Consejos sobre la medición de corriente alterna usando un microcontrolador

El objetivo es diseñar un módulo simple y compacto (lo más simple y compacto posible) para realizar la medición de corriente alterna (para una o dos cargas de 220 V) utilizando un microcontrolador. Uno de los problemas es que tengo un conocimiento 'analógico' limitado.

Aquí hay algunas restricciones de diseño que debo observar:

1. la carga medida puede variar desde una bombilla de luz LED (~5 W) hasta una lavadora/herramienta de servicio pesado (como una sierra circular); las cargas objetivo son generalmente electrodomésticos/herramientas, no cargas industriales 'pesadas'; probablemente la mayoría de las cargas estarán en el rango de 5W-200W. Es aceptable tener una sola placa con piezas opcionales/intercambiables (de ahí mi enfoque con los sensores Hall; ver más abajo)

2. el microcontrolador debe ser un ESP8266 o un ESP32, porque necesita conectarse a una red propietaria existente usando un protocolo específico (no es el objeto de esta publicación).

3. los módulos existentes que serán reemplazados (que actualmente están diseñados sin capacidad de medición de corriente) pueden controlar una o dos cargas ; esto significa que hay una buena densidad de componentes (la placa del módulo del microcontrolador, la fuente de alimentación, dos relés compactos - APAN3103 - y componentes discretos relacionados)

4. la fuente de alimentación debe ser de 3,3 V para evitar el cambio de nivel lógico (ambos ESP funcionan a 3,3 V)

5. el módulo debe encajar idealmente en una caja de conexiones redonda (50 mm)

Hasta ahora he puesto un circuito usando un ACS712 para +/-5A y un ADC1015 para la conversión usando el modo diferencial y la CPU es una ESP32; Estoy comparando la salida del sensor Hall con el voltaje que obtengo de un divisor 1:2, ya que estoy midiendo CA.

Los cálculos se realizan utilizando la biblioteca 'Filtros' para obtener el valor RMS de las muestras medidas; la biblioteca ha sido ligeramente rediseñada para C simple (originalmente está escrita en C++).

Sin embargo, me enfrento a un par de problemas:

1. ya que es AC, se deben tomar medidas frecuentes para realizar los cálculos. Logré obtener hasta 1000 muestras por segundo; más alto que eso y el microcontrolador no puede asignar suficiente tiempo a la pila de wi-fi. El sensor Hall es capaz de 3 veces esa tasa.

2. el valor RMS parece demasiado bajo para una sola bombilla LED (un valor de alrededor de 15 para una carga de 11 W) y la precisión parece pobre; La carga más alta que he probado hasta ahora es de 75 W y el valor RMS es de aproximadamente 68.

3. cuando no hay carga, la salida del sensor Hall no es estable; fluctúa alrededor de +/-0,02 mV alrededor del valor 'cero' calibrado; Estoy calibrando esto ya que el divisor de voltaje no es del todo preciso debido a la tolerancia de la resistencia (creo).

4. recuperar el valor medido del ADC a través de la interfaz I2C toma la mayor parte del tiempo

El ciclo de lectura utiliza una operación 'invertida' (leer el valor disponible y luego activar el siguiente ciclo ADC), para permitir que la CPU haga otra cosa mientras el ADC realiza la conversión; algo como esto :

function timer_callback() {
   var value = ADC1015.getMeasuredValue()
   // ... calculate
   ADC1015.triggerMeasurement()
}

Sin embargo, mis tiempos muestran que esta función tarda unos 500 microsegundos en completarse, por lo que las 1000 muestras por segundo deben estar cerca de lo que se puede hacer con este enfoque. La mayoría de los 500us, alrededor de 400us, se gastan en la comunicación I2C, que está configurada para funcionar a 1MHz.

Estoy buscando consejos sobre cómo mejorar:

1. la parte analogica

   • ¿Es apropiado el módulo Hall?
   • ¿Debería haber usado un CT?
   • ¿Hay algún otro circuito práctico para mi escenario?

2. la parte digital

   • principalmente cómo hacer que la información digital llegue más rápido a la CPU (incluso si probablemente no sea 100% el sitio adecuado para preguntar esto)

Gracias de antemano.