Простой модульный вольтметр переменного напряжения на PIC16F676. Вольтамперметр на микроконтроллере в лабораторный бп Вольтметр на пик контроллере
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:
Электросхема вольтметра
Схема принципиальная вольтметра на МК
Схема принципиальная вольтметра на PIC16F676 - второй вариант
ПП вольтметра на PIC16F676
Это простой вольтметр до 30 вольт на основе PIC16F676 микроконтроллера с 10-разрядный АЦП и трех 7-ми сегментных светодиодных индикаторов. Вы можете использовать эту схему для того, чтобы измерить до 30 В постоянного тока. PIC16F676 - это основа этой схемы. Внутренний АЦП микроконтроллера с резисторами делителя напряжения используют для измерения входного напряжения. Затем 3 цифры comm анод 7-сегментный дисплей используется для отображения финальной преобразованное напряжение. Для уменьшения токопотребления в схеме задействована динамическая индикация. Скачать прошивки на различные индикаторы можно здесь.
Работа прибора
На резисторах R1 и R2 собран делитель напряжения, многооборотный построечный резистор R3 служит для калибровки вольтметра. Конденсатор C1 защищает вольтметр от импульсной помехи и сглаживает входной сигнал. Стабилитрон VD1 служит для ограничения входного напряжения на входе микроконтроллера, что бы вход контроллера не сгорел при превышении напряжения по входу.
Расчеты показаний
10-ти битная АЦП позволяет получить максимальное количество 1023. Значит с 5 вольт мы получаем 5/1023 = 0.0048878 В/Д, значит, если значение 188, то входное напряжение: 188 х 0.0048878 = 0.918 вольт. С делителем напряжения максимальное напряжение 30 В, поэтому все расчеты будут 30/1023 = 0.02932 вольт/деление. Так что если сейчас мы получаем 188, то 188 х 0.02932 = 5.5 Вольта. Ещё более упростить и удешевить схему можно заменив АЛС индикаторы на простую
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
Итак, рассмотренная ранее схема примет вид, показанный на рис. 2. Добавилось три транзистора VT1-VT3 буферного каскада на каждый разряд индикатора. Установленный буферный каскад инвертирует выходной сигнал МК. По сему, входное напряжение на базе VT2 инверсно относительно коллектора указанного транзистора, а значит подходит для подачи на вывод формирования запятой. Это дает возможность убрать транзистор VT1, который был ранее в схеме на рис. 1, заменив последний развязывающим резистором R12. Не забудьте, что изменились и номиналы резисторов в цепях базы транзисторов VT1-VT3.
Если желаете поставить индикаторы с нетрадиционно большими габаритами, то придется в цепи коллекторов указанных транзисторов поставить низкоомные (1 – 10 Ом) резисторы для ограничения бросков тока при их включении.
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;}
Сравните оба варианта. Инверсия сигнала по порту RA (строка 20 Листинга №2) легко читается, поскольку записано в двоичной форме. Достаточно совместить выводы МК и двоичное число. В строках 19 и 37 появились немного странные условия, которых не было вначале. В первом случае: «задержать сигнал логического нуля на порту RA1 во время индикации второго разряда». Во втором: «в случае если на порте RA2 логический нуль, инверсия». Когда будете компилировать финальную версию программы можете их удалить, а вот для симуляции в PROTEUSе они нужны. Без них не будет нормально индицироваться запятая и сегмент «G».
Почему? - спросите Вы, ведь первый вариант прекрасно работал.
В завершение, вспомните слова кузнеца из фильма «Формула Любви»: «…если один человек построил, другой завсегда разобрать может!».
Удачи!
Читательское голосование
Статью одобрили 27 читателей.
Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.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)
