Счетчик моточасов с датчиком тока на ATmega48

Многие устройства могут находиться в режиме ожидания во время простоя. Они не выполняют никакой работы, как будто выключены, но цепи управления находятся под напряжением. Чтобы извлечь полезную с точки зрения рабочего времени информацию, ее придется искать внутри устройства, что может привести к потере гарантии.

Описываемый счетчик времени работы снабжен трансформатором тока, задачей которого является измерение тока, потребляемого устройством. Если он поднимается выше установленного вручную порога, устройство считается работающим и отсчитывается время его фактической работы. Для этого достаточно продеть один из проводов питания через отверстие в трансформаторе тока.

Принципиальная схема

Принципиальная схема счетчика рабочего времени представлена на рисунке 1. В нем используется микроконтроллер ATmega48PA. В этом исполнении его большим преимуществом является возможность работы от напряжения питания 1,8 В. Это имеет ключевое значение при записи данных в энергонезависимую память EEPROM, когда система питается только от фильтрующих емкостей. Частота генератора, тактирующего микроконтроллер, стабилизирована кварцевым резонатором(4 МГц). Тот же генератор используется для измерения времени.

Дисплей имеет 4 разряда, каждый с общим анодом. Управление всеми сегментами происходит непосредственно с выводов микроконтроллера, поскольку ток сегмента ограничен примерно 2,5 мА, так что весь дисплей не потребляет более 20 мА.

Питание подается на разъем J1. Диод D1 защищает элементы от повреждения в случае неправильного подключения питающего напряжения. Стабилизированное напряжение 5 В используется для питания аналоговой части и резистивного делителя. Этот делитель в нормальных условиях работы питает инвертирующий вход встроенного в микроконтроллер компаратора с потенциалом около 2,5 В. В свою очередь, неинвертирующий вход подключается к внутреннему опорному источнику с напряжением 1,23 В. при этом на выходе компаратора присутствует лог. 0.

В момент пропадания питания стабилизатор перестает питать делитель и выход компаратора устанавливается в лог. 1. Этот нарастающий фронт вызывает запуск службы прерывания, при которой дисплей отключается, а значение текущего времени записывается в память EEPROM. Такое решение не нагружает EEPROM, что оправдано, т.к. количество циклов записи/чтения этой памяти ограничено.

Разъем J2 используется для программирования микроконтроллера, припаянного к плате. Этот процесс осуществляется через стандартный интерфейс ISP(внутрисистемное программирование).

Провода, ведущие к трансформатору тока, подключаются к клеммам разъема J3. Резистор R15 нагружает обмотку, тем самым накапливая в ней напряжение. Для используемого в прототипе трансформатора АСМ-010 фирмы Talema нагрузочный резистор должен иметь сопротивление 50 Ом. На самом деле был использован резистор с удвоенным сопротивлением, т.к. важна чувствительность, а не линейность.

Синусоидальное напряжение, подаваемое на R15, имеет амплитуду в диапазоне милливольт. Микроконтроллер не в состоянии зарегистрировать такие небольшие колебания напряжения. Для этого был добавлен ОУ с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. Первый каскад имеет жестко заданный коэффициент усиления, примерно 100. Стоит отметить, что напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход ОУ, двухполярное, а сам усилитель питается несимметрично. Усиливается только положительная половина приходящей синусоиды, а отрицательная опускается, поскольку не несет никакой дополнительной информации. Это значительно упрощает компоновку. Входной каскад LM358 может работать правильно до тех пор, пока мгновенный потенциал любого из входов не упадет ниже -0,3 В, что приведет к размыканию перехода база-коллектор. Работа схемы гарантируется если пиковое напряжение на резисторе R15 не превысит примерно 100 мВ.

Второй каскад усилителя имеет регулируемое усиление от 1 до примерно 500. Конденсатор C9 отделяет постоянную составляющую, чтобы второй каскад не насыщался постоянным напряжением, которое он получает с выхода первого каскада. Резистор R18 подтягивает этот вход к нулевому потенциалу. Постоянная времени цепи С9…R18 настолько велика (100 мс), что конденсатор не перезаряжается и переменный сигнал частотой 50…60 Гц практически «не замечает» его присутствие.

На рисунке 2 показаны осциллограммы входного напряжения на резисторе R15(синий) и выходного напряжения(желтый), измеренные на выходе US3B. Синусоидальный сигнал с амплитудой около 1 мВ усиливается до импульсов с максимальным напряжением около 3,8 В со смещением около 0,5 В. Через трансформатор продет провод для подачи питания на лампочку мощностью 28 Вт, коэффициент усиления установлен на максимум.

Такое максимальное значение выходного напряжения обусловлено ограничениями микросхемы LM358, выходной каскад которой полностью поддерживает напряжение, близкое к отрицательному потенциалу линии питания. Однако он будет правильно интерпретирован микроконтроллером: достаточно, чтобы пиковое значение этих импульсов превышало 3 В. Смещение является результатом напряжения смещения усилителя и нескомпенсированных входных токов. Его значение зависит от установленного усиления. Для данного микроконтроллера оно не может иметь значение больше 1,5 В, потому что по входному регистру не получится различить логические состояния.

Очень высокий коэффициент усиления по напряжению не несет риска возбуждения. Это связано с низким частотным пределом микросхемы LM358, который составляет 1 МГц. Таким образом, полоса пропускания первого каскада ограничена примерно 10 кГц, а второго каскада - примерно 2 кГц.

В ходе испытаний система не проявляла склонности к возбуждению, поэтому не добавлялось никаких элементов, которые дополнительно формировали бы АЧХ. Измеренное время нарастания выходного напряжения составляет 700 мс, что соответствует верхней предельной частоте 500 Гц.

Конструкция

Счетчик времени работы смонтирован на двухсторонней печатной плате, схема сборки которой показана на рисунке 3. Проще всего начать сборку с элементов поверхностного монтажа, поскольку все они расположены на нижней стороне платы. Кстати, одну перемычку стоит замкнуть каплей припоя, что соответствует требуемому режиму отсчета:

- ZW1: дни в диапазоне 0..9999.
- ZW2: дни и часы в диапазоне 00:00..99:23.
- ZW3: часы и минуты в диапазоне 00:00..23:59.

Конденсатор С8 следует установить на более длинных ножках, чтобы его можно было разместить на поверхности платы горизонтально. Кварцевый резонатор Q1 тоже следует припаять на более длинных ножках, но только так, чтобы его металлический корпус не закорачивал дорожки под ним.

Правильно собранное устройство можно запрограммировать прошивкой в виде HEX-файла. Перед этим следует отключить деление тактовой частоты на 8 (защитный бит CKDIV8) и настроить тактирование микроконтроллера на внешний кварцевый резонатор 3…8 МГц. Для обеспечения правильного запуска устройства к разъему J3 следует подключить трансформатор тока, а потенциометр P1 установить на максимум. Если длина соединения между трансформатором и платой будет больше нескольких сантиметров, можно рассмотреть возможность использования экранированного кабеля, затем его оплетку соединить с клеммой заземления в разъеме J3.

Настройка и эксплуатация

Единственная начальная операция, которую необходимо выполнить, — это настроить усиление аналоговой линии. Проще всего это сделать, протянув один из кабелей питания контролируемого устройства через трансформатор тока и установив потенциометр Р1 таким образом, чтобы правильно распознавался момент перехода в дежурный режим. Об отсчете времени сигнализирует мигание точки с частотой 0,5 Гц. При подсчете дней она находится в конце текущего количества дней, в противном случае она находится посередине и разделяет два значения. Когда потребляемый ток ниже минимального значения, импульсы с выхода усилителя уже не будут иметь амплитуду, достаточную для того, чтобы их можно было интерпретировать как высокий логический уровень во входном регистре микроконтроллера. Отсчет времени останавливается, и точка перестает мигать. Для защиты системы от мгновенных падений амплитуды, вызванных, например, помехами, обратный отсчет продолжается в течение 1 с с момента последнего обнаружения логической «1» на входе. Если за это время нет следующего импульса, счетчик останавливается.

Сброс сохраненных показаний происходит в такой последовательности:

1. Отключите питания счетчика.
2. Установите перемычку на контакты 4 и 5 разъема J2 (с маркировкой "ZERO").
3. Включите питание и затем снимите перемычку.

В связи с тем, что наличие перемычки проверяется только при пуске, отсутствует риск сброса счетчика при случайном замыкании этих контактов во время работы.

Превышение счета, т.е. достижение максимального значения для данного диапазона, сигнализируется 4 горизонтальными линиями на дисплее. В свою очередь, ошибка чтения положения перемычек ZW1...ZW3 (закорочено или отсутствует более одной) сигнализируется системой словом "Err". Их положение также проверяется только после включения питания или перезагрузки микроконтроллера.

Если окажется, что чувствительность схемы слишком низкая, то сопротивление R15 можно увеличить. В противном случае, если через проводник протекает большой ток, трансформатор следует использовать соответвующий, чтобы он не был поврежден. Трансформатор ASM-010 рассчитан максимум на 10 А.

Схема LM358, несомненно, дешева, но ее недостатком является относительно высокое напряжение смещения, которое может - при очень неблагоприятных условиях - маскировать входной синусоидальный сигнал. Если описанные выше изменения не работают, вы можете рассмотреть возможность использования другого операционного усилителя, например TLC277. Важно, чтобы его входной каскад корректно работал с напряжением, близким к нулю.

После настройки система счетчика готова к работе. Потребляемый ток составляет примерно 11…15 мА, в зависимости от текущего содержимого светодиодного дисплея. Питание должно подаваться постоянным напряжением, хорошо отфильтрованным и не обязательно стабилизированным, в диапазоне 8...30 В.