Digital Watt Meter วัดแรงดัน/กระแสไฟฟ้ากระแสสลับด้วย Arduino Uno

.

Digital Watt Meter วัดแรงดัน/กระแสไฟฟ้ากระแสสลับด้วย Arduino

อภิรักษ์  นามแถ่ง

(aphirak112@gmail.com)

งบประมาณ 2,200 บาท

 

                โครงงานนี้จะใช้ Arduino เชื่อมต่อกับไอซี ADE7763 เพื่อวัดค่าแรงดัน กระแส คำนวณเป็นพลังงานที่โหลดใช้ไป เหมาะกับท่านที่กำลังมองหาเครื่องมือวัดกำลังงานที่จ่ายให้กับโหลดหรือแม้กระทั่งต่อยอดทำเป็นระบบ IoT ก็สามารถทำได้เลย

Digital Watt Meter เป็นเครื่องที่สามารถบอกได้ว่าขณะนี้โหลดที่ท่านใช้งานอยู่นั้นใช้พลังงานกี่วัตต์ ในบางงานที่ต้องการวิเคราะห์พลังงานสูญเสียหรือในบางสถานที่ข้อมูลเหล่านี้จำเป็นต้องทราบ แม้กระทั่งในยุคปัจจุบันกระแสของ IoT กำลังมาแรง ท่านอาจจะนำค่าที่อ่านได้นี้ขึ้นระบบคลาวด์ (Cloud) ดังที่วารสารเราได้เคยนำเสนอมาบ้างแล้ว แต่จะอยู่ในลักษณะของการดูค่าอุณหภูมิ ความชื้น ผ่านเครือข่ายอินเทอร์เน็ต เป็นต้น

ข้อดีอีกอย่างหนึ่งของโครงงานนี้ คือ ท่านสามารถเก็บข้อมูลไว้คำนวณค่าไฟที่จะต้องจ่ายได้ เพราะเราจะสามารถตรวจสอบได้ว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละตัวนั้นใช้พลังงานไปเท่าไหร่ รวมไปถึงใช้ข้อมูลนี้ไปวิเคราะห์หาความผิดปกติของเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละตัวได้ หากเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นๆ กินพลังงานสูงเกินเกินกว่าที่ระบุไว้ แน่นอนว่าข้อมูลนี้สามารถนำไปหาแนวทางการประหยัดไฟฟ้าได้ด้วยเช่นกัน

ก่อนที่เราจะทราบอัตราค่าไฟฟ้านั้น เราควรจะทราบว่า เครื่องใช้ไฟฟ้านั้นๆ ใช้ไฟฟ้าหรือกินไฟเท่าไหร่เสียก่อน โดยสังเกตคู่มือการใช้งานหรือแถบป้ายที่ติดอยู่กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เขียนว่า “กำลังไฟฟ้า” มีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt) ถ้าเครื่องใช้ไฟฟ้ามีจำนวนวัตต์มากก็จะกินไฟมากตามไปด้วย ดังนั้นท่านสามารถคำนวณดูจากเครื่องใช้ไฟฟ้าทั้งหมดในบ้านท่านว่ามีเครื่องใช้ไฟฟ้ากี่ชนิดแต่ละชนิดกินไฟกี่วัตต์ และเปิดใช้งานประมาณเดือนละกี่ชั่วโมง หลังจากนั้นท่านก็นำมาคิดคำนวณ ท่านจะทราบว่าในแแต่ละเดือนท่านใช้ไฟฟ้าไปประมาณกี่หน่วยเพื่อเป็นแนวทางในการประหยัดค่าไฟฟ้าได้ อธิบายอย่างง่ายๆ คือ หากท่านใช้งานเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาด 1,000 วัตต์ที่ใช้งานใน 1 ชั่วโมง แสดงว่าท่านใช้ไฟฟ้าไปแล้ว 1 หน่วยหรือ 1 ยูนิต โดยใช้สูตรการคำนวณดังนี้

S1

ผู้เขียนจะขอยกตัวอย่างการคำนวนค่าไฟง่ายๆ ให้ดูสักสองตัวอย่าง อย่างแรก คือ บ้านอยู่อาศัยทั่วไปมีหลอดไฟฟ้าขนาด 40 วัตต์ (รวมบัลลาสต์อีก 10 วัตต์ เป็น 50 วัตต์) จำนวน 10 ดวง เปิดใช้ประมาณวันละ 6 ชั่วโมง จะใช้ไฟฟ้าวันละ ((50×10)÷1,000)x6 = 3 หน่วย หรือประมาณเดือนละ (30×3) = 90 หน่วย

ตัวอย่างที่สอง คือ หม้อหุงข้าว ขนาด 600 วัตต์ จำนวน 1 ใบ เปิดใช้ประมาณวันละ 30 นาที จะใช้ไฟฟ้าวันละ ((600×1)÷1000)x0.5=0.3 หน่วย หรือประมาณเดือนละ (30×0.3) = 9 หน่วย เป็นต้น

1

รูปที่ 1 บล็อกไดอะแกรมของ ADE7763

 ADE7763 ไอซีดิจิตอลวัตต์มิเตอร์

ADE7763 เป็น Power IC chip ของบริษัท Analog Devices ซึ่ง IC ตัวนี้มีความสามารถในการวัดและคำนวณค่าทางไฟฟ้าออกมาได้หลากหลาย และมีความแม่นยำสูง มีความสามารถในการวัดแรงดัน, กระแสรวมไปถึงค่ากำลังไฟฟ้าต่างๆ อาทิเช่น กำลังไฟฟ้าจริง (Active Power) และกำลังไฟฟ้าปรากฏ (Apparent Power) โดย Output ที่ได้นั้นจะเป็นค่าดิจิตอล ซึ่งภายใน ADE7763 มีวงจรแปลงสัญญาณอะนาลอกเป็นดิจิตอล (ADC) ดังนั้นตัวควบคุมสามารถอ่านค่าจาก ADE7763 แล้วคำนวณได้ค่าต่างๆ ได้เลยโดยไม่ต้องอาศัยวงจรอื่นอีก

ADE7763 มีส่วนที่ใช้ติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอกแบบอนุกรม (SPI: Serial Peripheral Interface) เพื่อใช้ในการติดต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่ง ADE7763 มีอินพุตสองช่อง (Channel) คือ อินพุตสำหรับวัดค่ากระแสไฟฟ้า (Current Channel) และอีกช่อง คือ อินพุตสำหรับวัดแรงดันไฟฟ้า (Voltage Channel) ซึ่งอินพุตทั้งสองช่องนี้จะรับค่าแรงดันไฟฟ้าได้มากที่สุดไม่เกิน ±0.5 Vrms เริ่มแรกสัญญาณจะผ่านเข้ามาที่ภาคขยายสัญญาณ (Amplifier) เมื่อขยายแล้วสัญญาณที่วัดได้จะวงจรตัวแปลง ADC จากนั้นจะผ่านเข้าสู่วงจรกรองความถี่สูง (High Pass Filter) เพื่อตัดสัญญาณรบกวนต่างๆ ออก ก่อนจะส่งต่อไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อคำนวณหาค่าแรงดันและกระแสในขั้นตอนต่อไป

รูปที่ 2

รูปที่ 2 วงจรสมบูรณ์ 

 หลักการทำงาน

จากรูปที่ 2 เป็นวงจรสมบูรณ์ของโครงงานนี้ หัวใจหลักของโครงงานนี้ คือ บอร์ด Arduino UNO และ ADE7763 ผู้เขียนขอเริ่มจากภาคแหล่งจ่ายไฟจะใช้หม้อแปลงสวิตชิ่งเอาต์พุต 5VDC สำหรับจ่ายให้กับวงจรทั้งหมด

การทำงานของ ADE7763 มีหน้าที่อ่านค่าแรงดันและกระแสที่จ่ายให้กับโหลด เนื่องจากอินพุตทั้งสองช่องจะรับค่าแรงดันไฟฟ้าได้มากที่สุดไม่เกิน ±0.5 Vrms ดังนั้นจึงจำเป็นต้องจำกัดแรงดันที่เข้ามาที่อินพุตไม่เช่นนั้นจำทำให้เกิดความเสียหายกับ ADE7763 ได้ ในกรณีนี้ช่องอินพุตรับค่าแรงดันจะมี R1-R4 ทำหน้าที่ลดแรงดัน ในส่วนของช่องอินพุตกระแสจะใช้เป็นหม้อแปลงกระแสหรือ CT (CURRENT TRANSFORMER) ในการตรวจวัดกระแสที่ไหลผ่านไปยังโหลด ดังนั้นจะต้องทำการคล้องสายไฟ 220VAC (Line หรือ Neutron) หนึ่งเส้นเพื่อทำการส่งกระแสไปยัง ADE7763 เอาต์พุตของ CT จะถูกแบ่งแรงดันโดย R5-R8 เพื่อไม่ให้เกิน ±0.5 Vrms ตามข้อกำหนด

การแสดงผล โครงงานนี้เลือกใช้แอลซีดี (LCD1) ขนาด 16 ตัวอักษร 2 บรรทัด กำหนดการใช้งานในโหมด 4 บิต โดยขาข้อมูลของแอลซีดี D4-D7 จะเชื่อมต่อกับพอร์ต D4-D7 ของ Arduino UNO ตามลำดับ ขาควบคุมจะใช้พอร์ต D2 ต่อกับขา RS เพื่อบ่งบอกสถานะของขาบัสข้อมูลว่าเป็นคำสั่งเพื่อหรือเป็นข้อมูล สุดท้ายขา D3 ต่อกับขา E เพื่อกำหนดเป็นสถานนะ Enable เพื่อควบคุมการทำงานของแอลซีดี ในโครงงานนี้จะเชื่อมต่อขา R/W กับกราวด์เนื่องจากต้องการเขียนข้อมูลไปยัง LCD เท่านั้น (การกำหนดให้ขา R/W=0 หมายถึงต้องการเขียนข้อมูลไปยัง LCD และถ้ากำหนดให้ R/W=1 หมายถึงต้องการอ่านข้อมูลจาก LCD) ที่ขา 3 ของแอลซีดีจะต่อกับ VR1 (10K) เพื่อทำการปรับระดับความเข้มของตัวอักษรบนหน้าจอ LCD

3

รูปที่ 3 ลายวงจรพิมพ์ด้านบนขนาดเท่าแบบ (Top Layer)

4

รูปที่ 4 ลายวงจรพิมพ์ด้านล่างขนาดเท่าแบบ (Bottom Layer)

5

รูปที่ 5 ตำแหน่งการลงอุปกรณ์ด้านบน (Top Overlay)

6

รูปที่ 6 ตำแหน่งการลงอุปกรณ์ด้านล่าง (Bottom Overlay)

 การประกอบ

จากรูปที่ 5 และ 6 เป็นตำแหน่งการลงอุปกรณ์ทั้งหมดของโครงงานนี้ ลักษณะของวงจรที่เราสร้างจะเป็นบอร์ดชีล (shield) สำหรับเสียบกับบอร์ด Arduino การลงอุปกรณ์จะค่อนข้างซับซ้อนอยู่พอสมควร เนื่องจากจะต้องลงอุปกรณ์ทั้งด้านบน (Top Overlay) และด้านล่าง (Bottom Overlay) แผ่นวงจรพิมพ์จะเป็นแบบเพลททรูโฮล (Plated through Hole) และเนื่องจาก IC1 เป็นอุปกรณ์ประเภท SMD การบัดกรีควรระมัดระวังในเรื่องของการใช้อุณหภูมิของหัวแร้ง เพราะหากร้อนเกินไปอาจจะทำให้เกิดความเสียหายกับอุปกรณ์ได้ และในการลงอุปกรณ์ควรเริ่มจากอุปกรณ์ที่มีระดับความสูงน้อยที่สุดก่อน เช่น ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ เป็นต้น อุปกรณ์อีกตัวหนึ่งที่มีความยุ่งยากในการประกอบ คือ หม้อแปลงกระแส (CT) โดยจะต้องเชื่อมต่อสายไฟระหว่างจุด CT1 และ CT2 โดยสายไฟนี้ต้องลอดเข้าช่องของ CT ด้วย (ดังแสดงในรูปที่ 7) เมื่อบัดกรีจนครบหมดแล้วให้สำรวจความถูกต้องอีกครั้งจนแน่ใจว่าถูกต้องทุกจุด อาทิเช่น ตำแหน่งขาอุปกรณ์และตำแหน่งขั้วของคอนเน็กเตอร์ เป็นต้น

รูปที่ 7 ก

(ก)

รูปที่ 7 ข

(ข)

รูปที่ 7 การบัดกรีสายคล้องกับหม้อแปลงกระแส

รูปที่ 8

รูปที่ 8 หน้าจอแสดงข้อความเมื่อเริ่มเปิดเครื่อง

รูปที่ 9

รูปที่ 9 หน้าจอแสดงค่าแรงดัน กระแสและพลังงานที่จ่ายให้โหลด

 การทดสอบ

ก่อนจะเริ่มทดสอบการทำงานให้ผู้ใช้ไปโหลดโปรแกรมสำหรับ Arduino เสียก่อน โดยเข้าไปดาวน์โหลดที่เว็บไซต์ http://electronics.se-ed.com/download เมื่อเสร็จแล้วให้ทำการเชื่อมต่อบอร์ดชีลของเราเข้ากับบอร์ด Arduino UNO เพื่อทดสอบการทำงานในขั้นตอนต่อไป

ขั้นตอนต่อมาให้เริ่มจ่ายไฟ 220VAC ให้กับวงจรผ่านทาง CON1 ขณะนั้นหน้าจอจะแสดงข้อความ “SEMICONDUCTOR” ในบรรทัดแรกและ “Watt Meter” ในบรรทัดที่สอง (ดังแสดงในรูปที่ 8) หากไม่เห็นข้อความให้ปรับความเข้มตัวอักษรจาก VR1 ให้ปรับจนสามารถเห็นตัวอักษรได้อย่างสะดวกหน้าจอส่วนการใช้งานปกติจะแสดงค่าแรงดัน กระแสและพลังงานที่จ่ายให้โหลดดังแสดงในรูปที่ 9 ซึ่งหากเป็นไปตามที่กล่าวไว้นี้ให้ผู้ใช้นำโหลดมาต่อกับ CON2 ซึ่งขณะนั้นจะเห็นว่าค่ากระแสและพลังงานที่จ่ายให้กับโหลดจะเปลี่ยนไปตามปริมาณจริงที่จ่ายให้กับโหลด

 

เพียงเท่านี้ท่านก็สามารถนำโครงงานไปใช้ได้แล้ว ประโยชน์ของการทราบว่าเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละตัวนั้นใช้พลังงานไปเท่าไหร่อาจจะเป็นหนึ่งลู่ทางที่จะช่วยให้ท่านผู้อ่านสามารถจัดสรรการใช้พลังงานได้ หรือแม้กระทั่งเจ้าของแผงค้าขายก็สามารถนำไปใช้วัดดูว่าในแต่ละแผงใช้พลังงานไปเท่าไหร่ เพื่อเรียกเก็บค่าไฟฟ้าได้ตามความจริง

 

รายการอุปกรณ์

ตัวต้านทาน ¼ วัตต์ +/-1% (ยกเว้นที่ระบุ)

R1, R2 –                                  820k (1/2 วัตต์)                                                                                2                       ตัว

R3-                                          1k                                                                                                       1                      ตัว

R4, R5, R6-                            1k                                                                                                      3                      ตัว

R7, R8-                                   10                                                                                                       2                      ตัว

R9-                                          22                                                                                                       1                      ตัว

RN1-                                      ตัวต้านทานเน็ตเวิร์ค 6 ขา 10k                                                            1                      ตัว

VR1-                                       ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบเกือกม้า 10k                                              1                      ตัว

ตัวเก็บประจุ

C1, C2, C3, C4 –                          0.033uF 50V โพลีเอสเตอร์                                                       4                      ตัว

C10, C11 –                                    0.1uF 50V โพลีเอสเตอร์                                                             2                      ตัว

C12, C13 –                                    22pF 50V เซรามิก                                                                       2                      ตัว

C15 –                                             330uF 16V อิเล็กทรอไลต์                                                            1                      ตัว

C21, C22 –                                    10uF 16V อิเล็กทรอไลต์                                                              2                      ตัว

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

IC1 –                                              ADE7763                                                                                    1                      ตัว

อื่นๆ

ARDUINO UNO –                     บอร์ด Arduino UNO                                                                1                      ตัว

CON1-CON2 –                           เทอร์มินอลบล็อก 2 ขา                                                                 2                      ตัว

LCD1 –                                          แอลซีดีขนาด 16 ตัวอักษร 2 บรรทัด                                          1                      ตัว

TO1 –                                            หม้อแปลงสวิตชิ่งเอาต์พุต 5VDC                                                1                      ตัว

FB1 –                                             เฟอร์ไรต์บีท                                                                                  1                      ตัว

XTAL1 –                                        คริสตอล 3.579545MHz                                                           1                      ตัว

หมายเหตุ ซอร์สโค้ดทั้งหมดที่ใช้ร่วมกับโครงงานสามารถดาวน์โหลดได้ที่ http://electronics.se-ed.com/download

Leave a Comment