Medidor de Potencia Activa Monofásico y Trifásico - Edudevices
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COMENTARIO TÉCNICO<br />
Buceando<br />
en los MCUs<br />
Freescale......<br />
Por Ing. Daniel Di Lella<br />
Dedicated Field Application Engineer<br />
EDUDEVICES<br />
www.edu<strong>de</strong>vices.com.ar<br />
dilella@arnet.com.ar<br />
“<strong>Medidor</strong> <strong>de</strong> <strong>Potencia</strong> <strong>Activa</strong> <strong>Monofásico</strong> y <strong>Trifásico</strong>”<br />
Por Ing. Aranda, Roberto Carlos / Ing. Teseyra, Rene Julio / Lutfi David,<br />
Ortiz Rodrigo – FMA - UCSE<br />
Muchas veces al comenzar un <strong>de</strong>sarrollo nos encontramos ante una verda<strong>de</strong>ra<br />
“encrucijada” cuando empezamos a analizar las distintas variantes disponibles para<br />
implementar una solución que a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> ser efectiva cuente con otros atributos como<br />
sencillez, robustez, etc., etc.... y todos los que estamos ligados <strong>de</strong> alguna u otra forma a<br />
este “cruel mundo <strong>de</strong> la tecnología” sabemos perfectamente que no es algo sencillo <strong>de</strong><br />
lograr para muchos <strong>de</strong> nosotros los “mortales”....<br />
Esta aplicación que les entregaré en los próximos artículos tiene, a mi juicio, muchos <strong>de</strong><br />
los atributos anteriormente citados. Espero que sea <strong>de</strong> vuestro agrado e “ilumine” o<br />
dispare i<strong>de</strong>as que puedan aprovechar en vuestros proyectos.<br />
Descripción General <strong>de</strong> la Aplicación<br />
Esta aplicación consiste en la implementación <strong>de</strong> un medidor digital <strong>de</strong> potencia activa<br />
monofásica y trifásica para sistemas <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> baja tensión <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el rango <strong>de</strong><br />
220V a 380V y 50Hz <strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong> línea. El mismo fue <strong>de</strong>sarrollado a partir <strong>de</strong> un<br />
MCU <strong>de</strong> la familia HC908 como el MC908GP32 pero pue<strong>de</strong> fácilmente adaptarse a<br />
otros más potentes <strong>de</strong> la familia HC9S08 sin mayores modificaciones, más el agregado<br />
<strong>de</strong> los correspondientes circuitos adquisidores <strong>de</strong> señales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la red eléctrica.
El diagrama operativo <strong>de</strong>l sistema es mostrado en la figura 1, en el cual po<strong>de</strong>mos<br />
observar los principales bloques constituyentes:<br />
a) M1. Placa Sensores <strong>Potencia</strong> Opto aislada.<br />
b) MP. MCU MC908GP32, unidad central <strong>de</strong> control y procesamiento.<br />
c) M2. Interfase Serial Opto aislada a PC RS-232.<br />
d) T1.T2.T3 y T4. Teclas.<br />
e) D1. Display inteligente LCD 16x2 con Backlight.<br />
f) RTC. Reloj en Tiempo Real DS1307 <strong>de</strong> la firma Dallas.<br />
De acuerdo a las especificaciones requeridas en este tipo <strong>de</strong> aplicaciones, el sistema es<br />
auto alimentado <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la red eléctrica, posee indicaciones <strong>de</strong> salida por display LCD <strong>de</strong>l<br />
tipo inteligente <strong>de</strong> 16x2, y comunicación serial RS-232 opto aislada, a fin <strong>de</strong> garantizar<br />
un correcto aislamiento galvánico - eléctrico.<br />
En su modo normal <strong>de</strong> trabajo permite la medición y registro <strong>de</strong> las potencias activas<br />
monofásicas o trifásicas, para cargas balanceadas y/o <strong>de</strong>sbalanceadas.<br />
Las lecturas son presentadas en un Display LCD <strong>de</strong> 16 caracteres por 2 líneas,<br />
simultáneamente lleva un registro <strong>de</strong> las lecturas realizadas, con información <strong>de</strong> fecha y<br />
hora, para lo cual dispone <strong>de</strong> un reloj basado en el circuito integrado DS1307, el lector<br />
pue<strong>de</strong> implementar dicho reloj utilizando el módulo “TBM” (Time Base Module) <strong>de</strong>l<br />
GP32 (HC908) o bien, utilizando el módulo RTI disponible en todos los dispositivos <strong>de</strong><br />
la familia HC9S08. La comunicaron serial RS-232 con optoaislamiento permite la<br />
transmisión <strong>de</strong> los datos registrados a una PC (Computadora Personal) ya sea en el<br />
momento <strong>de</strong> la lectura, modo on-line, o bien a posteriori a fin <strong>de</strong> utilizar un software <strong>de</strong><br />
procesamiento estadístico <strong>de</strong> datos <strong>de</strong>sarrollado específicamente para esta aplicación, el<br />
que a<strong>de</strong>más permitirá, por ejemplo, el monitoreo remoto y lectura <strong>de</strong> los datos a través<br />
<strong>de</strong> una aplicación WEB.<br />
Figura 1: Diagrama en bloques <strong>de</strong>l Sistema
Descripción <strong>de</strong> los Módulos <strong>de</strong>l Sistema<br />
Como se menciono anteriormente la etapa <strong>de</strong> control, esta implantada en torno al<br />
Microcontrolador MC908GP32, el cual si bien resulta sobre dimensionado para esta<br />
aplicación especifica, resultó el mas a<strong>de</strong>cuado en función <strong>de</strong> la herramienta <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>sarrollo que se tenía disponible en el laboratorio para la línea Freescale, pero el lector<br />
pue<strong>de</strong> utilizar cualquier MCU <strong>de</strong> la familia HC908 o HC9S08 que disponga <strong>de</strong> un<br />
puerto serial y las líneas suficientes I/O como para manejar el LCD y las entradas <strong>de</strong> los<br />
sensores. Resulta claro que el procesamiento y comunicación <strong>de</strong> datos es implementado<br />
en el software <strong>de</strong>sarrollado específicamente para el MCU, y que escapa al concepto <strong>de</strong><br />
los futuros artículos a <strong>de</strong>sarrollar. Básicamente este software gestiona la adquisición <strong>de</strong><br />
datos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el modulo correspondiente, la presentación <strong>de</strong> los mismos por medio <strong>de</strong>l<br />
Display LCD, y la comunicación serial con una computadora personal.<br />
El Modulo <strong>de</strong> adquisición y calculo <strong>de</strong> las potencias activas, es una configuración<br />
circuital que permite la lectura <strong>de</strong> potencias y entrega como salida un valor <strong>de</strong> tensión<br />
continua proporcional a las mismas. De esta forma el software <strong>de</strong> control resulta<br />
sumamente simplificado ya que en <strong>de</strong>finitiva se trata <strong>de</strong> la adquisición y gestión <strong>de</strong><br />
valores continuos (proporcionales a las potencias medidas) por parte <strong>de</strong>l<br />
microcontrolador.<br />
El funcionamiento <strong>de</strong> este módulo <strong>de</strong> medición <strong>de</strong> potencias pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>scripto<br />
brevemente <strong>de</strong> la manera siguiente, en referencia al diagrama mostrado, el conversor<br />
óptico entrega una señal <strong>de</strong> tensión continua proporcional al valor <strong>de</strong> la potencia<br />
consumida en la carga, este valor tiene un off-set <strong>de</strong> 2.5 V, <strong>de</strong> esta forma, al pasar por<br />
un conversor A/D <strong>de</strong> 8 bits, el valor digital correspondiente variará entre 0 y 127, se<br />
logra entonces que cada bit sea equivalente a una lectura <strong>de</strong> 20W, mayor resolución en<br />
la lectura pue<strong>de</strong> obtenerse utilizando cualquier MCU <strong>de</strong> la familia HC9S08 con<br />
conversores A/D <strong>de</strong> 10 Bits <strong>de</strong> resolución.<br />
Este puente es conocido como configuración <strong>de</strong> Woodward, por lo cual en este<br />
<strong>de</strong>sarrollo fue diseñado para una potencia máxima <strong>de</strong> 1200 W, la que pue<strong>de</strong> ser<br />
modificada fácilmente mediante el rediseño <strong>de</strong> esta etapa. Se adopto este modo <strong>de</strong><br />
trabajo, por consi<strong>de</strong>rarlo interesante en función <strong>de</strong> la simplificación <strong>de</strong> la adquisición <strong>de</strong><br />
los datos primarios (corrientes y tensiones), y fundamentalmente <strong>de</strong>l <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong>l<br />
software para el microcontrolador favoreciendo así su portabilidad a otros dispositivos.<br />
La comunicación serial, es bajo la norma RS-232, clásica entre dispositivos <strong>de</strong> este tipo<br />
y computadoras personales, disponiendo como se anticipo <strong>de</strong> la a<strong>de</strong>cuada separación<br />
óptica (aislación galvánica) para el aislamiento eléctrico, dada las características <strong>de</strong>l<br />
sistema.<br />
En cuanto al programa esta dividido en las siguientes etapas:<br />
A) Or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el teclado, PC o WEB para inicio <strong>de</strong> las mediciones<br />
B) Inicia toma <strong>de</strong> las muestras <strong>de</strong> los 3 canales cada 10 mseg, correspondientes a<br />
las fases RST.<br />
C) Una ves que ha completado 100 muestras (correspon<strong>de</strong> a 1 segundo <strong>de</strong> lectura)<br />
calcula el promedio <strong>de</strong> las mismas.<br />
D) Registra las lecturas instantáneas y promedios <strong>de</strong> potencias.
E) Rutina <strong>de</strong> volcado a la Flash (grabación en Flash).<br />
F) Rutina <strong>de</strong> presentación los datos por el LCD, y lectura <strong>de</strong> teclado.<br />
G) Rutina <strong>de</strong> Comunicación Serial RS-232.<br />
El programa <strong>de</strong> gestión y estadística <strong>de</strong> datos en la computadora personal esta<br />
realizado en un entorno visual, con interfase a base <strong>de</strong> datos en MySQL, en la cual se<br />
almacena los valores medidos, con la información <strong>de</strong> fecha, hora, ID <strong>de</strong> la lectura, etc.<br />
Este software también implementa el enlace WEB a fin <strong>de</strong> dar flexibilidad <strong>de</strong> monitoreo<br />
al sistema.<br />
Diagramas Electrónicos <strong>de</strong>l Sistema<br />
A continuación se muestran los respectivos circuitos electrónicos <strong>de</strong>sarrollados para esta<br />
aplicación.<br />
Microcontrolador<br />
5V<br />
C16<br />
100 nF<br />
RS<br />
E<br />
D4<br />
D5<br />
D6<br />
D7<br />
AD0<br />
AD1<br />
AD2<br />
C8<br />
33<br />
34<br />
35<br />
36<br />
37<br />
38<br />
39<br />
40<br />
23<br />
24<br />
25<br />
26<br />
27<br />
28<br />
29<br />
30<br />
U4<br />
31<br />
32<br />
19<br />
Vss<br />
20<br />
Vdd<br />
PTA0/KBD0<br />
PTA1/KBD1<br />
PTA2/KBD2<br />
PTA3/KBD3<br />
PTA4/KBD4<br />
PTA5/KBD5<br />
PTA6/KBD6<br />
PTA7/KBD7<br />
PTB0/AD0<br />
PTB1/AD1<br />
PTB2/AD2<br />
PTB3/AD3<br />
PTB4/AD4<br />
PTB5/AD5<br />
PTB6/AD6<br />
PTB7/AD7<br />
Vddad/Vrefh (ADC)<br />
Vssad/Vrefl (ADC)<br />
MC68HC908GP32<br />
PTC0<br />
PTC1<br />
PTC2<br />
PTC3<br />
PTC4<br />
PTD0/SS<br />
PTD1/MISO<br />
PTD2/MOSI<br />
PTD3/SPSCK<br />
PTD4/T1CH0<br />
PTD5/T1CH1<br />
PTE0/TxD<br />
PTE1/RxD<br />
OSC2<br />
OSC1<br />
RST<br />
IRQ<br />
VDDA (PLL)<br />
VSSA (PLL)<br />
CGMXFC (PLL)<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
15<br />
16<br />
17<br />
18<br />
21<br />
22<br />
12<br />
13<br />
4<br />
5<br />
6<br />
14<br />
1<br />
2<br />
3<br />
5V<br />
R10_1<br />
10K<br />
J10<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
CON4<br />
SW2<br />
1 4<br />
2 3<br />
USUARIO_1<br />
C10_1 100nF<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
J9<br />
CON4<br />
R9<br />
10K<br />
1<br />
2<br />
5V<br />
R10_2<br />
10K<br />
SW3<br />
1 4<br />
2 3<br />
USUARIO_2<br />
C10_2 100nF<br />
5V<br />
R10_3<br />
10K<br />
J8<br />
CON2<br />
C6 22pF<br />
TX<br />
RX<br />
R7<br />
Y1<br />
4,9152MHZ<br />
10M<br />
C9 100nF C7 22pF<br />
SW1<br />
1 4<br />
2 3<br />
RESET<br />
SW4<br />
1 4<br />
2 3<br />
USUARIO_3<br />
C10_3 100nF<br />
5V<br />
100nF<br />
5V
Puente Adquisidor Woodward <strong>Medidor</strong> <strong>de</strong> <strong>Potencia</strong>s ( FASE GENERICA x 3)
Interface Serial Optoacoplada<br />
5V_2<br />
5V GND RX TX<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
J6<br />
C15<br />
10uF<br />
5V_2 5V 5V_2<br />
5V<br />
5V_2<br />
U7<br />
6<br />
4N25<br />
1<br />
C13<br />
10uF<br />
C14<br />
10uF<br />
5V_2<br />
C11<br />
10uF<br />
13<br />
8<br />
11<br />
10<br />
1<br />
3<br />
4<br />
5<br />
2<br />
6<br />
C12<br />
10uF<br />
U5<br />
R1IN<br />
R2IN<br />
T1IN<br />
T2IN<br />
C+<br />
C1-<br />
C2+<br />
C2-<br />
V+<br />
V-<br />
15<br />
16<br />
GND<br />
VCC<br />
MAX232<br />
R1OUT<br />
R2OUT<br />
T1OUT<br />
T2OUT<br />
12<br />
9<br />
14<br />
7<br />
R15 4K7 Q6<br />
2<br />
BC557<br />
D6<br />
LED Amarillo<br />
R22<br />
330<br />
3<br />
1<br />
R16<br />
330<br />
U6 4N25<br />
1 6<br />
5<br />
4<br />
2<br />
R14<br />
4K7<br />
RX<br />
Q2<br />
2<br />
BC548<br />
R13<br />
4K7<br />
1<br />
3<br />
3<br />
1<br />
Q5<br />
2<br />
BC557<br />
R17<br />
4K7<br />
5<br />
4<br />
R18<br />
4K7<br />
2<br />
1<br />
3<br />
D5<br />
LED Ver<strong>de</strong><br />
R12 R21<br />
330 330<br />
Q1<br />
2<br />
BC548 R11<br />
4K7<br />
TX<br />
Fuente <strong>de</strong> Alimentación<br />
J1<br />
1<br />
2<br />
9V AC<br />
6 5 4<br />
SW5<br />
Botón <strong>de</strong> Enc.<br />
1 2 3<br />
1<br />
F1<br />
1A<br />
4 - + 2<br />
D1<br />
3<br />
Puente Rect<br />
C2<br />
470uF<br />
C4<br />
220nF<br />
U3<br />
1<br />
VIN<br />
GND<br />
3<br />
L7805/TO220<br />
2<br />
VOUT<br />
C5<br />
100nF<br />
C3<br />
470uF<br />
D4<br />
R20<br />
330<br />
5V<br />
R5<br />
5,1K<br />
2,5V<br />
LED_ROJO<br />
R6<br />
5,1K<br />
5V<br />
Conectores<br />
5V<br />
2,5V<br />
AD0<br />
AD1<br />
AD2<br />
J2<br />
1<br />
2<br />
3<br />
Alimentacion<br />
J3<br />
1<br />
2<br />
3<br />
R19<br />
100<br />
J4<br />
1<br />
2<br />
Retroiluminación<br />
P2<br />
10K<br />
5V<br />
1<br />
3<br />
2<br />
D4<br />
D6<br />
J5<br />
1<br />
3<br />
5<br />
7<br />
9<br />
11<br />
13<br />
2<br />
4<br />
6<br />
8<br />
10<br />
12<br />
14<br />
Conector LCD<br />
5V<br />
RS<br />
E<br />
D5<br />
D7<br />
Conversor
VCC 5v<br />
RTC<br />
SDA<br />
SCL<br />
R24<br />
4K7<br />
R25<br />
4K7<br />
D7<br />
LED SEGUNDO<br />
Y2<br />
32.768Khz<br />
1<br />
BT1<br />
1<br />
2<br />
3<br />
U4<br />
X1<br />
X2<br />
VBAT<br />
4<br />
DS1307<br />
SCLK<br />
SDA<br />
GNDSQW/OUT<br />
VCC<br />
6<br />
5<br />
7<br />
8<br />
C19<br />
100nf<br />
R26 10K<br />
R27<br />
2 1<br />
JP1 JUMPER<br />
4K7<br />
2<br />
1<br />
3<br />
R28<br />
330<br />
Q5<br />
BC547<br />
3V<br />
2<br />
Especificaciones Generales <strong>de</strong>l Sistema<br />
<strong>Potencia</strong>: <strong>Activa</strong>, Monofásica o Trifásica 220 V/ 380 V, 50 HZ. Rango 0 -1200 W<br />
(Ampliable según Configuración).<br />
Lecturas: Display LCD 16 x 2, <strong>Potencia</strong>s Por Fases, <strong>Potencia</strong> Total<br />
y <strong>Potencia</strong> Pico.<br />
Comunicación: a PC mediante RS-232.<br />
Software: Hyperterminal <strong>de</strong> Windows o similar.<br />
Aislamiento: Optoacoplado.<br />
Alimentación: Des<strong>de</strong> la Misma Red.<br />
Continuará .....<br />
Nota <strong>de</strong> Redacción: El lector pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>scargar este artículo y artículos anteriores <strong>de</strong><br />
“Buceando...” <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la sección “Artículos Técnicos” en el sitio web <strong>de</strong> EduDevices<br />
(www.edu<strong>de</strong>vices.com.ar )