mikrodenetleyici tabanlı multimetre tasarımı ve

advertisement
5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
MİKRODENETLEYİCİ TABANLI MULTİMETRE TASARIMI VE
GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MULTIMETER BASED ON
MICROCONTROLLER
a, *
Sertaç BAYHANa, * ve Şevki DEMİRBAŞb
Başkent Üniversitesi, Ankara, Türkiye, E-posta: serbay@baskent.edu.tr
b
Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, E-posta: demirbas@gazi.edu.tr
Özet
Bu çalışmada, güç sistemlerindeki; akım, gerilim, frekans,
güç faktörü, aktif güç, reaktif güç ve görünür güç
parametrelerinin ölçülebilmesi için mikrodenetleyici tabanlı
bir multimetre tasarlanarak uygulaması gerçekleştirilmiştir.
Tasarımı yapılan multimetre, ölçme devresi, sıfır geçiş
algılama devresi, AA/DA konvertör devresi ve
mikrodenetleyici devresinden oluşmaktadır. Ölçme devresi
yardımıyla uygun seviyeye dönüştürülen gerilim ve akım
sinyalleri sıfır geçiş algılama devresine ve AA/DA
konvertör devresine uygulanmaktadır. Bu devreler
yardımıyla elde edilen sinyaller mikrodenetleyicinin analog
ve dijital kanallarına uygulanmakta ve mikrodenetleyicide
hazırlanan yazılım yardımıyla güç sistemine ait yukarıda
bahsi geçen parametreler hesaplanarak LCD ekranda
kullanıcıya gösterilmektedir. Gerçekleştirilen multimetre
yardımıyla değişik karakteristikteki yüklerden alınan ölçüm
sonuçları, ölçüm hatasının %2 ile %3 arasında değiştiğini
göstermiştir. Ayrıca tasarlanan multimetrenin düşük
maliyetli ve kullanışlı olduğu görülmüştür.
Anahtar kelimeler: Güç sistemleri, Mikrodenetleyici
Abstract
In this study a multimeter based on microcontroller is
realized as design and application to measure parameters
for current, voltage, frequency, power factor, active power,
reactive power and apparent power. Designed multimeter
contains measuring circuit, zero crossing detection circuit,
AC/DC converter circuit and microcontroller circuit. Voltage
and current signals which are converted to suitable level
by means of measuring circuit are applied to zero crossing
detection and AC/DC converter circuits. Signals after zero
crossing detection and AC/DC converter circuits are sent
to analog and digital channels of microcontroller. By
means of software prepared for microcontroller,
upmentioned parameters that belong to the power system
are calculated and than displayed on LCD screen to the
user. Measurement results from loads that have various
characteristics have shown that designed multimeter has
accuracy within %2-%3. Additionally the multimeter has
been low cost and user friendly.
Keywords: Power systems, Microcontroller
1. Giriş
Elektrik enerjisinin üretimi ve tüketimi sırasında bilgi akışını
sağlamak, gerekli bilgileri toplamak, güç sistemlerinde
kullanılan yüklerin özelliklerinin ifade edilmesi, uygun
© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
koruyucu elemanların seçilmesi ve teknik personelin kendi
aralarındaki iletişimi sağlayabilmesi için ölçmeye ihtiyaç
duyulmaktadır [1]. Aynı zamanda güç sistemlerinde
kullanılan yüklerin; akım, gerilim ve güç değerleri doğru
şekilde ölçülürse; kullanılan koruyucu ve ayarlayıcı
elemanlar daha doğru ve güvenli şekilde seçilebilir.
Güç sistemlerinde gerçekleştirilen ölçümler akım, gerilim,
frekans, güç faktörü, aktif güç, reaktif güç, görünür güç, vb.
olarak sayılabilir. Klasik ölçü aletleriyle gerçekleştirilecek
bu ölçümler için çok sayıda ölçü aletine ihtiyaç
duyulmaktadır. Akım ölçmek için ampermetre, gerilim
ölçmek için voltmetre, frekans ölçmek için frekansmetre vb.
Özellikle son yıllarda teknolojinin hızla gelişmesiyle
beraber kullanılan bu ölçü aletleri tek çatı altında
toplanmıştır. Multimetre olarak adlandırılan bu ölçü aletleri
ölçüm yapılacak güç sisteminden aldıkları akım ve gerilim
bilgilerini kullanarak güç sistemine ait birçok parametreyi
ölçebilmektedirler. Bir başka deyişle birden fazla klasik
ölçü aletinin gerçekleştirebileceği ölçümleri tek bir ölçü
aletiyle gerçekleştirmek mümkündür. Ancak yukarıda
sayılan ölçümleri tek başına yapan multimetrelerin
fiyatlarının yüksek olması klasik ölçü aletlerine olan talebi
düşürememiştir.
Bu çalışmada, güç sistemlerinde birden çok ölçümü
gerçekleştiren mikrodenetleyici tabanlı bir multimetre
tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan
multimetre yardımıyla ölçüm yapılan güç sisteminin gerilim,
akım, frekans, güç faktörü, aktif güç, reaktif güç ve görünür
güç değerleri ölçülmüştür. Tasarımı yapılan multimetre;
ölçme devresi, sıfır geçiş algılama devresi, AA/DA
konvertör devresi ve mikrodenetleyici devresinden
oluşmaktadır. Ölçme devresi yardımıyla güç sisteminden
okunan akım ve gerilim sinyalleri sıfır geçiş algılama
devresi ile AA/DA konvertör devresinin girişine uygun AA
sinyale dönüştürülmüştür. Sıfır geçiş algılama devresi
yardımıyla ölçme devresinden alınan sinüsoidal akım ve
gerilim sinyalleri kare sinyale dönüştürülerek akım ve
gerilim sinyallerinin sıfırdan geçtiği anlar tespit edilmiştir.
AA/DA konvertör devresi ise ölçme devresinden aldığı
gerilim ve akıma ait sinüsoidal sinyalleri doğru akım
seviyeye
dönüştürmektedir.
Sıfır
geçiş
algılama
devresinden alınan dijital sinyaller ile AA/DA devresinin
çıkışından alınan analog sinyaller mikrodenetleyiciye
uygulanmaktadır. Mikrodenetleyiciye uygulanan dijital ve
analog
sinyaller
hazırlanan
yazılım
yardımıyla
değerlendirip; akım, gerilim, frekans, güç faktörü, aktif güç,
reaktif güç ve görünür güç değerleri hesaplanmakta ve
LCD ekrana yazdırılarak kullanıcı bilgilendirilmektedir.
Bayhan, S. ve Demirbaş, Ş.
Gerçekleştirilen multimetrenin mikrodenetleyici tabanlı
olması ve kullanılan çevre birimlerin de basit yapıda olması
multimetrenin piyasadaki benzer multimetrelere göre daha
düşük maliyetli olmasını sağlamıştır. Ayrıca birçok güç
sistemi parametresinin tek bir cihaz ile ölçülmesi kullanım
kolaylığı sağlarken karmaşık kablo bağlantılarını da
ortadan kaldırmıştır. Deneysel sonuçlar gerçekleştirilen
multimetrenin
kullanışlı,
düşük
maliyetli,
değişik
uygulamalara uyarlanabilir ve ölçüm hatasının %2 ile %3
arasında değiştiğini göstermiştir.
2. Geliştirilen Uygulama Devreleri
Geliştirilen multimetreye ait blok diyagram Şekil 1’ de
verilmiştir. Bu blok diyagram; akım ve gerilim sinyallerini
uygun düzeye dönüştüren bir ölçme devresi, sıfır geçiş
algılama devresi, AA/DA konvertör devresi ile
mikrodenetleyici devresinden oluşmaktadır. Tasarım ve
uygulamaları gerçekleştirilen bu devrelere ait bilgiler ve
blok diyagramları aşağıdaki alt başlıklarda detaylı olarak
verilmiştir.
Volt gerilim trafosu yardımıyla ölçülmektedir. Uygun
seviyeye düşürülen gerilim ve akım sinyalleri yükseltme
devrelerinin girişlerine uygulanarak gerekli kazançlar elde
edildikten sonra girişte yaşanabilecek herhangi bir
yükselmeyi sınırlamak için sinyal koşullama devrelerinin
girişlerine
uygulanmaktadır.
Güç
sistemlerinde
yaşanabilecek ani salınımlara karşı giriş değerleri bu devre
üzerinde sınırlanmaktadır. Bu devre sistemin kararlılığını
sağladığı gibi kısa süreli ani değişimlere hızlı tepki
vermesini engellemek amacına yönelik olarak ta
kullanılmıştır. Sinyal koşullama devresinin çıkışından
alınan sinüsoidal akım ve gerilim sinyalleri sıfır geçiş
algılama devresi ve AA/DA konvertör devresinin girişlerine
uygulanmaktadır.
2.2. Sıfır Geçiş Algılama Devresi
Ölçme kartından alınan sinüsoidal akım ve gerilim
sinyallerinin sıfırdan geçtiği anları tespit edebilmek
amacıyla bir sıfır geçiş algılama devresi tasarlanmıştır.
Sıfır geçiş algılama devresinin görevi akım ve gerilim
sinyallerinin sıfırdan geçtiği anda lojik 1 sinyali vermesidir.
Şekil 3’te sıfır geçiş algılama devresinin blok diyagramı
görülmektedir. Bu devre çıkışından elde edilen sinyal
mikrodenetleyicinin dijital kanallarına uygulanarak frekans
ve güç faktörü bilgileri elde edilmektedir.
Şekil 1. Geliştirilen multimetrenin blok diyagramı
2.1. Ölçme Devresi
Faz gerilimini ve akımını sıfır geçiş algılama devresi ile
AA/DA konvertör devresinin girişine uygun seviyeye sinüs
sinyali olarak dönüştürmek amacıyla bir ölçme devresi
tasarlanmıştır. Tasarlanan ölçme devresinin blok
diyagramı Şekil 2’de görülmektedir.
Şekil 3. Sıfır geçiş algılama devresi blok diyagramı
2.3. AA/DA Konverter Devresi
AA/DA konvertör devresi ölçme devresinden gelen akım ve
gerilime ait alternatif akım (AA) sinyallerini doğru akım
(DA) seviyeye dönüştürerek mikrodenetleyiciye analog
sinyal olarak hazırlayan devredir. Şekil 4’te gerçekleştirilen
konvertör devresinin blok diyagramı görülmektedir.
Şekil 2. Ölçme devresi blok diyagramı
Tasarlanan ölçme devresinde, ölçüm yapılacak güç
sisteminden gerilim ve akım bilgileri, gerilim ve akım
trafoları
yardımıyla
okunarak
uygun
seviyeye
düşürülmektedir. Bu amaçla akım bilgisi 1000/1
dönüştürme oranına sahip akım trafosu ile gerilim bilgisi
ise akım trafosunun bağlı olduğu faza bağlanan 250/13,5
Şekil 4. AA/DA konvertör devresi blok diyagramı
Bayhan, S. ve Demirbaş, Ş.
AA/DA konvertör devresinde AD536 [2] gerçek etkin değer
dönüştürücü entegre kullanılarak devrenin kararlılığı
artırılmıştır. Bu entegre yardımıyla devre girişinde yer alan
gerilim ve akıma ait alternatif akım sinyallerinin gerçek
etkin değerleri entegre içerisinde hesaplanarak çıkışa
doğru akım seviye olarak aktarılmaktadır.
2.4. Mikrodenetleyici Devresi
Sıfır geçiş algılama devresi ve AA/DA konvertör
devresinden gelen dijital ve analog bilgileri kullanarak
gerilim, akım, frekans, güç faktörü, aktif güç, reaktif güç ve
görünür güç değerlerini hesaplayan ve bir LCD ekranda
kullanıcıya gösteren devredir. Ayrıca mikrodenetleyici
devresinin ihtiyaç halinde diğer sistemlerle haberleşmesini
sağlamak amacıyla devre üzerine bir adet seri port
yerleştirilerek mikrodetleyicinin seri portu ulaşılabilinir
kılınmıştır. Şekil 5’te şeması verilen mikrodenetleyici
devresinde PIC 16F877 [3] mikrodenetleyicisi, dört satır
LCD ekran ve seri port kullanılmıştır.
Bu işlemler şu şekilde yapılmıştır: sıfır geçiş algılama
devresinden alınan iki adet kare dalga mikrodenetleyicinin
dijital iki bacağına uygulanmıştır. Akım ile gerilim
arasındaki faz açısını ve şebeke frekansını ölçmek için PIC
16F877 içerisinde bulunan TIMER1 zamanlayıcısı
kullanılmıştır. TIMER1 zamanlayıcısı PIC 16F877
içerisinde bulunan 16 bitlik bir zamanlayıcıdır. Bu
zamanlayıcı
birimi
kullanarak
ölçme
işlemi
hassaslaştırılmıştır. Gerilim bilgisi lojik 1 olduğu anda
TIMER1 zamanlayıcısı çalıştırılmaya başlanmıştır, akım
bilgisi lojik 1 olduğunda ise TIMER1 zamanlayıcısı
durdurulmuştur. TIMER1 zamanlayıcısının çalışmaya
başladığı andan durduğu ana kadar geçen zaman faz açısı
bilgisi olarak bir değişkende saklanmıştır.
Başla
Mikrodenetleyici
ayarlarının yapılması
Akım ve gerilim
bilgilerinin
okunması
Frekans ve faz
açısının tespit
edilmesi
Şekil 5. Mikrodenetleyici devresi
PIC 16F877 mikrodenetleyicisi 40 pinlidir, bunlardan 33 pin
giriş/çıkış, diğer 7 pin mikrodenetleyicinin çalıştırılması için
kullanılmaktadır. PIC 16F877 üzerinde 368 byte’ lık RAM
ve 256 byte EEPROM veri belleği vardır. 3 adet
zamanlayıcı/sayıcı, 2 adet algılama/karşılaştırma/DGM, 1
adet seri iletişim portu ve 8 adet 8/10 bitlik A/D konvertör
modülüne sahiptir. Tasarlanan sistemde mikrodenetleyici
kullanılmasıyla çevresel arabirimler, bir tümleşik aygıt
içinde birleştirildiğinden sistem hızı ve güvenilirliği artmış,
maliyet azalmıştır. Aynı zamanda kullanım kolaylığı
sağlanmış ve karmaşık yapı ortadan kaldırılmıştır.
Hesaplamaların
gerçekleştirilmesi
Bilgilerin LCD ekrana
yazılması
Hayır
Program sonlandırıldı mı?
3. Mikrodenetleyici Yazılımı
C programlama [4] dilinde hazırlanan mikrodenetleyici
yazılımının akış diyagramı Şekil 6’da verilmiştir. Yazılımda
başlangıç olarak; mikrodenetleyicinin kullanılacak pinleri,
analog okuma çözünürlüğü, kullanılacak sayıcı, vs.
tanımlamaları yapılmıştır. Hazırlanan yazılımda analog
okuma çözünürlüğü 10 bit, kullanılacak sayıcı TIMER1
olarak ayarlanmıştır. İkinci aşamada AA/DA devresinden
elde edilen akım ve gerilime ait doğru akım seviyeler
analog kanallardan okunmuştur. Bir sonraki aşamada sıfır
geçiş algılama devresinden elde edilen sinyaller
kullanılarak frekans ve faz açısı bilgilerinin elde edilmesi
için gerekli işlemler gerçekleştirilmiştir.
Evet
Son
Şekil 6. Mikrodenetleyici yazılımının akış diyagramı
Yine aynı işleme benzer bir işlem frekans bilgisini elde
etmek için tekrarlanmıştır, bu defa gerilim bilgisi lojik 1
olduğu
anda
TIMER1
zamanlayıcısı
çalışmaya
başlatılmıştır, gerilim bilgisi lojik 0 olduğunda ise TIMER1
zamanlayıcısı durdurulmuştur. TIMER1 zamanlayıcısının
çalıştırılmaya başladığı andan durdurulduğu ana kadar
geçen zaman frekans bilgisi olarak başka bir değişkende
saklanmıştır. Ölçülen bu faz açısı bilgisi ve frekans bilgisi
Bayhan, S. ve Demirbaş, Ş.
mikrodenetleyici içerisinde uygun matematiksel işlemlere
tabi tutularak ölçüm yapılan sistemin güç faktörü ve
frekans bilgisi elde edilmiştir. Bir sonraki aşamada ise
ölçülen (akım, gerilim) ve hesaplanan (güç faktörü) bu
değerler yardımıyla aktif güç, reaktif güç ve görünür güç
değerleri yine uygun matematiksel işlemler yardımıyla
mikrodenetleyici içerisinde hesaplanmıştır. Son olarak
ölçülen ve hesaplanan tüm değerler (akım, gerilim,
frekans, güç faktörü, aktif güç, reaktif güç, görünür güç)
LCD ekrana yazdırılarak kullanıcının anlık olarak ölçüm
yapılan güç sistemini takip etmesi sağlanmıştır.
4. Deneysel Çalışmalar
Şekil 7’de gerçekleştirilen multimetreye ait fotoğraf
verilmiştir.
Verilen
fotoğraf
üzerinde
tasarımı
gerçekleştirilen multimetrenin her bir parçası ayrı ayrı
gösterilmiştir. Bunlar sırası ile ölçme devresi, sıfır geçiş
algılama devresi, AA/DA konvertör devresi ve
mikrodenetleyici devresi olmak üzere 4 kısımdan
oluşmaktadır.
Şekil 7. Tasarlanan multimetreye ait fotoğraf
Şekil 8. Deney düzeneğinin fotoğrafı
Deney düzeneği ilk olarak 1 kW’lık omik yük üzerinde test
edilmiş, daha sonra 0.65 kW gücünde bir asenkron motor
devreye alınarak her iki yük devredeyken test sonuçları
incelenmiştir. Şekil 9 ve Şekil 10’da gerçekleştirilen
multimetrenin ölçüm sonuçlarıyla beraber ölçüm hatası %2
olan diğer multimetrenin ölçüm sonuçları birlikte
görülmektedir.
Şekil 9. Omik yük devredeyken ölçüm sonuçları
Gerçekleştirilen multimetre çeşitli yük durumlarında test
edilmiştir. Şekil 8’de gerçekleştirilen deney düzeneğinin
fotoğrafı görülmektedir. Sırasıyla omik ve endüktif
karakterli yükler devreye alınarak, gerçekleştirilen sistem
yardımıyla elde edilen sonuçlar ölçüm hatası % 2 olan
Lucas Nulle [5] marka multimetre ile karşılaştırılmıştır.
Şekil 10. Omik yük ve asenkron motor devredeyken ölçüm
sonuçları
Yapılan deneyler sonunda gerçekleştirilen multimetrenin
ölçüm hatasının %2 ile %3 arasında değiştiği görülmüştür.
5. Sonuçlar
Bu çalışmada bir fazlı güç sistemlerinde gerçekleştirilen
değişik ölçümleri tek bir cihazda toplayan bir multimetre
tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen
multimetre yardımıyla değişik karakteristikteki yüklerden
Bayhan, S. ve Demirbaş, Ş.
alınan ölçüm sonuçları hata oranı %2 olan bir
multimetreden alınan değerler ile karşılaştırılmış ve ölçüm
hatasının %2 ile %3 arasında değiştiği görülmüştür.
Geliştirilen multimetrenin piyasadaki multimetrelere göre
önemli üstünlüklerinden birisi, mikrodeneteleyici devresi
üzerine yerleştirilen seri port yardımıyla, donanımda hiçbir
değişiklik yapmadan sadece mikrodenetleyici programında
yapılacak değişikliklerle reaktif güç rölesi gibi sürekli güç
sistemlerinin
izlenmesi
gereken
sistemlerle
haberleşebilmesidir.
Ayrıca
birçok
güç
sistemi
parametresinin tek bir cihaz ile ölçülmesi kullanım kolaylığı
sağlarken karmaşık kablo bağlantılarını da ortadan
kaldırmıştır.
Deneysel
sonuçlar
gerçekleştirilen
multimetrenin
kullanışlı,
düşük
maliyetli,
değişik
uygulamalara uyarlanabilir ve ölçüm hatasının %2 ile %3
arasında değiştiğini göstermiştir.
Bunlara ek olarak gerçekleştirilen multimetrenin uygulama
devrelerinin sayıları artırılarak ve mikrodenetleyici yazılımı
geliştirilerek üç fazlı güç sistemlerinde de benzer ölçümleri
yapmak mümkün görülmektedir.
Kaynaklar
[1] Soydal, O., Ölçme Tekniği ve Laboratuvarı, MEB
Yayınları, Ankara, 2000
[2] AD536 Data Sheet Analog Devices Inc., 1999,
http://www.analog.com
[3] PIC16F87X Data Sheet, Microchip Technology Inc.,
2001, http://www.microchip.com
[4] Çiçek, S., CCS C ile PIC Programlama, Altaş
Yayıncılık, İstanbul, 2007.
[5] Analog/digital multimeter, wattmeter and power-factor
meter data sheet, 2008, http://www.lucas-nuelle.de
Download