Цифровой вольтамперметр на ATmega8 для блока питания. Встраиваемый ампер-вольтметр на PIC12F675 и LED-индикаторах Семисегментный вольтметр pic микроконтроллеров

Answer

Lorem Ipsum is simply dummy text of the printing and typesetting industry. Lorem Ipsum has been the industry"s standard dummy text ever since the 1500s, when an unknown printer took a galley of type and scrambled it to make a type specimen book. It has survived not only five http://jquery2dotnet.com/ centuries, but also the leap into electronic typesetting, remaining essentially unchanged. It was popularised in the 1960s with the release of Letraset sheets containing Lorem Ipsum passages, and more recently with desktop publishing software like Aldus PageMaker including versions of Lorem Ipsum.

Возникла однажды у меня потребность в нормальном блоке питания. В таком, чтоб мог отдавать в нагрузку ток 4-5 ампера и чтоб напряжение регулировалось. Сказано - сделано. Нашел старинный блок AT блок питания от компа, перепаял. Напряжение регулируется, да вот только сколько там вольт на выходе не понятно. А каждый раз подключать мультиметр мне лень.

Для этого спаял вот это чудо:

Данный вольтметр измеряет напряжение в диапазоне от 0 до 20 вольт. Диапазон может быть расширен или наоборот уменьшен. (придется немного подправить прошивку и пересчитать делитель напряжения). Аппаратная часть почти не представляет интереса: Линейный стабилизатор, источник опорного напряжения на TL431, контроллер и трёхразрядный семисегментый индикатор с общим анодом.

Трёхразрядного индикатора я в Proteus’е не нашел так что не удивляйтесь:-) В принципе, если микрухи TL431 под рукой не будет то можно использовать стабилитрон на 5.1 вольта + делитель напряжения. Но лучше оставить её т.к. измерения будут точней. Стоит она рублей 10 и дефицитом не является. Её можно найти в компьютерных блоках питания в цепях источника дежурного напряжения. Обычно она в корпусе TO-92. Резисторы обвязки лучше применить с допуском 1%. Опять же для точности. Если нет, то можно поставить и обычные. У меня с обычными резисторами источник опорного напряжения выдает около 5.02 вольта, что в принципе нормально. Конденсатор C3 следует расположить максимально близко к микроконтроллеру для снижения всевозможных наводок. Дроссель можно взять любой какой есть в запасах примерно от 10uH до 100 uH. Я нарыл старинный, советского производства. На фото его хорошо видно. Я люблю smd монтаж, и плата соответственно разведена под smd компоненты типоразмера 1206. Ни кто разумеется не запрещает развести свою печатку под выводные детали =) Вместо контроллера Atmega88 можно использовать Atmega8 без изменения схемы. Нужно всего лишь зашить соответствующую программу. Фьюзы микроконтроллера должны быть настроены на тактирование от внутреннего RC генератора работающего на частоте 2 мгц.

Разобравшись с железом поговорим о софте. Впервые я писал программу для микроконтроллера на микропаскале от Mikroelektronika. Впечатления отличные! Удобная среда разработки, справочная система, компактность генерируемого hex, всё это на высоте. Если кто-то захочет подправить прошивку, например сделать её для индикатора с общим катодом, то она в вашем распоряжении внизу страницы. Там же можно обнаружить саму среду разработки в которой этот исходник можно открыть и скомпилировать.

Предлагаю вашему вниманию конструкцию цифрового вольтметра, который также может быть переделан в амперметр. Схема была взята из журнала Радио №2 за 2010 год. Схема представлена на рисунке

Вольтметр предназначен для измерения напряжения до 0-99,99 в, этот интервал разбит на два участка – 0-9,999в и 10-99,99 в. Переключение с одного диапазона на другой –автоматическое. Входное сопротивление на первом участке – 470 кОм, на втором – около 100 кОм, абсолютная погрешность измерения на первом участке составляет ±3мв, напряжение питания – 15-20 в, потребляемый ток – 60мА(зависит от примененного семисегментного индикатора). Период повторения измерения – 100мс, максимальное время одного цикла преобразования при входном напряжении 9,999 в – 10мс. При превышении измеряемым напряжением 99,99 в на индикаторе отображается число «9999», которое мигает с частотой 2Гц. Полярность входного напряжения - положительная.
Принцип работы вольтметра основан на методе преобразования измеряемого напряжения в частоту с помощью однократного интегрирования. Это позволяет по сравнению с микроконтроллерами, имеющими встроенные десятиразрядные АЦП, получить большую разрешающую способность в широком интервале измеряемого напряжения. Подсчет частоты, переключение пределов и вывод результатов измерения на светодиодный индикатор осуществляет микроконтроллер. Подробное описание работы можно прочитать в статье, в прилагаемом файле, так же исходный код и файл прошивки
depositfiles.com/files/9p9spo2oo
Теперь про доработку этого вольтметра. Резистор делителя напряжения R2 я сделал составным – резистор ПТМН – 0,5Вт 100кОм, ±0,25% и последовательно с ним многооборотный подстроечный СП5-2 на 22 кОм, резистор R5 поставил подстроечный СП3-39А на 15 кОм. Это было сделано для точного подбора сопротивления делителя напряжения при настройке вольтметра.
Вольтметр собран на печатной плате. Плата была перерисована из статьи в программе sprint layout, файл печатки прилагается ниже
depositfiles.com/files/rsbo4oebv
а вот печатка для SMD компонентов
depositfiles.com/files/zi6xq8x7f
Микроконтроллер прошивался при помощи программатора STK 200/300, в программе CodeVisionAVR.
Фьюзы для CodeVisionAVR

Фьюзы для Pony Prog


Питается вольтметр от трансформаторного блока питания с стабилизатором напряжения на микросхеме 7815, собранном по типовой схеме. Блок питания собран на печатной плате, так же на плате находится составной резистор R2 и R5. Файл печатной платы ниже.
depositfiles.com/files/nsaa4kzkj
Фото основной платы вольтметра




Фото блока питания




И теперь все в сборе


Настройка вольтметра заключается в установке резистором R3 тока зарядки конденсатора C2 и подбор сопротивления делителя напряжения. Предварительно делитель подстроечными резисторами настраивается – резистор R2 на сопротивление 117 кОм, резистор R5 на сопротивление 13 кОм. На вход прибора подают стабилизированное напряжение в интервале 9…9.8 в, контролируя образцовым вольтметром. Резистором R3 уравнивают показания налаживаемого и образцового вольтметров. Увеличивают напряжение до тех пор, пока вольтметр не переключится на второй диапазон измерений. Если показания вольтметра «зависли» при этом, то резисторами R2 и R5 добиваются переключения вольтметра на второй диапазон, после этого нужно повторить регулировку резистором R3. Подают на вольтметр максимально возможное напряжение до 100 в и резисторами R2 и R5 корректируют показания. Далее подают на вход от 5 до 10 в и при необходимости корректируют показания резистором R3. Проверяется показания вольтметра во всем диапазоне.
Фото показаний вольтметра на первом диапазоне и образцового прибора Щ301-1.


Фото показаний вольтметра на втором диапазоне и образцового прибора Щ301-1.

Вольтметр, собранный по этой схеме показал высокую точность показаний, по сравнению с китайскими мультиметрами, его можно применять и как лабораторный.
Для данного вольтметра корпус не изготавливался, вольтметр был встроен в корпус электролизера, для контроля напряжения на электродах, вместо штатного стрелочного вольтметра.
Так же данная схема вольтметра может быть переделана в амперметр.
Схема изменений приведена ниже


Показания могут лежать в диапазоне от 0,00 до 99,99А.
Децимальная точка зафиксирована, старший разряд при показаниях, меньших 10А не горит.
Делитель изъят, вместо С4 стоит танталовый конденсатор К53-4 6,8мкФ - для усреднения. В сток транзистора VT1 добавил резистор 1ом, ёмкость-то большая, хоть немного ограничивает пиковый ток разряда.
Для имеющегося шунта необходимо пересчитать ёмкость С2: Сх=(Uпоказ./Uшунт)*С2, где Сх, мкФ - искомая ёмкость конденсатора, Uпоказ., мВ - требуемое максимальное показание амперметра, Uшунт, мВ - напряжение на шунте, соответствующее максимальному измеряемому току, С2 - 2,2мкФ. Пусть на шунте падает 300мВ. Для 10А получается: (1000/300)*2,2 = 7,33 мкФ. Ёмкость лучше округлить в большую сторону, до 8,2мкФ. Номинал резистора R4 придется подобрать, он будет меньше, чем в исходной схеме. Немного измененная прошивка прилагается ниже (так же и исход)

Схема на рис.1 - развитие предыдущей идеи конструкции по использованию аналогового входа в микроконтроллере, не имеющего встроенного АЦП, а так же используются технические приемы из другой идеи конструкции по управлению семисегментным светодиодным индикатором без внешних ключевых транзисторов. Данная схема имеет последовательный канал, и нужна только витая пара для передачи измеренных значений на персональный компьютер.

Последовательный канал был протестирован с использованием программы компании Microsoft Hyper Terminal сконфигурированной параметрами 115,200 бод; 8 бит, четность, 1 стоп-бит; без аппаратного контроля.

Коротко, программа управляет одним светодиодным семисегментным индикатором за раз по линиям RA0 и RB7. Установка выхода RA0 в единицу и использование RB7, как входа активизирует индикатор с общим анодом DS3. Установка выхода RA0 в ноль и использование RB7 как входа, активизирует индикатор с общим катодом DS2. Использование RA0 как входа и установка выхода RB7 в единицу активизирует индикатор с общим анодом DS1, а при использовании RA0 как вход и установке выхода RB7 в ноль активизирует индикатор с общим катодом DS0. После успешной активизации одного индикатора, только одна из линий RB0 … RB6, конфигурируется как выход для управления одним светодиодным сегментом. Эта схема больше не имеет ограничения на питающее напряжение VDD - 3В или ниже - так как светодиоды включены встречно-параллельно, таким образом, прямое падение напряжения на одном светодиоде ограничивает обратное напряжение на другом. Использование красных светодиодов требует 1,6 В.

Рис.2 иллюстрирует новые аспекты идеи конструкции. Q1, R5, и R6 работают как эквивалентный переменный резистор, RX, который заряжает конденсатор C3. Вместо подключения RX к земле, просто подключите его к одной линии ввода-вывода - например RB0 - микроконтроллера. Если RB0 включен как выход в нулевом состоянии, значит первый аналоговый канал активизирован и измерительная подпрограмма подсчитывает импульсы заряда до величины 66% от VDD; затем, по таблице полученная величина задержки переводится в величину милливольт из трех цифр. Для увеличения количества аналоговых входов, вы можете подключить до семи цепей переменного резистора в параллель - таким образом, что каждый подключен между C3 и одной линией ввода-вывода, RB1 … RB7. Важно, что линии ввода-вывода подключены к индикаторам и так же активируют или отключают аналоговые каналы. Когда один аналоговый канал активизирован линией ввода-вывода выходом в низком состоянии, другие линии имеют высокое сопротивление и работают как входы, что отключает все остальные каналы. Соответственно, индикаторы отключены.

В схему на рис.1 так же добавлен простейший последовательный канал без добавления внешних компонентов. Если вы подключите две линии ввода-вывода, RA1 и RA2, сконфигурированные как выходы к RXD (Выв 2) и GND (Выв 5) разъема RS 232, вы сможете создавать, с помощью программы, положительное и отрицательное напряжение относительно земли порта RS 232 в ПК. Когда RA1 в единице, а RA2 в ноле, RXD имеет положительный потенциал 5 В относительно земли порта RS 232 в ПК. Когда RA1 в ноле, а RA2 в единице, RXD имеет отрицательный потенциал -5 В относительно земли порта RS 232 в ПК.

Данное устройство реализовано на PIC16F676 с использованием встроенного десятиразрядного АЦП. Вольтметр позволяет измерять напряжение до 30В постоянного тока и может использоваться в настольных источниках питания либо различных приборных панелях.
Для отображения напряжения используется три семисигментный индикатора с общим анодом. Вывод информации на индикаторы осуществляется динамически(мультиплексированием), частота обновления составляет около 50 Гц.

Схема вольтметра:

Напряжение на выходе делителя
По умолчанию у PIC микроконтроллера, источник опорного напряжения АЦП установлен на VCC (+5 В в данном случае).
Необходимо сделать такой делитель напряжения, который снизит напряжение 30В до 5В. Несложно рассчитать Vin / 6 ==> 30/6 = 5, коэффициент деления равен 6. Так же делитель должен обладать большим сопротивлением, чтобы как можно меньше влиять на измеряемое напряжение.

Расчет
АЦП - 10bit значит максимальное количество отсчётов 1023.
Максимальное значение напряжения 5В, тогда получаем 5/1023 = 0,0048878 В/Отсчёт. В таком случае, если количество точек АЦП составляет 188, то напряжение на входе 188 * 0.0048878 = 0.918 вольт

С использованием делителя напряжения, максимальное напряжение 30В, тогда 30/1023 = 0,02932 В/Отсчёт.
И если количество точек АЦП составляет 188, то напряжение на входе 188 * 0,02932 = 5,5 В.

Конденсатор 0.1uF делает АЦП более стабильным, так как десятиразрядные АЦП достаточно чувствительны.
Стабилитрон на 5,1В предназначен для защиты АЦП от превышения допустимого напряжения.

Печатная плата:

Фото готового устройства:

Точность и калибровка
Общая точность схемы достаточно велика, она полностью зависит от значений сопротивлений резисторов 47кОм и 10кОм, следовательно чем точнее будут выбраны комплектующие, тем точнее будут показания.
Калибровка вольтметра осуществляется подстроечным резистором 10кОм, установите сопротивление около 7,5кОм и контролируйте показания другим прибором.
Также для настройки можно использовать любой стабилизированный источник на 5 или 12 вольт, в этом случае вращайте подстроечный резистор до тех пор, пока не получите правильное значение на дисплее.

Проект в Proteus:

Продолжаем разбираться с вариантами реализации вольтметра - амперметра на базе микропроцессора.
Не забудьте архив с файлами, они нам сегодня потребуются.

При желании поставить крупные индикаторы, придется решать вопрос ограничения тока потребления через порты МК. В данном случае необходимо ставить буферные транзисторы на каждый разряд индикатора.

Индикаторы больших размеров

Логика работы МК для этого варианта нуждается только в небольшом изменении программы в части инверсии выходного сигнала управления разрядами, а именно портов RA0, RA1, RA5.
Рассмотрим только то, что изменится, а именно подпрограмму, уже известную нам под условным названием «Функция формирования динамической индикации» в Листинге №2 (смотрите папку «тр_ОЕ_30V» в архиве или первую часть статьи):

16. void Indicator (){ 17. while (show_digit < 3) { 18. portc = 0b111111; // 1 -> C 19. if (show_digit == 2){ delay_ms(1); } 20. porta = 0b100111; 21. show_digit = show_digit + 1; 22. switch (show_digit) { 23. case 1: { 24. if (digit1 == 0) { } else { 25. Cod_to_PORT(DIGIT1); 26. PORTA &= (~(1<<0)); //0 -> A0 27. } break;} 28. case 2: { 29. Cod_to_PORT(DIGIT2); 30. PORTA &= (~(1<<1)); //0 -> A1 31. break;} 32. case 3: { 33. Cod_to_PORT(DIGIT3); 34. PORTA &= (~(1<<5)); //0 -> A5 35. break;} } 36. Delay_ms(6); 37. if (RA2_bit==0) {PORTA |= (1<<2);// 1 -> A2 38. Delay_ms(1);} 39. if ((show_digit >= 3)!= 0) break; 40. } show_digit = 0;}

В завершение, вспомните слова кузнеца из фильма «Формула Любви»: «…если один человек построил, другой завсегда разобрать может!».
Удачи!

Читательское голосование

Статью одобрили 27 читателей.