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 Sertaç BAYHAN a, * ve Şevki DEMİRBAŞ b a, * 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 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. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
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
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. 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. Hayır Hesaplamaların gerçekleştirilmesi Bilgilerin LCD ekrana yazılması Program sonlandırıldı mı? Son Evet 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
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 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 7. Tasarlanan multimetreye ait fotoğraf 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
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