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Wattmetro con desplegado en PC por USB
RESUMEN
El desarrollo de la tecnología de la electrónica, de las comunicaciones y de la computación,
permite tener aplicaciones en el campo de la instrumentación. Es así que en este proyecto se
mide la potencia eléctrica para cuantificar las pérdidas de energía, producidas por su mal
aprovechamiento, esto lleva a la necesidad de tomar lecturas con un instrumento para
medición de la potencia y así conocer el fenómeno que origina el mal aprovechamiento de
energía, para hacer correcciones. Los resultados se obtienen en una PC de última generación
por lo que hay que emplear el puerto USB para el tratamiento de datos.
INTRODUCCION
En un watthorímetro tradicional, no se puede analizar la señal de corriente y voltaje a
diferentes tipos de cargas como: resistivas, inductivas y complejas. En este proyecto, se
propone realizar la medición de potencia y estudiar la señal de corriente, para diferentes tipos
de carga. La adquisición de la señal de corriente, puede procesarse digitalmente y enviarse por
el puerto USB de la PC. Para desplegar se requiere programar para lo cual se utiliza un
ambiente con Visual C#.
Los motores, transformadores y en general todos las maquinas eléctricas que hacen uso de
un campo electromagnético, requieren potencia activa para efectuar un trabajo útil, mientras
que la potencia reactiva es utilizada para generación del campo magnético, almacenamiento
del campo eléctrico (que no produce ningún trabajo). La potencia reactiva (Q) es expresada en
volts-ampers reactivos (VAR). El producto de la corriente y el voltaje se denomina potencia
aparente (S), es también la resultante de la suma vectorial de la potencia activa (P) y la
potencia reactiva (Q). Es entonces útil obtener los tres tipos de potencia como resultado en el
instrumento de este proyecto; ya que así se puede evaluar el rendimiento de un sistema de
potencia para obtener un mejor aprovechamiento de energía.
METODOS Y MATERIALES
El diseño de del instrumento consiste de un arreglo de circuitos y dispositivos para obtener la
medición de las tres diferentes potencias S, P, Q . Por supuesto que deben cumplirse ciertos
requisitos técnicos en la selección e interconexión de cada una de sus partes. El instrumento
esta compuesto por un transductor, una sección de acondicionador de señal la cual prepara y
trata la señal analógica para la etapas siguientes. Un convertidor analógico digital que en
conjunto con un microcontrolador con salida USB procesa los datos para hacerlos llegar a la
PC vía su puerto USB y así programar para desplegar resultados.
En el diseño del instrumento se parte de las especificaciones, se debe tener una idea a cuadros
del instrumento, seleccionar el circuito de cada cuadro, obtener los valores correspondientes a
las componentes. Si durante el análisis se encuentran errores o desviaciones de las
especificaciones preescritas, deberán modificarse los valores de las componentes del circuito y
si fuera necesario buscar otro circuito que se aproxime a la solución.
Se procede a la construcción y pruebas del instrumento; en donde se partió de un armado en
protoboard y posteriormente en circuito impreso. Se llevaron a cabo pruebas de hardware y
de Sofware y como sistema en su conjunto.
A continuación se describe la integración del sistema de potencia incluyendo sus bloques de:
procesamiento de señal, adquisición y procesamiento de datos, y finalmente la forma de dar
resultados con una PC.
Diagrama a bloques del Wattmetro
En seguida, se presenta el diagrama a bloques del instrumento para la medición de
potencia. En la Fig. 1, se ilustra el diagrama del Wattmetro con desplegado en PC e interfaz
con USB El diagrama está divido en dos partes, que consisten en:
1. Adquisición de la señal de voltaje y corriente de línea de 60Hz y su acondicionamiento
correspondiente (filtro, amplificador buffer, amplificador de alta ganancia, comparadores
inversor y no inversor, multiplexor analógico).
2. Digitalización de la señal, para poder enviar a la PC los datos obtenidos, que cosiste de un
convertidor CA/CD, convertidor analógico-digital (ADC) e interfase USB, incluida en el
modulo del PIC18F4550 el cual se explicará más adelante.
Descripción del funcionamiento de cada bloque que integra el Wattmetro con desplegado
en PC e interfase con USB.
Sonda de corriente
La corriente eléctrica de la línea, puede ser registrada, con la medición del campo
magnético, que se eslabona alrededor del conductor en el que fluye la corriente eléctrica, cuya
detección proporciona la base para medir la corriente eléctrica. La medición de corriente
utiliza una tecnología de transformador de corriente que permiten al usuario observar y
medir directamente la señal de CA.
La sonda de corriente usa el principio de un transformador para convertir una corriente
primaria de línea en una segunda corriente secundaria más pequeña. La sonda de corriente es
común entre los medidores de energía de estado sólido de alta corriente. Es un aparato pasivo
que no necesita circuitos adicionales de control. Adicionalmente, la sonda puede medir
medianas y bajas corrientes y consumir poca energía. Sin embargo, el material ferromagnético
usado en el núcleo se puede saturar cuando la corriente primaria de línea es muy alta.
Señal
de
Contro
l
Sonda
de
Corriente
Filtro
MUX
4066
Convertidor
CA-CD
Amplificador
Buffer
Filtro
ADC
8 Bits
AND
PC
Amplificador
Alta-Ganacia
Comparador
Inversor
Transformador
Comparador
NO Inversor
Muestra
de
Linea
Fig.1. Diagrama a bloques del Wattmetro con desplegado en la PC por USB
Circuito Integrador
El objetivo del circuito integrador es obtener la forma de onda y corrección del ángulo de
fase de la señal de corriente, ocasionada por las diferentes tipos de cargas sometidas a prueba.
El circuito integrador tiene un papel fundamental en el diseño del Wattmetro ya que sin este
circuito se tendría un error en la medición del defasamiento, el circuito integrador, relaciona
el voltaje, con la corriente eléctrica, como lo establece la ley de Faraday.
Para el diseño del circuito integrador se utiliza el dato de la frecuencia de línea de 60Hz
con una ganancia unitaria, con el propósito de que la amplitud de corriente, se consérvela
correspondiente valor del voltaje obtenido de la sonda de corriente.
Filtro Pasa Banda
Debido a que la señal de corriente tiene un alto porcentaje de ruido resulta necesario
introducir un circuito el cual ayude a corregir este error y dejar la señal lo más estable posible.
Este filtro se diseña para dejar pasar una banda de frecuencias especifica, mientras que debe
atenuar todas las señales fuera de esta banda (Ruido). Este tipo de filtro posee una ganancia
máxima a la frecuencia resonante de 60Hz. En este caso el filtro tendrá una ganancia de 1 o
0dB.
El objetivo al diseñar cualquier instrumento de medición es que este tenga un
acoplamiento de impedancia, es por esto que es necesario mantener la forma y amplitud de
las diferentes señales que llevan la información de la señal de corriente, entonces, para evitar
la caída de la señal se coloco un amplificador buffer, el cual tiene una ganancia unitaria.
Amplificador Buffer
El objetivo al diseñar cualquier instrumento de medición es que este tenga un
acoplamiento de impedancia, es por esto que es necesario mantener la forma y amplitud de
las diferentes señales que llevan la información de la señal de corriente, entonces, para evitar
la caída de la señal se coloco un amplificador buffer, el cual tiene una ganancia unitaria.
Amplificador de alta Ganancia
Para el estudio y análisis de señales pequeñas se hace uso de un circuito llamado
amplificador de alta ganancia, este circuito sirve para amplificar las pequeñas señales de
corriente, que entrega la sonda electrónica, que es dependiente del tipo de carga.
Una ventaja de este circuito es que mantiene la forma y fase de la señal de entrada, con
esto se asegura que el procedimiento utilizado para la medida de la potencia es correcto. Este
bloque esta implementado en el Wattmetro, esto con el fin de poder calibrar o ajustar la
amplitud de la señal de corriente amplitud y poder tener una lectura correcta en el medidor de
fase.
Medición del ángulo de fase
Realmente lo que tenemos en un medidor de fase es un par de comparadores, los cuales
están sincronizados para que las dos señales de voltaje y corriente de línea se conviertan en
señales cuadradas de nivel TTL mediante dos circuitos comparadores y su producto lógico de
un ancho de pulso equivalente al defasamiento de las señales. El módulo medidor de fase se
basa fundamentalmente en una puerta de tipo XOR.
En realidad, lo que se requiere es una medida de tensión proporcional a la fase existente
entre las dos entradas, siendo este dato de suma importancia para la medición de la potencia
Señales de Control
Estas señales son pulsos enviados de forma manual desde la PC, con el objetivo de
seleccionar la señal de entrada. Para el diseño del wattmetro se requieren tres señales: voltaje,
corriente y fase. Para obtener la potencia el programa necesita estos datos, los cuales se
introducen de forma individual, y almacenados en diferentes variables, para posteriormente
realizar las operaciones matemáticas correspondientes, a partir de un programa de
computadora.
Cuando se tienen diferentes señales las cuales manejas diferente información no es posible
unirlas ya que se perdería la información original; de alguna forma se deben mantener
separadas para evitar perdida de información. El circuito integrado multiplexor 4066 en sí, es
un interruptor bilateral cuádruple, diseñado para la transmisión ó multiplexado de señales
digitales ó analógicas.
Se puede considerar como un interruptor de conmutación, cada uno de los interruptores
dispone de un pin de control y dos pines de entrada/salida, en la Fig. 2 se puede observar su
conexión interna. Con este circuito se controla el flujo de información para la medición de
potencia. El multiplexor esta conectado como un selector de señales analógicas, en este caso
se utilizan señales digitales en los pines de control para seleccionar una de las tres señales
analógicas presentes en los canales A, B, y C (Corriente, voltaje y fase) y enviarla como señal
de salida.
Fig. 2 Diagrama de pines del circuito integrado CD4066
Convertidor CA/CD
El objetivo del convertidor CA/CD es tener un nivel constante de voltaje, corriente o fase
según sea el caso, debido a que se utiliza un convertidor analógico digital, de lo contrario
tendríamos mediciones instantáneas y para este caso información errónea, entonces para
corregir este error se tendría que hacer un muestreo durante un intervalo de tiempo.
Es preciso determinar el valor eficaz del voltaje, corriente y fase para la medición de
€potencia eléctrica. El circuito integrado AD736 proporciona a su salida el cálculo implícito,
basado en una realimentación. El circuito está constituido por tres bloques principales. El
bloque central es el cuadrador/divisor de un cuadrante, que recibe señales de entrada de
corriente, i1 e i3 y proporciona una señal de salida también de corriente, i4.
Debido a que la señal de entrada es, generalmente de doble polaridad, se intercala un bloque
rectificador de onda completa, que sin alterar el cuadrado, lleva la señal a una polaridad única.
Este rectificador, además, convierte la tensión de entrada v1 en la corriente i1. El tercer bloque
es un espejo de corriente, que tiene por finalidad acomodar el sentido de circulación de la
corriente de salida i4 (que será proporcional al valor eficaz correspondiente). En la Fig.3, se
ilustra el diagrama esquemático simplificado de los elementos internos del circuito integrado
AD736. Este circuito integrado, consta de tres bloques básicos: un rectificador de onda
completa, un cuadrador/divisor de un cuadrante, y un espejo de corriente. El dispositivo posee
además un seguidor para mayor versatilidad. El condensador Cprom es externo.
Fig. 3. Diagrama esquemático simplificado del circuito integrado AD536.
MODULO DIGITAL E INTERFASE CON USB
A continuación, se presentan los módulos que se utilizan para realizar la cuantificación de
las variables a medir. El conjunto estará entonces integrado por un microcontrolador
PIC18F4550 y de la interfase USB-PC, con el objetivo de realizar la adquisición de datos en
una PC de ultima generación.
Como cada uno de los bloques funcionales que integran el Wattmetro tiene diferente función,
a continuación se describe la estructura y funcionamiento del PIC18F4550. Este PIC tiene el
objetivo de comunicar el circuito analógico (sistema de medición) con el puerto USB de la
PC, ya que cuenta con esa característica fundamental.
Ya que no se utilizaron todas las herramientas del PIC, solamente se explicaran las
utilizadas para este proyecto. Además se hace uso del convertidor analógico digital del mismo
PIC, el cual tiene las siguientes características fundamentales:
Características principales:
Característica
PIC18F4550
Frecuencia de operación
Hasta 48 MHz
Memoria de Programa(bytes)
32.768
Memoria RAM Datos (bytes)
2.048
Memoria EEPROM Datos (bytes)
256
Interrupciones
20
Líneas E/S
35
Temporizadores
4
Módulos de Comparación/Captura/PWM(CCP)
1
Módulos de Comparación/Captura/PWM mejorado (CCP)
1
Canales de Comunicación Serie
MSSP,EUSART
Canal USB
1
Puerto Paralelo de Transmisión de Datos (SPP)
1
Comparadores Analógicos
2
Canales de Conversión A/D de 10 bits
13 Canales
Juego de instrucciones
75(85 Ext.)
Encapsulados
PDIP 40 Pines
QFN 40 Pines
TQFP 40 Pines
Convertidor Analógico Digital
Características fundamentales:
• 10 bits de resolucion.
• 13 canales multiplexados.
• Señal de reloj de conversión configurable.
• Tiempo de adquisición programable (0 a 20TAD).
• Posibilidad de establecer el rango de tensiones de conversión mediante tensiones de
referencia externas.
Registros del convertidor A/D.
ADCON0
-
-
CHS3 CHS2 CHS1 CHS0
GO/DONE
ADON
CHS3…CHS0: Bits selección del canal de conversión A/D (13 canales).
GO/DONE: Bits de inicio y de monitorización del estado de la conversión A/D.
• GO/DONE = “0” Proceso de conversión parado.
• GO/DONE = “1” Proceso de conversión en marcha.
ADON: Bit de habilitación del convertidor A/D.
• ADON = “0” Convertidor A/D desactivado.
• ADON = “1” Convertidor A/D activado.
ADCON1
-
-
VCFG1 VCFG0 PCFG3 PCFG2
PCFG1
PCFG0
VCFG1: Bit de configuración de tensión de referencia VREF-.
VCFG1 = “0”: VREF- se conecta a VSS.
•
VCFG1 = “1”: VREF- se conecta a la línea física RA2.
•
VCFG0: Bit de configuración de tensión de referencia VREF+.
VCFG0 = “0”: VREF+ se conecta a VDD.
•
VCFG0 = “1”: VREF+ se conecta a la línea física RA3.
•
PCFG3…PCFG0: Bits configuración de los puertos de conversión A/D. Mediante estos bits se
establecen las líneas físicas (RA5..RA0, RB4..RB0, RE1..RE0) que van a trabajar como
entradas del convertidor A/D.
ADCON2
ADFM
-
ACQT2 ACQT1 ACQT0 ADCS2
ADCS1
ADCS0
ADFM: Bit de configuración del tipo de almacenamiento del resultado de la conversión en los
registros ADRESH y ADRESL:
ADFM = “0” El resultado de la conversión se almacena con justificación a izquierdas.
ADFM = “1” El resultado de la conversión se almacena con justificación a derechas.
ACQT2...ACQT0: Bits de configuración del tiempo de adquisición.
ADCS2…ADCS0: Bits de selección de la señal e reloj del convertidor A/D.
Los microcontroladores PIC, en especial el 18F4550, tiene un sistema capaz de enviar datos a
través de la interface USB a bajas o altas velocidades, dado que la implementación de este tipo
de comunicaciones consumen recursos del microcontrolador,(memoria y tiempos de ejecución
del programa principal), se debe tener en cuenta a la hora del desarrollo de la aplicación que
enviara datos a través de la interface USB, ya que entran en consideración desempeño contra
economía.
Para el presente trabajo las expectativas fueron más allá de lo esperado, dado que el
microcontrolador tiene un buen desempeño en el envió de datos de la aplicación hacia la
computadora personal, sin tener demoras o perdidas de datos.
PC/USB
Para la interfaz del hardware con la PC se utiliza el Microcontrolador PIC18F4550, el cual
incorpora capacidad de comunicación USB en el mismo dispositivo.
Para poder establecer una comunicación USB entre la computadora personal y un
Microcontrolador, se requiere esencialmente de tres pasos a seguir:
- Programación de la aplicación para el PIC
- Programación de la aplicación para PC
- Edición del Driver suministrado por Microchip
La programación de la aplicación del microcontrolador PIC, se hace a través del compilador
CCS versión 3.227, esto es porque el compilador contiene bibliotecas disponibles para la
puesta a funcionamiento del subsistema USB del microcontrolador.
La estructura del código de la aplicación
Se hace uso de las librerías que configuran la velocidad de reloj, habilitación de interrupciones
y se habilita la transmisión y recepción del puerto USB. Se realiza la definición de las
diferentes variables, por tipo y tamaño.
En el programa principal se debe habilitar las variables, así como la inicialización del
subsistema de USB del microcontrolador, hecho lo anterior, se procede a la habilitación de las
interrupciones, hecho lo anterior se requiere de una pausa de tiempo hasta que el
microcontrolador con interface USB es configurado por el Host (en este caso la computadora
personal), esto se logra haciendo que el programa ejecutándose en el microcontrolador entre
en un ciclo de espera, asegurando de esta forma que los datos fluyan hasta ser visualizados en
la PC, la información viaja en forma de paquetes. Por último se configuran los registros del
convertidor de analógico a digital, para posteriormente enviar las señales correspondientes al
multiplexor y empezar la adquisición de datos.
El código generado en lenguaje C debe ser compilado para generar el archivo binario
correspondiente para poderlo grabar en la memoria del microcontrolador PIC a través del
cargador universal y con ayuda de WinPic800.
Para la programación de la aplicación para PC se utiliza el lenguaje de programación Visual
C.
Es de suma importancia tener presente que toda la comunicación y transmisión por medio del
puerto USB se hacen con la ayuda de las funciones contenidas en la librería dinámica
“mpusbapi.dll” proporcionada por Microchip.
El último paso, para tener comunicación USB entre la aplicación y la computadora personal,
es la edición del controlador suministrado por Microchip de tal forma que apareciera en el
Administrador de Dispositivos una nueva clase con un icono personalizado.
USB divide el tiempo en espacios de 1 ms denominados Tramas, durantes las cuales se llevan
a cabo las comunicaciones a través de Transacciones, las cuales se componen a su vez de
Paquetes. Las Transacciones se compone de 3 fases: Token, Dato y Validación (Handshake):
¾ La fase de Token se compone de un paquete de token enviado por el Controlador USB,
y siempre está presente en toda transacción. El paquete contiene los campos:
PID (identifica el tipo de paquete). Todos los PIDs van protegidos por bits
redundantes, dirección del elemento destino (7 bits de dispositivo + 4 bits de elemento
interno al dispositivo), y CRC5.
¾ La fase de Datos (opcional) se compone de los paquetes de datos que se transfieren
entre el controlador USB y el dispositivo. Cada paquete se compone de los campos
PID, Datos, y CRC16.
¾ La fase de Validación (opcional) se usa para indicar el resultado de la Transacción. Se
compone sólo de un campo PID. Adicionalmente, el Controlador USB indica el
principio de cada Trama y la transmisión hacia dispositivos LS mediante tokens
especiales.
Principales Características del Bus
•
•
•
Baja (Low Speed) – 1.5 Mb/s.
Mediana (Full Speed)-12 Mb/s.
Alta (High Speed) 480 Mb/s.
Descripción del sistema USB
El USB es un bus punto a punto: dado que el lugar de partida es el host (PC o hub), el destino
es un periférico u otro hub. No hay más que un único host (PC) en una arquitectura USB.
El PIC esta diseñado para ser un periférico.
Los periféricos comparten la banda de paso del USB. El protocolo se basa en el llamado paso
de testigo (token). El ordenador proporciona el testigo al periférico seleccionado y
seguidamente, éste le devuelve el testigo en su respuesta. Este bus permite la conexión y la
des-conexión en cualquier momento sin necesidad de apagar el equipo.
La Figura 4. muestra una trama USB.
Fig.4 trama USB
Transacción del USB
Cada transacción de información consiste:
Paquete Token (In/Out/Setup): Cabecera la cual define la dirección tipo de dato que sigue.
Paquete de Datos: Contiene los bytes a transmitir.
Paquete de Estado: Utilizado para el reconocimiento de cada transacción y corrección de
error.
El host inicializa la transacción de Información
Terminología USB
Host: Dispositivo maestro que inicia la comunicación (Generalmente la computadora).
Hub: Dentro de la arquitectura USB, unos elementos esenciales y especiales son los Hubs
(concentradores), que proveen conectividad (los dispositivos no se conectan entre sí
directamente, si no cada uno a un hub), detectan la conexión y desconexión de dispositivos y
si son FS o LS, generan alimentación hacia los dispositivos e incorporan la terminación de las
líneas. Los hubs disponen de una conexión "upstream" hacia el ordenador y una o varias
conexiones "downstream" hacia dispositivos u otros hubs (concentrando efectivamente varios
puntos de conexión en uno sólo), de forma que se pueden encadenar varios Hubs para formar
una topología en varios niveles. Como a los Hub se conectan los dispositivos en estrella, la
topología USB se denomina Estrella en Niveles.
Puntos terminales (Endpoints): Es una localidad especifica dentro del dispositivo. El
Endpoint: Es un buffer que almacena múltiples bytes, típicamente es un bloque de la
memoria de datos o un registro dentro del microcontrolador. Todos lo dispositivos deben
soportar el punto terminal 0. Este punto terminal es el que recibe todo el control y la
peticiones de estado durante la enumeración cuando el dispositivo esta sobre el bus.
Tuberías (Pipes): Es un enlace virtual entre el host (la PC) y el dispositivo USB, este enlace
configura los parámetros asociados con el ancho de banda que tipo de transferencia se va a
utilizar (Control, Bulk, Isocrona o Interrupt) dirección del flujo de datos y el máximo y/o
mínimo tamaño de los paquetes/buffers.
Cada enlace está caracterizado por su banda de paso (Token), su tipo de servicio, el número de
punto terminal (End Point) y el tamaño de los paquetes. Estos enlaces se definen y crean
durante la inicialización del USB . Siempre existe un enlace virtual 0 que permite tener acceso
a la información de configuración del periférico USB (estado, control e información).
La norma USB define 2 tipos de enlaces virtuales (pipe); stream y message.
Stream Pipes: se trata de un flujo sin formato USB definido, esto significa que se puede
enviar cualquier tipo de dato. Este tipo de pipe soporta las transferencias bulk, isocronas, y
interrupt. Además tanto el host como el dispositivo USB pueden controlar.
Message Pipes: este tipo de enlace virtual si tiene un formato USB definido y solo puede
soportar la transferencia Control.
Enumeración
Cuando se conecta un dispositivo USB a la PC se produce el Proceso de Enumeración, el
cual consiste en que el host le pregunta al dispositivo que se presente y le diga cuales son sus
parámetros, tales como:
• Consumo de energía expresada en unidades de Carga.
• Numero y tipos de Puntos terminales.
• Clase del producto.
• Tipo de transferencia.
• Razón de escrutinio, etc.
El proceso de enumeración es inicializado por el host cuando detecta que un nuevo dispositivo
que ha sido adjuntado al Bus. El host le asigna una dirección al dispositivo adjuntado al bus y
habilita su configuración permitiendo la transferencia de datos sobre el bus.
La enumeración en Windows involucra los siguientes pasos:
1. El host detecta la conexión de un nuevo dispositivo a través de las resistencias de pull up
sobre el bus. El host espera al menos 100ms permitiendo que el conector se insertado
totalmente y que la fuente de Alimentación se estabilice.
2. El dispositivo debe responder a la dirección por default 0.
3. El sistema operativo Windows pregunta por los primeros 64 bytes del Device descriptor.
4. Después de recibir los primeros 8 bytes del device Descriptor, se provoca un reset.
5. El host atiende al comando Set Address (Asignar Dirección), colocando al dispositivo en
estado de dirección.
6. El host pregunta por los siguientes 18 bytes del Device descriptor.
7. El host pregunta por los 9 bytes del descriptor de Configuración para determinar el tamaño
total.
8. El host pregunta por 255 bytes del descriptor de configuración.
9. El host pregunta por descriptor de cadena, si fue especificado.
Al final del paso 9. Windows pregunta por un Driver específico del dispositivo si es que
existe.
DIAGRAMA DEL INSTRUMENTO
En la Fig. 5, se ilustra el diagrama eléctrico de sistema de medición para la medición de
potencia con interfase USB y desplegado en PC. El circuito está integrado por los siguientes
bloques funcionales a saber: circuito integrador, filtro pasa banda activo, seguidor de voltaje,
amplificador inversor y no inversor, a base de un A0741C, circuito comparador LM311,
multiplexor analógico CD4066, convertidor de CA/CD AD736IN, microcontrolador
PIC18F4550, y la interfase por medio de la comunicación USB.
0.1µf
470 ηf
1. 5 KΩ
5v
68 KΩ
Sonda
VCC
1. 5 KΩ
33 KΩ
-
VCC
470 ηf
+
1. 5 KΩ
-VEE
560 Ω
14
4
7
1
-VEE
-VEE 68 KΩ
68 KΩ
5v
+
+
-
CD4066
8
VCC
VCC
1
13
40
6
39
5
38
2 3 9
5
2
3
6
+
VCC
8
0.1µf
31
24
20 MHz
1 KΩ
7
22 pf
23
13
4
-VEE
1
5v
32
13
V CC
LM311
-
18
PIC18F4550
1 MΩ
1 KΩ
470 ηf
+
560 Ω
-VEE
1 KΩ
RESET
-
2
22 pf
10 µf
X-OR
1 MΩ
1 KΩ
120 VCA
5
2
3
6
+
VCC
-
2
8
LM311
PC
6
AD736JN
1 KΩ
1
4
1
3
7
-VEE
V CC
8
7
5
4
33 µf
10 µf
5v -5v
0.1µf
0.1µf
Fig. 5. Diagrama eléctrico del Wattmetro
PROGRAMACION
En seguida se proporciona el programa completo que se desarrollo, para conseguir la
adquisición de datos y la interfase vía USB.
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
ESIME_USB
Este proyecto es utilizado para la medición de potencia. Se utiliza la interfaz USB del PIC18f4550. Realizado
con el compilador CCS
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include <18F4550.h>
#device ADC = 8
#fuses HSPLL,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,USBDIV,PLL5,CPUDIV1,VREGEN
#use delay(clock=48000000)
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#define USB_HID_DEVICE FALSE
//deshabilitamos el uso de las directivas HID
#define USB_EP1_TX_ENABLE USB_ENABLE_BULK //turn on EP1(EndPoint1) for IN bulk/interrupt
transfers
#define USB_EP1_RX_ENABLE USB_ENABLE_BULK //turn on EP1(EndPoint1) for OUT bulk/interrupt
transfers
#define USB_EP1_TX_SIZE 8
//size to allocate for the tx endpoint 1 buffer
#define USB_EP1_RX_SIZE 8
//size to allocate for the rx endpoint 1 buffer
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include <pic18_usb.h> //Microchip PIC18Fxx5x Hardware layer for CCS's PIC USB driver
#include <PicUSB.h>
//Configuración del USB y los descriptores para este dispositivo
#include <usb.c>
//handles usb setup tokens and get descriptor reports
#include <math.h>
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
Comprobaremos el primer byte del paquete recibido para comprobar si queremos entrar en el modo operación,
donde se realizará una multiplicación de voltaje y corriente, que corresponderán con los dos bytes restantes del
paquete recibido.
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#define LEDV PIN_B6
#define LEDR PIN_B7
#define LEDA PIN_B5
#define LED_ON output_high
#define LED_OFF output_low
#define modo recibe[0]
#define param1 recibe[1]
#define resultado envía[0]
#define resultado1 envia[1]
#define resultado2 envia[2]
#define (AN0)
void main(void)
{
int8 send_timer=0;
int8 recibe[3];
int8 envia[20];
usb_init();
//declaramos variables
//inicializamos el USB
usb_task();
//habilita periferico usb e interrupciones
usb_wait_for_enumeration();
//esperamos hasta que el PicUSB sea configurado por el host
#if defined(AN0)
//Configuracions AD PIC
setup_adc_ports(AN0);
#elif defined(AN0_AN1_AN3)
setup_adc_ports(AN0_AN1_AN3);
#else
#error CONFIGURE ADC PORTS SO WE CAN READ CHANNEL 0
#endif
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
set_adc_channel(0);
send_timer=250;
while (TRUE)
{
if(usb_enumerated())
//si el PicUSB está configurado
{
if (usb_kbhit(1))
//si el endpoint de salida contiene datos del host
{
usb_get_packet(1, recibe, 3); //cojemos el paquete de tamaño 3bytes del EP1 y almacenamos en recibe
While(modo == 1) // Modo_Led
{
if (param1 == 0) {LED_OFF(LEDV); LED_OFF(LEDR);LED_OFF(LEDA);} //apagamos los datos
if (param1 == 1) {LED_ON(LEDV); LED_OFF(LEDR);LED_OFF(LEDA);} //encendemos voltaje
{
if(!send_timer)
{
send_timer=250;
resultado=read_adc();
resultado=resultado*2;
resultado=resultado/10;
(usb_put_packet(1, envia, 1, USB_DTS_TOGGLE));
}
if (usb_kbhit(1))
{
usb_get_packet(1, recibe, 3);
}
send_timer--;
delay_ms(1);
}
if (param1 == 2) {LED_OFF(LEDV); LED_ON(LEDR);LED_OFF(LEDA);} //encendemos corriente
{
if(!send_timer)
{
send_timer=250;
resultado1=read_adc();
resultado1=resultado1*2;
resultado1=resultado1/10;
(usb_put_packet(1, envia, 1, USB_DTS_TOGGLE));
}
if (usb_kbhit(1))
{
usb_get_packet(1, recibe, 3);
}
send_timer--;
delay_ms(1);
}
if (param1 == 3) {LED_OFF(LEDV);LED_OFF(LEDR);LED_ON(LEDA);} //encendemos fase
{
if(!send_timer)
{
send_timer=250;
resultado2=read_adc();
resultado2=resultado2*2;
resultado2=resultado2/10;
(usb_put_packet(1, envia, 1, USB_DTS_TOGGLE));
}
if (usb_kbhit(1))
{
usb_get_packet(1, recibe, 3);
}
send_timer--;
delay_ms(1);
}
}
}
}
}
}
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Como resultados finales, se obtuvo en dos partes: I) Funcionamiento del SOFTWARE, y II)
Funcionamiento del sistema de medición, respectivamente.
El funcionamiento del sistema de medición, se realizaron utilizando un arreglo de 10
lámparas de 100W, un motor monofásico de AC, diversas fuente de poder conmutadas de PC.
Para el registro de la forma de onda de la señal de corriente, se utilizó una sonda electrónica
para medición de corriente, la que se ilustra en la Fig. 6
Fig.6. Aspecto de la sonda electrónica para medición de corriente
Antes de comenzar con las mediciones de la corriente por medio de la sonda electrónica, se
tuvo que conocer su respuesta, es decir, se caracterizó para conocer su respuesta con respecto
a variación de corriente. En la gráfica de la Fig. 7, se muestra la respuesta lineal obtenida de la
sonda electrónica.
Intensidad de Corriente en
la Sonda
Respuesta de la Sonda de Corriente
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
Intensidad de Corriente el la Carga
Fig.7. Respuesta lineal del sonda electrónica
El sistema de medición de potencia, está proyectado para conseguir los parámetros y rango
de medición para un a casa habitación, está información se enlista en la siguiente Tabla I.
Tabla I. Parámetros y rangos de medición
Parámetro
Rango de medición
Mínimo Máximo Unidad
0.83
35
A
Corriente Eléctrica
100
4200
W
Potencia
0
1
--------Factor de Potencia
100
140
V
Voltaje de Alimentación
Para realizar las pruebas finales sobre el wattmetro, se colocan diversas cargas:
Primer caso: Se coloca una carga resistiva (lámparas de 100W). En la Fig.8, se muestra el
oscilograma del defasamiento registrado por el sistema de medición
Fig. 8. Oscilograma de una carga resistiva (lámpara incandescente)
Segundo paso: En este caso la carga a colocar es un motor monofásico de AC, las señales se
muestran en el oscilograma de la Fig. 9.
Fig. 9. Oscilograma de una carga reactiva (motor eléctrico de AC)
Tercer Paso: Se coloca como carga una PC, con varios programas funcionando, en la Fig.10,
se muestran el oscilograma correspondiente.
Fig. 10. Oscilograma de una carga compleja (fuente de poder conmutada)
DESPLEGADO
Para observar los mediciones correspondientes de la potencia real (P), potencia reactiva (Q)
y potencia aparente (S), y la fase φ entre la señal de voltaje y corriente, se dispone de un
desplegado cuya ventana es realizada con visual C# Express 2005, mostrada en la Fig. 11
Fig. 11. Ventana del desplegado
En la Fig. 12, se ilustra el sistema físico (PROTOTIPO) de medición del wattmetro.
Fig. 12. Wattmetro con desplegado en PC por el puerto USB
IMPACTO SOCIAL
Este instrumento de medición, es construido para realizar la medición de la energía
eléctrica, así como también conocer el consumo de energía eléctrica en cualquier aparato
instalado en una casa habitación. Por eso se requiere que el instrumento tenga la función de
medir la potencia eléctrica en una casa habitación y dicha medición sea desplegada en PC por
medio de la interfaz USB.
El registro de la potencia eléctrica, vía la interfase USB, permite hacer un análisis de
variables eléctricas con un mínimo de errores, proporcionando mayor velocidad y ancho de
banda, esto es, que se pueden procesar un mayor número de variables, sin que se traslape la
información. Esto permite que la cantidad de energía no aprovechada en un sistema eléctrico
y/o electrónico instalado en una casa habitación, pueda evaluarse para que así se pueda
proyectar una instalación eléctrica residencial con un alto aprovechamiento de la energía.
Con este sistema de medición, en un futuro próximo permitirá dar alternativas de solución a
este problema, que se incrementa en la medida en que el tipo de cargas que sean instaladas
sean menos eficientes.