作为电子爱好者，我们经常依靠一些仪器来测量和分析电路。从简单的万用表到复杂的功率分析仪或DSOs，所有的仪器都有自己独特的用途。这些仪表的大部分都有成品，我们可以根据特定的需要来购买。有时我们可能想自己做一个仪器。例如，当我们准备做太阳能光伏项目时，我们想计算负载的功耗，在这种情况下，我们可以使用它Arduino这样的微控制器平台构建了我们自己的功率计。
构建自己的功率计不仅可以降低成本，还可以为我们提供更深入地了解测试功能的方法。例如，使用Arduino功率计可以轻松调整串口监控器上的监控结果，在串口上绘制图形，添加SD电压、电流和功率动记录电压、电流和功率值。
电源计材料清单
Arduino Nano
LM358运放
7805
LCD1602
0.22欧姆2瓦电阻
10k可调电阻
10k,20k,2.2k,1k电阻
0.1uF电容
测试负载
面包板
功率计电路图
下面是arduino功率计项目完整电路图：
为了便于理解，我们把arduino功率计电路分为两部分。电路的上半部分是测量单元，电路的下半部分是计算和显示单元。该电路的测量范围适用于0-24V，考虑到太阳能光伏电池的规格，电流为0-1A。电路的基本原理是计算负载消耗的能量，并在1602显示器上显示测量值。
接下来，我们将电路分为多个功能块，以便更清楚地了解电路是如何工作的。
测量单元
测量单元包含一个分压器，可以帮助我们测量电压；非反向操作放大器可以帮助我们通过电路测量电流。上述电路的分压部分如下：
输入电压为由Vcc正如前面所说，我们正在设计从0到24V电压范围的电路。但是像Arduino这种微控制器不能测量如此高的电压值，它只能测量0-5v的电压。因此，我们必须将0-24分开v电压(转换)0-5v。这因此我们通过使用一个分压电路来实现，如下所示。10k和2.2k分压器的输出电压可以通过以下公式计算。
Vout = (Vin × R2) / (R1 R2)
电路图标记为Voltage电压可以从两个电阻之间获得，转换后的电压可以输入Arduino在模拟针中。接下来是电流测量单元，我们知道微控制器只能读取模拟电压，所以我们需要将电流值转换为电压。此时，可以通过在电路中添加电阻（并联）来实现。根据欧姆定律，它将降低电压值，这与流过它的电流成正比。这个值会很小，所以我们用操作放大器来放大它。电路如下：
分流电阻(SR1)的值是0.22欧姆。正如我们之前所说，我们设计了0-1A基于欧姆定律的测量电路，当最大1时，我们可以计算电阻的电压降A当电流通过负载时，其电压为0.2V左右。这个电压对于微控制器来说很小。我们使用操作放大器将电压从0开始.2V放大到更高。这个放大器的增益是21，0.2*21=4.2v。计算放大器增益的公式如下：
Gain = Vout / Vin = 1 (Rf / Rin)
在例子中，Rf的值是20k而Rin的值是1k，这样，我们就可以获得21的增益值。然后，将放大器的放大电压输入电阻1k和电容0.1uf组成的的RC过滤电路，过滤掉耦合噪声。最后，输入电压Arduino模拟针上。
测量单元的最后一部分是电压调节电路。由于实际输入的电压可能是可变的，因此Arduino运算放大器需要稳定性 5V来保证正常工作，因此我们用7805稳压模块并添加一个噪声电容来进行电压调节。电路如下：
计算和显示单元
在测量单元中，我们将电压和电流参数转换为0-5v，可使用Arduino模拟输入。现在，我们需要使用这些电压信号Arduino连接起来，连接1602液晶显示器Arduino这样我们就可以查看最终结果了。
如上图所示，Voltage针与Arduino模拟针A3相连，而Current针连接到Arduino模拟针A4.1602液晶显示器的电源来自7805输出 5 V，同时，其他1602信号针也将同时使用Arduino数字针连接4-bit模式工作，同时，我们使用了一个电位计(10 k)连接到1602的 Con 针用来调节LCD的对比度。
Arduino编程部分
讨论硬件部分后，现在轮到软件部分了。软件部分代码的基本思路是读取A3和A4上的模拟电压，计算电压、电流和功率值，最后显示LCD屏幕上。让我们把代码分成小段来解释。和所有Arduino同样的程序，一开始是定义使用的引脚。在本例中，A3和A数字针3、4、8、9、10和11用于测量电压和电流Arduino进行交互。
int Read_Voltage = A3;
int Read_Current = A4;
const int rs = 3, en = 4, d4 = 8, d5 = 9, d6 = 10, d7 = 11; //1602 LCD 连接针
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);
included一个名为“liquid crystal头文件setup 在函数中，初始化LCD将串口显示文本设置为显示屏Arduino Wattmeter然后等两秒钟。代码如下：
void setup() {
lcd.begin(16, 2); //Initialise 16*2 LCD
lcd.print(" Arduino Wattmeter");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("-Circuitdigest");
delay(2000);
lcd.clear();
}
我们使用主循环函数analogread函数来读取A3和A4的电压值。我们知道Arduino ADC输出值为0-1203，因为它有10位ADC,这个值必须转换为0-5v，乘以(5/1023)可以完成。在硬件介绍部分，我们已经完成了0-24v到0-5v0-1a到0-5v的转换。所以现在我们必须用乘数将这些值恢复到实际值。可以通过将其与乘数值相乘来完成。乘数值可以用硬件部分提供的公式计算，或者如果你已经知道电压和电流值，你可以实际计算。本例遵循后一种选择，因为它在现实中往往更准确。因此乘数值为6.46和0.239。因此，代码如下所示：
float Voltage_Value = analogRead(Read_Voltage);
float Current_Value = analogRead(Read_Current);
Voltage_Value = Voltage_Value * (5.0/1023.0) * 6.46;
Current_Value = Current_Value * (5.0/1023.0) * 0.239;
如何提高测量精度？
计算实际电压和电流值的方法可以很好地工作。但也有一个缺点，那就是测量ADC电压与实际电压的关系不是线性的，所以结果不是很准确。为了提高精度，我们可以用已知的一组值来建立测量ADC收集值，然后使用线性回归方法推导乘数方程。一旦计算出实际电压和实际电流值，就可以用公式计算出功率(P=V*I)。然后使用以下代码LCD这三个值显示在上面。
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("V="); lcd.print(Voltage_Value);
lcd.print(" ");
lcd.print("I=");lcd.print(Current_Value);
float Power_Value = Voltage_Value * Current_Value;
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Power="); lcd.print(Power_Value);
完整的测试代码
/*
* Wattmeter for Solar PV using Arduino
* Dated: 2-10-2018
* Website: www.basemu.com
* Translation to:circuitdigest.com
* Power LCD and circuitry from the 5V pin of Arduino whcih is powered via 7805
* LCD RS -> pin 2
* LCD EN -> pin 3
* LCD D4 -> pin 8
* LCD D5 -> pin 9
* LCD D6 -> pin 10
* LCD D7 -> pin 11
* Potetnital divider to measure vltage -> A3
* Op-Amp output to measure current -> A4
*/
#include
int Read_Voltage = A3;
int Read_Current = A4;
const int rs = 3, en = 4, d4 = 8, d5 = 9, d6 = 10, d7 = 11;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);
void setup() {
lcd.begin(16, 2);
lcd.print(" Arduino Wattmeter");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(" With Arduino ");
delay(2000);
lcd.clear();
}
void loop() {
float Voltage_Value = analogRead(Read_Voltage);
float Current_Value = analogRead(Read_Current);
Voltage_Value = Voltage_Value * (5.0/1023.0) * 6.46;
Current_Value = Current_Value * (5.0/1023.0) * 0.239;
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("V="); lcd.print(Voltage_Value);
lcd.print(" ");
lcd.print("I=");lcd.print(Current_Value);
float Power_Value = Voltage_Value * Current_Value;
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Power="); lcd.print(Power_Value);
delay(200);
}