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PROYECTO FIN DE CARRERA

MEDIDOR

DE ENERGÍA ACTIVA

Fco Javier Codeseda Muñoz

Proyecto fin de carrera 1

Índice:

Introducción………………………………………………………………………. 2 Capítulo 1. Descripción MCP3905A…………………………................. 3

- Introducción………………………………………………………………. 3 - Diagrama de bloques funcional……………………………………………3 - Diagrama de bloques con contenido en frecuencias……………………… 4 - Descripción de los pines………………………………………………….. 5 - Encapsulado………………………………………………………………. 7

Capítulo 2. Caracterización del MCP3905A………………………... 8 - Introducción ……………………………………………………………… 8 - Descripción de las placas de acondicionamiento…………………………. 8 - Descripción del proceso de adquisición de datos con LabView………… 14 - Tratamiento de datos con Matlab………………………………………... 19

o Ensayo Estático (Calculo de Errores de medidas)………………. 19 o Ensayo Dinámico………………………………………………... 28

Capítulo 3. Diseño del medidor de energía…………………………. 31 - Introducción……………………………………………………………... 31 - Descripción de los bloques que integran el proyecto…………………….31

o Medidor de Energía………………………………………………31 o Módulos A, B y C……………………………………………….. 37 o PC………………………………………………………………... 39

- Esquema del medidor de energía con todos los bloques ensamblados…..41 - PCB…………………………………………………………………….... 42 - Fotos……………………………………………………………………... 43 - Comparación de los datos……………………………………………….. 44 - Comparación de los datos obtenidos con la placa de evaluación………...46

Capítulo 4. Lista de materiales…………………………………………... 47 Capítulo 5. Referencias……………………………………………………... 49

INTRODUCCIÓN


El proyecto trata de caracterizar y diseñar un medidor de energía activa, el medidor a caracterizar es el circuito integrado de Microchip MCP3905A. La caracterización se va ha realizar a través de Labview con las señales de los equipos de laboratorio, como el generador de onda y la fuente de alimentación. La elección de usar Labview para la caracterización se debe básicamente a la gran cantidad de medidas a realizar, ya que Labview toma los datos y te los ordenas en forma de tabla. Otra de las ventajas que he observado al usar Labview es que se ve poco afectado por el ruido para señales del orden de 10mV. Para poder caracterizar el dispositivo de la forma más precisa posible y no cometer tantos errores sistemáticos se han diseñado dos placas con divisores de tensión. Estas placas siempre se alimentan con un tono fijo senoidal, y a través de unos jumpers se van conmutando los valores en los canales de entrada dentro del rango diseñado. Una vez caracterizado el circuito integrado MCP3905A, se pasa a la fase de diseño del medidor de energía activa usando el MCP3905A, circuitos de acondicionamiento de las señales y además se le va ha añadir un microprocesador que capture la información emitida por el MCP3905A y se la envíe al ordenador, donde va ha ser tratada la información con una aplicación de Matlab. El envío se hace a través del puerto serie del microprocesador y del ordenador solo en una dirección y conectando dos dispositivos, un emisor que se comunica con el microprocesador y envía la información de forma inalámbrica al receptor, y éste envía la información al puerto serie del ordenador.

Capítulo 1. Descripción MCP3905A


Diagrama de Bloques Funcional

En este diagrama de bloque se observa un esquema del funcionamiento interno del circuito integrado, en el que se observa que cada canal lleva un convertidor analógico-digital, delta-sima de 16-bit de segundo orden y después lleva un filtrado digital paso alto para eliminar el offset que puedan introducir las señales de entrada, este filtrado se puede habilitar o deshabilitar a través del pin de entrada HPF. Las salidas Fout0 y Fout1, son las salidas de pulso de baja frecuencia y la HFout es la salida de pulso de alta frecuencia. La salida NEG se pone a nivel lógico “1”, cuando el desfase entre las señales de entrada es mayor a 90º. El canal CH0 lleva dos entradas para poder variar la ganancia de la señal (G0 y G1), esto permite adaptarse mejor al rango y en función de si se tienen señales más o menos pequeñas a la entrada del canal, poder adaptarlas a un rango de variación adecuado que pueda cubrir con garantías el MCP3905A. Los pines de entrada F0, F1 y F2 permiten variar el rango de las frecuencias de salida de las señales de pulso.

El MCP3905A es un circuito integrado diseñado por Microchip, que hace la función de medidor de energía activa. Este circuito proporciona a la salida dos tipos de señales, una es una señal de pulso de baja frecuencia que es proporcional al valor medio de la potencia activa medida en las entradas y otra señal de pulso de baja frecuencia que es proporciona al valor de la potencia activa instantánea, que se usa para calibrar el dispositivo. El chip consta de dos canales de entrada, uno para la intensidad y otro para la tensión.

Descripción MCP3905A


Diagrama de Bloques con contenido en Frecuencias

En este diagrama se puede observar el funcionamiento interno del circuito integrado de forma mas explicita. A la entrada tenemos una señal senoidal con offset, cuando se pasa la señal analógica a digital se sigue arrastrando el offset, por eso a continuación se pone un filtro paso alto para que elimine el offset y deje pasar solo el tono senoidal. Una vez obtenido dos tonos senoidales sin offset, estos se multiplican para obtener la potencia instantánea. Al multiplicar dos tonos con la misma frecuencia aparece un seno elevado a cuadrado y aplicando las reglas trigonométricas se transforma en una componente de frecuencia cero (potencia activa media) y una componente del doble de la frecuencia como se muestra en la formula. De estas dos componentes solo interesa la potencia activa media, por eso se usa un filtro paso bajo que elimina la componente de alta frecuencia.

Por último el DTF converter transforma la información digital a las correspondientes salidas de pulso.

Selección de Ganancia del MCP3905

El rango de valores que puede tomar el canal CH0 depende de la ganancia a la que se hallan configurado las entradas G0 y G1 que se corresponden con los pines 15 y 16 del circuito integrado y se ajusta a la siguiente formula . El rango de valores de entrada del canal CH1 no se puede variar y se corresponde con valores de . Estos valores se pueden sobrepasar hasta de forma mantenida, sin que el canal sufra daños, en este caso las salidas se saturan y el comportamiento es no lineal.



Descripción de los pines MCP3905 SSOP-24

Símbolo Definición

1 Pin de alimentación digital 2 Pin de control del filtro paso alto 3 Pin de alimentación analógica 4 No se conecta 5 Pin de entrada no invertida analógica del canal 0 6 Pin de entrada invertida analógica del canal 0 7 Pin de entrada invertida analógica del canal 1 8 Pin de entrada no invertida analógica del canal 1 9 Pin de reset 10 Pin de salida/entrada de voltage de referencia 11 Pin de masa analógica 12 Pin de entrada para el control de frecuencia de HFout 13 Pin de entrada para el control de frecuencia de Fout0/1 14 Pin de entrada para el control de frecuencia de Fout0/1 15 Pin de entrada para el control de la ganancia 16 Pin de entrada para el control de la ganancia 17 Pin de entrada del cristal oscilador 18 Pin de salida del cristal oscilador 19 No se conecta 20 Pin de salida que indica potencias negativas 21 Pin de masa digital 22 Pin de salida de alta frecuencia 23 Pin de salida de baja frecuencia 24 Pin de salida de baja frecuencia

1 DVDD Es la entrada digital de alimentación del circuito interno del MCP3905A. Esta entrada debe ser mantenida a 5V ±10%. 2 HPF Entrada que controla el estado del los filtros paso alto de cada canal. Cuando esta en estado lógico “1”, se encuentran habilitado los dos filtros, en caso contrario estarían deshabilitados. 3 AVDD Es la entrada analógica de alimentación del circuito interno del MCP3905A. Esta entrada debe ser mantenida a 5V ±10%. 4 Canal de corriente (CH0-, CH0+) Es una entrada diferencial analógica que se usa para medir la corriente. Este canal contiene un PGA para controlar la ganancia, en caso de tener señales pequeñas. 5 Canal de voltaje (CH1-, CH1+) Es una entrada diferencial analógica que se usa para medir la tensión. 6 Master Clear ( ) A través de esta entrada se puede resetear los dos convertidores analógico-digital (ADC), introduciéndole el valor 0x0000h.



7 Referencia (REFIN/OUT) Es una salida de la referencia interna del circuito de 2,4V. 8 Masa analógica (AGND) Es la masa interna de los bloque (ADC, PGA, band gap referente, POR). 9 Pines de control de frecuencia (F2, F1, F0) A través de estos pines se pueden variar las frecuencias de las salidas de pulso. Los valores que se establezcan en los pines, variaran unas constantes (Fc y HFc) que usa el DTF converter. 10 Pines de control de Ganancia (G0 y G1) A través de estos pines se puede variar la ganancia del canal 0, entre los valores 1, 8 y 16. 11 Oscilador (OSC1, OSC2) Es el cristal de cuarzo que se usa en el circuito y oscila a una frecuencia de 3,579545 MHz. 12 Pin (NEG) Indica si el desfase entre las dos señales de entrada es mayor a 90º, activando el pin de salida al estado lógico “1”. 13 Masa digital (DGND) Es la masa interna de los circuitos digitales (filtros, multiplicador, HPF, LPF y DTF). 14 Salida de alta frecuencia (HFOUT) Es la salida de pulsos de alta frecuencia y proporciona información sobre la potencia instantánea. Esta salida es proporcional a la medida de la energía activa y a la constante HFc definida por los valores de las entradas F0, F1 y F2. Esta salida se utiliza solo ara calibrar el medidor debido a que da información sobre la potencia instantánea. Ecuación de HFOUT

Constantes HFc F2 F1 F0 HFc HFc(Hz)

(MCLK=3,58MHz) 0 0 0 64xFc 109,25 0 0 1 32xFc 109,25 0 1 0 16xFc 109,25 0 1 1 2048xFc 27968,25 1 0 0 128xFc 219,51 1 0 1 64xFc 219,51 1 1 0 32xFc 219,51 1 1 1 16xFc 219,51

Donde: V0 = Valor RMS en el canal 0 V1 = Valor RMS en el canal 1 G = Ganancia (PGA) HFc = Constante VREF = Voltaje de referencia interna



15 Salida de baja frecuencia (FOUT0, FOUT1) Es la salida de pulsos de baja frecuencia y proporciona información sobre el valor medio de la potencia instantánea. Esta salida es proporcional a la medida de la energía activa y a la constante Fc definida por los valores de las entradas F0 y F1. Esta salida se utiliza para medir la potencia activa que esté consumiendo la aplicación en la que se utilice el MCP3905A. Ecuación de FOUT Encapsulado

Donde: V0 = Valor RMS en el canal 0 V1 = Valor RMS en el canal 1 G = Ganancia (PGA) Fc = Constante VREF = Voltaje de referencia interna

Constantes Fc F1 F0 Fc Fc(Hz)

(MCLK=3,58MHz) 0 0 MCLK/221 1,71 0 1 MCLK/220 3,41 1 0 MCLK/219 6,83 1 1 MCLK/218 13,66

Capítulo 2. Caracterización del MCP3905A


Para poder caracterizar el chip MCP3905A, se usa una placa de evaluación que proporciona el fabricante (Microchip). Esta placa ya contiene todos los acondicionamientos de las señales aunque para la caracterización solo se ha usado el acondicionamiento de las señales de las salidas de pulso. Las señales de entrada diferencial (CH0, CH1) se han alimentado directamente desde unas placas que reciben un tono fijo senoidal (el mismo para las dos) y luego sobre este a través de divisores de tensión y jumpers para hacer conmutaciones, ponen en las entradas de cada canal los valores que previamente se han calculado. El chip se alimenta directamente desde la fuente de laboratorio a 5V. Las señales de salidas del MCP3905A con sus circuitos de acondicionamiento, van ha ser medidos por Labview a través de una tarjeta de adquisición de datos que tienen los ordenadores de los laboratorios. El tratamiento de todos los datos capturados se hace a través del diseño de un instrumento virtual con Labview. Este primer tratamiento de datos consiste en tomar medidas y almacenarlas de forma ordenada a una tabla Excel. Una vez los datos en Excel, se transportan a Matlab para sacar todas las graficas de interés, rectas de regresión para evaluar la linealidad, valores medios, desviaciones típicas y cálculo de errores. Se va ha hacer un estudio estático manteniendo la señal a 50Hz y otro dinámico haciendo un barrido en la frecuencia. Descripción de las placas de acondicionamiento

Selección de Ganancia del MCP3905

Como se observa en la tabla de la derecha, para poder caracterizar el canal 0, se necesitan diseñar 4 placas, cada una diseñada de forma que cubra el rango completo. En este caso solo se va a caracterizar el rango de ±30mV (RMS), debido a que el MCP3905A nos proporciona a la salida la mayor frecuencia al tener la mayor ganancia posible (16), que es proporcional a FOUT. Interesa frecuencias altas porque los máximos alcanzados son del orden de 1Hz en el fondo de escala; esto quiere decir que cuando te mueves por señales de ±10mV (RMS) las frecuencias son muy bajas y se necesita mucho tiempo para poder tomar una medida, y si ha esto se le suma por ejemplo una ganancia de (1) que hace que disminuya aún mas la frecuencia como se observa en la formula de FOUT, se necesitarían meses para poder caracterizar el dispositivo.

Caracterización del MCP3905A


Placa de acondicionamiento del rango ±30mV (RMS) Para diseñar esta placa se parte de que la impedancia de entrada de la placa de evaluación del MCP3905A es 60Ω, la idea es a esta impedancia ir sumándole más resistencias a través de resistencias en series y unos jumpers que permitan esta adición. El rango para el que e va ha diseñar la paca es de ±30mV (RMS) hasta ±10mV (RMS), no se baja de ±10mV porque a partir de valores inferiores a este ya se empieza ha notar bastante el ruido en la señal, sobretodo en los equipos de medida.

Esquema



Como se observa en la figura anterior esta placa esta formada por 20 resistencias de 1K y dos potenciómetros para poderse ajustar al rango de ±30mV (RMS) hasta ±10mV (RMS). En los terminales TP1 y TP2 se conecta el generador de ondas del laboratorio, introduciéndole una onda senoidal de valor pico-pico 7,1V. En la figura se muestran los 21 valores medios que se van a tomar haciendo las conmutaciones con los jumpers.

PCB

Tabla tensión-posición Jumpers Jumpers Tensión mV (RMS)

0 0.02941420000000 1 0.02679130000000 2 0.02459740000000 3 0.02273650000000 4 0.02114370000000 5 0.01975120000000 6 0.01853380000000 7 0.01745820000000 8 0.01650570000000 9 0.01564460000000 10 0.01487300000000 11 0.01417300000000 12 0.01353580000000 13 0.01295310000000 14 0.01241710000000 15 0.01192730000000 16 0.01147440000000 17 0.01105390000000 18 0.01066200000000 19 0.01029950000000 20 0.00995740000000



Placa de acondicionamiento del rango ±660mV (RMS) El canal 1 solo varía en el rango de ±660mV, entonces para este canal solo se necesita diseñar una placa. Para diseñar la placa de acondicionamiento, en este caso la impedancia de entrada es de 500Ω, y al igual que en el caso anterior a partir de esta se empezarán a añadir mas resistencias en serie con la intención de variar el rango de valores desde ±660mV (RMS) hasta ±10mV (RMS).

Esquema

Esta placa esta formada por 50 resistencias de 4,7K y dos potenciómetros para poder ajustar el rango a ±660mV (RMS) hasta ±10mV (RMS). En los terminales TP1 y TP3 se conecta el generador de ondas del laboratorio, introduciéndole una onda senoidal de valor pico-pico 7,1V. Esta señal es la misma para las dos placas.



De los 51 valores que obtenemos con la placa anterior, debido a los problemas de las frecuencias bajas solo se van a tomar quince.

PCB


0 0.66068719523810 1 0.29550890952381 2 0.19007344761905 3 0.14029920000000 4 0.11116449523810 5 0.09208958571429 6 0.07858439047619 7 0.06852078095238 8 0.06077035714286 10 0.04951225238095 15 0.03392344285714 20 0.02588698571429 30 0.01766809047619 40 0.01344829047619 50 0.01085028095238



Fotos de las placas Placa de canal CH0

Placa de canal CH1



Descripción del proceso de adquisición de datos con LabView A través del lenguaje de programación LabView, se va ha desarrollar un instrumento virtual que permita obtener todos los datos obtenidos del ensayo del MCP3905A y guardarlos automáticamente en un archivo excel para que puedan ser posteriormente tratados. Para el diseño del instrumento virtual se utilizan los ordenadores del laboratorio de instrumentación que tiene instalado la tarjeta de adquisición de datos PCI 6014 de National Instruments, y el software LabView 8.2.

El punto de partida de este programa empieza con el DAQ Asistant, este bloque es un asistente que permite configurar el tipo de entrada (analógica, digital), el número de entradas, rangos de valores, número de muestras a registrar, etc.

En este caso el DAQ asistant se configurará como seis entradas analógicas. Dos entradas para medir los canales de intensidad y tensión del MCP3905A, tres para las salidas del pulsos. Las salidas de pulsos han sido configuradas como analógicas para que puedan ser representadas la evolución con respecto al tiempo en las gráficas y la última para medir la tensión de referencia que se usará en las formulas implementadas.

Tabla de asignación de entradas analógicas de la tarjeta de adquisición- Pines del MCP3905A Entrada analógica Pin del MCP3905A

AI0 CH0(Intensidad) AI1 CH1(Tensión) AI2 HFout AI3 Fout0 AI4 Fout1 AI5 Vref



Seguido al DAQ Asistant, se conectan seis conversores de datos, a través de estos bloques se pude separar la información de cada entrada y además es transformada a un tipo de dato que entiende LabView. Los canales 0 y 1 se pasan a través de dos funciones, una para calcular el valor RMS y la otra para calcular la amplitud y frecuencia. Los canales 2, 3 y 4 se pasan a través de unas funciones que comparan los umbrales definidos de las señales de salidas pulso del MCP3905A, esto se hace así porque en el DAQ Asistant se configuraron como entradas analógicas. Seguidamente se a la salida de estos comparadores se colocan unas funciones que calculan la frecuencia, periodo y duración del pulso de las señales. Por último el canal 5 pasa a través de una función que calcula el valor medio de la señal Vref.

Esta foto completa la parte derecha de la foto anterior. En esta foto se observa como todas las señales obtenidas se representan gráficamente a través de las conexiones con los bloque de gráficas y también se representa la información calculada en sus respectivos displays. Toda esta información se representa en el panel frontal de LabView.



Panel Frontal

A través de este panel se representa toda la información obtenida durante el ensayo con LabView. Hay seis graficas para representar la evolución frente al tiempo de los canales de entrada de la tarjeta de adquisición de datos. Debajo de cada gráfica hay unos displays que muestran los valores calculados con las funciones como los valores RMS, frecuencias, amplitudes, valores medios, periodos, duración de pulso, valores de formulas, etc. También se observan unos recuadros en blanco que permiten introducir los valores de las constantes de Fc, HFc y G que dependerán de la configuración elegida para caracterizar el MCP3905A.

En las dos fotos anteriores se observa la función que implementa formulas que se usa para implementar las formulas de la derecha con los datos obtenidos con LabView y también otra función que se va a encargar de enviar todos los datos obtenidos y calculados por LabView a un archivo Excel.



Esquema de conexionado del bornero de la tarjeta de adquisición de datos

Foto del bornero de la tarjeta de adquisición de datos

CH0+ 68 CH0- 34 CH1+ 33 CH1- 66

HFout+ 65 GND 31

Fout0+ 30 GND 63

Fout1+ 28 GND 61 Vref+ 60 GND 26



Tratamiento de los datos con Matlab En este apartado se van a representar de forma resumida a través de gráficas los datos más importantes para caracterizar el funcionamiento del dispositivo, en los dos tipos de ensayos (Estático y Dinámico). Los ensayos se repiten diez veces para un mismo valor en los canales CH0 y CH1. Ensayo estático (frecuencia = 50 Hz)

5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Curva V0xV1x1000 real frente CH0

Tensión RMS de CH0 (mV)

V0x

V1x

1000

rea

l (m

W)

CH1=660mV

CH1=10.8mV


0 0.66068719523810 1 0.29550890952381 2 0.19007344761905 3 0.14029920000000 4 0.11116449523810 5 0.09208958571429 6 0.07858439047619 7 0.06852078095238 8 0.06077035714286 10 0.04951225238095 15 0.03392344285714 20 0.02588698571429 30 0.01766809047619 40 0.01344829047619 50 0.01085028095238

En esta gráfica se representan los valores medios de 10 medidas por valor en el canal, de reales medidos directamente en los terminales de los canales CH0 y CH1, en voltio cada una de ellas a través de la tarjeta de adquisición de datos frente al valor real en mV de CH0. Cada una de las curvas representada se corresponde con un valor fijo en el canal CH1, que como se observa al disminuir el valor en CH1 van disminuyendo las pendiente de las curvas. Esto implica que para una aplicación cualquiera siempre interesa elegir un valor de CH1 que permita usar la recta de mayor pendiente, para poder obtener medidas de mayor precisión. En esta aplicación se elige la recta de arriba que corresponde a un valor de CH1=660mV. En el cuadro se muestran los valores de CH1 en voltios.



Rectas de regresión

5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Recta de regresión V0xV1x1000 real frente CH0


V0x

V1x

1000

rea

l (m

W)

r = 0.99999965735046

r = 0.99999848408491

Evidentemente los coeficientes de r deben ser aproximadamente 1 debido a que solo varía un valor (CH0) y los valores están medidos directamente. La idea es comparar la gráfica de valores reales con los que se obtienen a través de las formulas proporcionadas por el fabricante. Como se observa en las formulas con solo conocer la frecuencia se puede saber cual es la potencia.



5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Curva V0xV1x1000 HOUT frente CH0


V0x

V1x

1000

HO

UT

(m

W)

Esta gráfica representa los valores de la formula , midiendo el valor de HFout a través de la tarjeta de adquisición de datos frente a CH0.

5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Recta de regresión V0xV1x1000 HOUT frente CH0


V0x

V1x

1000

HO

UT

(m

W)

r = 0.99999848408491

r = 0.99990931412237

Como se observa el coeficiente de regresión es próximo a 1 lo que implica que los valores obtenidos en la formula son muy lineales.



5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Curva V0xV1x1000 FOUT1 frente CH0


V0x

V1x

1000

FO

UT

1 (m

W)

Esta gráfica representa los valores de la formula , midiendo el valor de Fout1 a través de la tarjeta de adquisición de datos frente a CH0.

5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Recta de regresión V0xV1x1000 FOUT1 frente CH0


V0x

V1x

1000

FO

UT

1 (m

W)

r = 0.99991272303193

r = 0.99999944816574




5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Curva V0xV1x1000 FOUT0 frente CH0


V0x

V1x

1000

FO

UT

0 (m

W)

Esta gráfica representa los valores de la formula , midiendo el valor de Fout0 a través de la tarjeta de adquisición de datos frente a CH0.

5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Recta de regresión V0xV1x1000 FOUT0 frente CH0


V0x

V1x

1000

FO

UT

0 (m

W)

r = 0.99991272303193

r = 0.99999950476037




5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Curva V0xV1x1000 frente CH0


V0x

V1x

1000

(m

W)

En esta gráfica se comparan las rectas de las cuatro gráficas anteriores Real, HFout, Fout1 y Fout0. Como se observan las rectas están casi solapadas unas con otras, esto implica de forma cualitativa que los valores obtenidos a través de las formulas proporcionadas por el fabricante son muy próximos a los valores reales.

0 100 200 300 400 500 600 7000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7Curva pendiente V0xV1x1000 real frente CH1


Pen

dien

te V

0xV

1x10

00 r

eal

r = 0.99999997659211

Esta recta representa la variación de las pendientes de las rectas anteriores frente a la variación en CH1. Como se observa también es muy lineal las variaciones en CH1 dando un r ~1.



5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Curva HOUT (Hz) frente CH0


HOUT (Hz)

5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7Curva FOUT1 (Hz) frente CH0


FOUT1

(Hz)

5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7Curva FOUT0 (Hz) frente CH0


FOUT0

(Hz)

A través de estas tres gráficas se han podido sacar las curvas de V0xV1x1000 (HFout, Fout1 y Fout0), pasando estas nubes de puntos por las formulas correspondiente a cada curva. Estas formulas han sido implementadas en LabView.



Cálculo de errores del ensayo estático Como se ha visto en las curvas anteriores, existen medidas directas (V0xV1x1000 real, HFout, Fout0, Fout1) y medidas indirectas (V0xV1x1000 HFout, V0xV1x1000 Fout1 y V0xV1x1000 Fout0). Teniendo en cuenta que el patrón de medida ha sido la tarjeta de adquisición de datos con LabView, aunque las medidas han sido comprobadas por los multímetros del laboratorio. Se va ha suponer que no se han cometido errores sistemático en las medidas, esto también se puede observar de forma cualitativa en las gráficas anteriores que se observan la coincidencia de las distintas curvas y la linealidad, sin que halla valores raros en los datos obtenidos. Una vez asumido que no existen errores sistemáticos se van ha estudiar los errores accidentales que no se pueden controlar y se deben a causas aleatorias que actúan de forma imprevisible. En este caso la teoría estadística aporta los siguientes parámetros:

Media aritmética de los valores obtenidos:

Desviación Típica:

Error cuadrático medio de la media:

Este error nos permite asegurar que el verdadero valor tiene una probabilidad del:

La naturaleza de esta distribución es una distribución Gaussiana. La probabilidad de que el valor este entre dos valores concretos se corresponde con el área bajo la curva entre los valores concretos.



Tabla de errores (Medidas Directas)

Error máximo sigma (68,27%)

Error máximo 2 sigma (95,45%)


V0xV1x1000 9.892841457898277x10-4 0.00197856829158 0.00296785243737 Fout0 0.00271827320207 0.00543654640415 0.00815481960622 Fout1 0.00278634753675 0.00557269507350 0.00835904261025 HFout 0.32897849209415 0.65795698418831 0.98693547628246 Tabla de errores redondeados a una cifra significativa (Medidas Directas)

Error máximo sigma (68,27%)



V0xV1x1000 0.001 0.002 0.003 Fout0 0.003 0.005 0.008 Fout1 0.003 0.006 0.008 HFout 0.3 0.6 1 Calculo de errores en medidas indirectos por el método de diferenciación directa Tabla de errores (Medidas Indirectas)

x1000 Error máximo sigma (68,27%)



V0xV1(Fout0) 0.00865117095013 0.01730234190025 0.02595351285038 V0xV1(Fout1) 0.00886782283287 0.01773564566573 0.02660346849860 V0xV1(HFout) 0.06543779482355 0.13087558964711 0.19631338447066

Tabla de errores redondeados a una cifra significativa (Medidas Indirectas)

x1000 Error máximo sigma (68,27%)



V0xV1(Fout0) 0.009 0.02 0.02 V0xV1(Fout1) 0.009 0.02 0.03 V0xV1(HFout) 0.06 0.13 0.2

Como se observa en las tablas los errores de Fout0 y Fout1 son del mismo orden e inferiores al error de HFout, esto se debe a que las salidas Fout0 y Fout1 son de precisión y la HFout es una salida que solo se usa para calibrar el dispositivo. Los valores se representan como , donde es el error absoluto calculado en las tablas y es el valor medido.

, solo dependen de una variable

,



Ensayo dinámico

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8Gráfica CH1=295mV

Frecuencia (Hz)F

out0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6


Frecuencia (Hz)

Fou

t0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2Gráfica CH1=190mV

Frecuencia (Hz)

Fou

t0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24


Frecuencia (Hz)

Fou

t0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1Gráfica CH1=10,8mV

Frecuencia (Hz)

Fou

t0

Observaciones: Se observa que variando la frecuencia en un rango 25Hz a 100Hz las variaciones en las medidas de Fout0 son muy pequeñas, siendo mayores estás para niveles de señales más pequeños. Esto implica que el dispositivo se comporta bastante estable dentro de este rango de funcionamiento, aunque en la aplicación del proyecto solo va a funcionar a 50Hz. Todas las curvas de cada gráfica van ordenadas como la primera (la de mas arriba corresponde a CH0=30mV y la de mas abajo a CH0=10mV)

CH0=30mV

CH0=20mV

CH0=15mV

CH0=10mV



20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6


Frecuencia (Hz)

Fou

t1

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6


Frecuencia (Hz)

Fou

t1

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2Gráfica CH1=190mV

Frecuencia (Hz)

Fou

t1

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24


Frecuencia (Hz)

Fou

t1

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09


Frecuencia (Hz)

Fou

t1

Observaciones: Se observa que variando la frecuencia en un rango 25Hz a 100Hz las variaciones en las medidas de Fout1 son muy pequeñas, siendo mayores estás para niveles de señales más pequeños. Esto implica que el dispositivo se comporta bastante estable dentro de este rango de funcionamiento, aunque en la aplicación del proyecto solo va a funcionar a 50Hz. Todas las curvas de cada gráfica van ordenadas como la primera (la de mas arriba corresponde a CH0=30mV y la de mas abajo a CH0=10mV)

CH0=30mV

CH0=20mV

CH0=15mV

CH0=10mV



20 30 40 50 60 70 80 90 100 1105

10

15

20

25

30Gráfica CH1=190mV

Frecuencia (Hz)

HF

out

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1101

1.5

2

2.5

3

3.5

4Gráfica CH1=25mV

Frecuencia (Hz)

HF

out

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6


Frecuencia (Hz)

HF

out

20 30 40 50 60 70 80 90 100 11010

15

20

25

30

35

40


Frecuencia (Hz)

HF

out

20 30 40 50 60 70 80 90 100 11030

40

50

60

70

80

90

100


Frecuencia (Hz)

HF

out

Observaciones: Se observa que variando la frecuencia en un rango 25Hz a 100Hz las variaciones en las medidas de HFout son muy pequeñas, siendo mayores estás para niveles de señales más pequeños y también en valores altos de CH1 y CH0. Esto implica que el dispositivo se comporta bastante estable dentro de este rango de funcionamiento, aunque en la aplicación del proyecto solo va a funcionar a 50Hz. Todas las curvas de cada gráfica van ordenadas como la primera (la de mas arriba corresponde a CH0=30mV y la de mas abajo a CH0=10mV)

CH0=10mV

CH0=15mV

CH0=20mV

CH0=30mV

Capítulo 3. Diseño del medidor de energía


El diseño del medidor de energía consta de los cuatro bloques que se muestran en la figura:

- El bloque Medidor de Energía es el medidor en si mismo, es un bloque que se encarga de medir la potencia activa de la red. La señal de pulso que se genera es leída por un microprocesador, que a su vez la envía a través del puerto serie al Módulo A.

- Módulo A es un bloque que no es objeto del proyecto y se trata como una caja negra. Este bloque captura la información serie que envía el microprocesador y la envía por radiofrecuencia al módulo B.

- Módulo B al igual que el Módulo A no es objeto del proyecto. Este bloque es idéntico al A pero configurado como receptor, es decir captura la información por radio frecuencia y la envía al puerto serie del Módulo C.

- Módulo C es un bloque que recibe la información en serie y la transforma para poder enviarla al puerto USB del PC.

- PC se encarga de recibir la información serie (USB) que le llega del Módulo B. Toda esta información es interpretada por una aplicación desarrollada con Matlab, que muestra en un entorno gráfico todos los datos de interés como Potencia Activa, Energía consumida, Frecuencia de las salidas Fout, etc.

Descripción de los bloques que integran el proyecto Medidor de Energía Este es el bloque más importante del diseño porque es el que se encarga de medir directamente la energía de la red y transformarla en una señal de salida que sea fácilmente interpretada. Este bloque consta a su vez de una serie de bloques:

- Paca de evaluación, es una placa que proporciona MicroChip, en la que se puede ensayar el Chip con todas las configuraciones posibles. Esta placa es el punto de partida del proyecto, a través de esta placa y los datos obtenidos en el ensayo estático se elige la mejor configuración para la aplicación, que como se observa obviamente de las gráficas del ensayo estático se elige la recta que tiene una mayor pendiente para obtener la mayor precisión posible.

- Regulador 3,3V acoplado en serie al regulador de 5V de la Placa de evaluación. Este regulador se encarga de alimentar el microprocesador (Cortex-M0) que trabaja con señales de 3,3V.

Diseño del medidor de energía


- LM 555, este circuito integrado hace la función de temporizador, es decir,

proporciona una salida de pulsos de frecuencia constante que se usa para generar en el microprocesador una interrupción externa.

- Diodos Tener de 3,3V, se usan para recortar las señales de pulsos que recibe el microprocesador. Estas señales son de 5V y el microprocesador trabaja con señales de 3,3V.

- Microprocesador (Cortex-M0), es el encargado de recibir la señal de pulsos que proporciona el MCP3905A, a través de una entrada configurada como interrupción externa, esta información se va almacenando en variables internas del microprocesador, y a su vez se va enviando a través del puerto sería al Módulo A.



Esquema de la placa de evaluación del MCP3905A



LM 555: Como multivibrador Astable (Encapsulado DIP 8) Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos tiempos dependen de los valores de R1, R2 y C, según las fórmulas siguientes: Sin diodo D1:

seg seg Hz

Añadiéndole el diodo D1 los tiempos quedan:

seg seg Hz En este caso se a configurado con el diodo D1 con lo cual para R1=15k, R2=12K y C=10pF la frecuencia es de F=0,5334 MHz



Esquemas del Microprocesador (Cortex-M0) LPC1114

En esta figura se representan las conexiones básicas del microprocesador modelo LPC1114 (Cortex-M0) de LPCXpresso. From PLC-Link Side, son las conexiones que van a la placa que programa el microprocesador.



Configuración de pines del Microprocesador (Cortex-M0) LPC1114

Este Chip se programa en lenguaje de programación C a través del software LPCXpresso v4.0.6_152. El código se puede ver en el CD adjunto con el proyecto, aunque básicamente consiste en programar dos entradas con interrupciones externas, una para capturar el tiempo del LM 555 y otra para medir el periodo de la señal Fout. Una entrada para resetear el Chip y por ultimo se usa como salida el puerto serie con lo que habrá que programar la UART. Solo se usa la línea de envío Txt. El algoritmo es un proceso iterativo que pone constantemente un dato en la UART.



Encapsulado

Módulos A, B y C Como se ha comentado anteriormente los módulos A y B no son objeto del proyecto y se tratan como cajas negras. El módulo A se usa como emisor de señal, es decir, recibe la información a través del puerto serie desde el microprocesador y la envía por radiofrecuencia al módulo B que actúa como receptor, recibiendo la información por radiofrecuencia y enviándola al puerto serie del módulo C. El módulo C recibe la información en serie y la transforma a serie USB y la envía al puerto USB del PC.



Esquemas de conexionado

Fotos del módulo A y B



PC A través del puerto serie (USB) del PC se captura el dato que viene desde el Módulo B. Este dato es interpretado por una aplicación de entorno gráfico de Matlab, que es el que se encarga de mostrar los datos adecuados por pantalla. Esta aplicación de Matlab se encarga de gestionar el puerto serie (USB) que le sea asignado, también se ha definido una trama para que el microprocesador y Matlab se puedan comunicar. Todos los datos de la trama están en cadenas de caracteres en los que se han incluido terminadores para diferenciar el dato que son los caracteres A, B, C y D y un terminador de trama F. numero A numero2 B numero3 C numero4 D F Este es el formato de la trama donde:

- numero, es la variable definida en C ya transformada a cadena de caracteres, que almacena la potencia activa en un instante determinado.

- numero2, es la variable definida en C ya transformada a cadena de caracteres, que almacena la energía.

- numero3, almacena el periodo de la señal Fout0. - numero4, esta variable almacena las veces que se ha desbordado la

variable numero2, es decir amplia el rango de almacenamiento de la energía.

Entorno Gráfico de Matlab



El algoritmo diseñado en Matlab se encarga de interpretar la trama anterior y muestra en la figura del entorno gráfico anterior la Potencia Activa, Energía, Periodo del Pulso y la Frecuencia del pulso. Para que la aplicación funcione correctamente hay que introducirle el puerto COM al que esta conectado el Módulo B y la velocidad a la que se produce la transmisión de información entre el módulo B y el puerto serie (USB) del PC que es para ambos la misma. Cada vez que se quiera actualizar el dato por pantalla hay que pulsar el botón Ejecutar.



Esquema del medidor de energía con todos los bloque ensamblados



PCB



FOTOS

Medidor de Energía

Medidor de Energía con placas de caracterización



Comparación de los datos

5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7Rectas de Fout0(labview) frente a VCH0(V) para distintos VCH1


Fou

t(H

z)

5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7Rectas de Fout0(microprocesador) frente a VCH0(V) para distintos VCH1


Fou

t(H

z)

CH1=658.8352mV

CH1=294.5163 mV

CH1=189.3903 mV

CH1=658.8352mV

CH1=294.5163 mV

CH1=189.3903 mV



En las gráficas anteriores se han calculado las curvas de salida “Fout0” de la placa diseñada tanto en Labview, como por la aplicación diseñada por Matlab capturando los datos registrados por el microprocesador del medidor diseñado. Solo se han sacado las curvas para valores del canal1 de 658.8352, 294.5163 y 189.3903.

5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7Curva FOUT0 (Hz) frente CH0 de labview y cortez M0


FO

UT

0 (H

z)

En esta gráfica se han superpuesto las curvas obtenidas desde labview y microprocesador y como se observa los datos son bastante exactos, con lo que se concluye que la aplicación del microprocesador junto con Matlab están funcionando correctamente y están bien calibrados.

CH1=658.8352mV

CH1=294.5163 mV

CH1=189.3903 mV



Comparación de los datos con los obtenidos en la paca de evaluación

5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7Curva FOUT0 (Hz) frente CH0 de labview, placa eavaluación y cortez M0


FO

UT

0 (H

z)

Se observa un pequeño error debido a que las tensiones del canal 1 no eran exactamente las mismas en la placa de evaluación que en la placa diseñada, pero observando de forma cualitativa la forma de las pendientes y los resultados obtenidos de frecuencia también se concluye que el funcionamiento de las dos pacas es similar.

CH1=658.8352mV

CH1=294.5163 mV

CH1=189.3903 mV

Capítulo 4. Lista de materiales


- Resistencias de precisión del 1% y de 1/4W • 30Ω → 2 • 1K → 6 • 10Ω → 1 • 820Ω → 2 • 20Ω → 2 • 470Ω → 2 • 4,7K → 1 • 332K → 2 • 499Ω → 1 • 100Ω → 1 • 12K → 2 • 15K → 1

- Resistencias de precisión del 1% y de 1W

• 470Ω → 1

- Inductancia BEAD CORE SINGLE 3.5X9MM Axial EXC-ELSA39 → 2 - Potenciometros multivueltas

• 300K → 1 • 100K → 1 • 1K → 1

- Condensadores para 5V

• 0,033µF → 5 • 0,1µF → 6 • 10µF → 2 • 220µF → 1 • 22pF → 2 • 2,2µF → 2 • 0,01µF → 1 • 330pF → 1 • 18pF → 2 • 100nF → 2 • 10nF → 2

- Condensadores para la fuente de alimentación

• 0,01µF ECQ-U2A103MN → 1 • 0,47µF ECQ-E6474KF → 1

Lista de materiales


- Varistor EPCOS SIOV-S20K275 → 1 - Cristal de cuarzo cortex-M0 de 12MHz → 1 - Cristal de cuarzo 3,579545MHz ECS-35-17-4X → 1 - Diodo 1N4004 → 1 - Diodo normal para el CI 555 → 1 - Diodo Led → 2 - Diodo tener 1N4744A → 1 - Diodo Tener 3,3V → 2 - Borneros de 2 entradas → 6 - Regleta de pines → 1 - Micropulsadores → 2 - MCP3905A → 1 - Cortex-M0 → 1 - CI 555 (temporizador) → 1 - MIC5209 – 5.0BM → 1 - MIC5209 – 3.3BM → 1 - Placa fotosensible → 1

Capítulo 5. Referencias


- http://www.microchip.com

- http://ics.nxp.com/lpcxpresso/

- http://www.ftdichip.com/

- http://www.ni.com/labview/esa/

- http://www.danielmunoz.com.ar/blog/2009/04/30/ejemplos-labview/

- http://www.dinel.us.es/

- http://www.jvadillo.com/hardware/PCADNuevoSimbolo.shtml

- http://toyscaos.tripod.com/serial.html

- http://www.youtube.com/watch?v=LCFGtUvRX6w&feature=related

- http://www.digi.com/support/productdetl.jsp?pid=3352&osvid=57&s=316&tp=5&tp2=0

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