datos primarios (corrientes y tensiones), y fundamentalmente del desarrollo del
software para el microcontrolador favoreciendo así su portabilidad a otros dispositivos.
La comunicación serial, es bajo la norma RS-232, clásica entre dispositivos de este tipo
y computadoras personales, disponiendo como se anticipo de la adecuada separación
óptica (aislación galvánica) para el aislamiento eléctrico, dada las características del
sistema.
En cuanto al programa esta dividido en las siguientes etapas:
A) Orden desde el teclado, PC o WEB para inicio de las mediciones
B) Inicia toma de las muestras de los 3 canales cada 10 mseg, correspondientes a
las fases RST.
C) Una ves que ha completado 100 muestras (corresponde a 1 segundo de lectura)
calcula el promedio de las mismas.
D) Registra las lecturas instantáneas y promedios de potencias.
E) Rutina de volcado a la Flash (grabación en Flash).
F) Rutina de presentación los datos por el LCD, y lectura de teclado.
G) Rutina de Comunicación Serial RS-232.
El programa de gestión y estadística de datos en la computadora personal esta
realizado en un entorno visual, con interfase a base de datos en MySQL, en la cual se
almacena los valores medidos, con la información de fecha, hora, ID de la lectura, etc.
Este software también implementa el enlace WEB a fin de dar flexibilidad de monitoreo
al sistema.
Diagramas Electrónicos del Sistema
A continuación se muestran los respectivos circuitos electrónicos desarrollados para esta
aplicación.
Microcontrolador
5V
D4
D5
D6
D7
23
24
25
26
27
28
29
30
AD0
AD1
AD2
5V
C16
100 nF
31
32
19
20
C8
5V
PTA0/KBD0
PTA1/KBD1
PTA2/KBD2
PTA3/KBD3
PTA4/KBD4
PTA5/KBD5
PTA6/KBD6
PTA7/KBD7
PTC0
PTC1
PTC2
PTC3
PTC4
PTD0/SS
PTD1/MISO
PTD2/MOSI
PTD3/SPSCK
PTD4/T1CH0
PTD5/T1CH1
PTB0/AD0
PTB1/AD1
PTB2/AD2
PTB3/AD3
PTB4/AD4
PTB5/AD5
PTB6/AD6
PTB7/AD7
PTE0/TxD
PTE1/RxD
OSC2
OSC1
Vddad/Vrefh (ADC)
Vssad/Vrefl (ADC)
Vss
Vdd
RST
IRQ
VDDA (PLL)
VSSA (PLL)
CGMXFC (PLL)
10K
7
8
9
10
11
4
1
3
2
R10_2
USUARIO_1
C10_1 100nF
10K
SW3
4
5V
1
3
USUARIO_2
C10_2 100nF
15
16
17
18
21
22
J8
CON2
12
13
10K
C6 22pF
TX
RX
4
5
R7
6
10M
C9 100nF
14
J10
1
2
3
1
2
3
4
CON4
100nF
5V
R9
1
10K
2
SW1
RESET
4
3
SW4
2
R10_3
J9
CON4
1
2
33
34
35
36
37
38
39
40
RS
E
R10_1
MC68HC908GP32
2
1
2
3
4
U4
5V
SW2
1
Y1
4,9152MHZ
C7 22pF
4
3
USUARIO_3
C10_3 100nF
Puente Adquisidor Woodward Medidor de Potencias ( FASE GENERICA x 3)
Interface Serial Optoacoplada
5V_2
1
2
3
4
5V GND RX TX
J6
C15
10uF
5V
5V_2
5V
5V_2
C13
1
3
4
5
2
6
10uF
C14
C11
10uF
VCC
R1IN
R2IN
T1IN
T2IN
C+
C1C2+
C2V+
V-
MAX232
R15 4K7
12
9
14
7
R1OUT
R2OUT
T1OUT
T2OUT
Q6
2
3
R14
R13
4K7
4K7
1
BC557
Q2
R16
C12
2
LED Amarillo
330
U6
1
BC548
4N25
3
Q5
D5
2
LED Verde
2
1
3
R17
R18
4K7
4K7
1
5
330
R12
R21
330
330
Q1
3
4
2
1
BC557
6
R22
10uF
4N25
4
RX
D6
U7
5
1
15
10uF
U5
6
GND
13
8
11
10
16
5V_2
2
BC548
R11
4K7
5V_2
TX
Fuente de Alimentación
F1
5
4
1
2
5V
1A
SW5
1
1
2
3
D1
3
C4
220nF
VOUT
2
C5
100nF
C3
470uF
R20
R5
330
5,1K
Puente Rect
2,5V
D4
4
-
1
C2
470uF
L7805/TO220
VIN
3
9V AC
+ 2
Botón de Enc.
U3
GND
6
J1
R6
LED_ROJO
Conectores
5V
1
2
3
Alimentacion
J3
AD0
AD1
AD2
1
2
3
Conversor
R19
100
5V
J4
1
2
Retroiluminación
5V
J5
1
2,5V
J2
P2
2
10K
3
5V
5,1K
D4
D6
1
3
5
7
9
11
13
2
4
6
8
10
12
14
Conector LCD
RS
E
D5
D7
VCC 5v
SDA
SCL
RTC
R24
4K7
32.768Khz
1
2
DS1307
VBAT
SCLK
SDA
SQW/OUT
VCC
6
5
1
BT1
LED SEGUNDO
4K7
R28
R26 10K
7
330
8
4
3
U4
X1
X2
GND
Y2
D7
R25
C19
100nf
2
1
R27
4K7
2
JP1 JUMPER
1
Q5
3 BC547
2
3V
Especificaciones Generales del Sistema
Potencia: Activa, Monofásica o Trifásica 220 V/ 380 V, 50 HZ. Rango 0 -1200 W
(Ampliable según Configuración).
Lecturas: Display LCD 16 x 2, Potencias Por Fases, Potencia Total
y Potencia Pico.
Comunicación: a PC mediante RS-232.
Software: Hyperterminal de Windows o similar.
Aislamiento: Optoacoplado.
Alimentación: Desde la Misma Red.
Continuará .....
Nota de Redacción: El lector puede descargar este artículo y artículos anteriores de
“Buceando...” desde la sección “Artículos Técnicos” en el sitio web de EduDevices
(www.edudevices.com.ar )