Когда появилась необходимость в измерительной части для лабораторного БП, рассматривая различные схемы из Интернета, сразу остановил выбор на семи сегментных LED индикаторах (возможная альтернатива - индикаторы типа 0802, 1602 - дороги и плохо читаемы). Так же, не хотелось каких либо переключений - и ток, и напряжение должны считываться в любой момент времени. По разным причинам, найденные готовые решения не устроили и я решил сконструировать свою схему.
Предлагаемое устройство предназначено для применения совместно с различными блоками питания и позволяет измерять напряжение в пределах от 0 до 99.9 Вольт с точностью 0.1 Вольт и ток потребления в пределах от 0 до 9.99 Ампер с точностью 0.01 ампер. Устройство собрано на дешевом микроконтроллере PIC12F675, как самом недорогом и распространенном из имеющих 10-разрядный АЦП, двух регистрах 74HC595 и двух 4-х или 3-х разрядных LED индикаторах. Общая стоимость примененных деталей, на мой взгляд, минимальна для подобных конструкций с одновременной индикацией напряжения и тока.
Описание работы схемы.
Напряжение высвечивается индикатором HL1, а ток - индикатором HL2. Одноименные сегментные выводы индикаторов объединены попарно и подключены к параллельным выходам регистра DD2, общие выводы разрядов подключены к регистру DD3. Регистры соединены последовательно и образуют 16-разрядный сдвиговый регистр, управляемый по трем проводам: выводы 11 - тактовые, 14 - информационный, а по перепаду на выводе 12 информация записывается в выходные защелки. Индикация обычная динамическая - через выходы регистра DD3 последовательно перебираются общие выводы индикаторов, а с выходов DD2 через токоограничительные резисторы R12-R19 включаются соответствующие выбранному разряду сегменты. Индикаторы могут быть как с общим анодом, так и с общим катодом (но оба одинаковые).
Микроконтроллер управляет индикацией по выводам GP2, GP4, GP5 в прерываниях от таймера TMR0 c интервалом 2 мс. Входы GP0 и GP1 используются соответственно для измерения напряжения и тока. В первых трех разрядах индикаторов высвечиваются собственно измеряемые значения, а в последнем разряде: в верхнем индикаторе - знак "V", а в нижнем - знак "A". В случае применения 3-х разрядных индикаторов эти знаки наносятся на корпус прибора. Никаких изменений программы в этом случае не требуется.
Измеряемое напряжение поступает на МК через делитель R1-R3, а ток - с выхода ОУ LM358 через резистор R10, который совместно с внутренним защитным диодом защищает вход МК от возможной перегрузки (ОУ питается напряжением +7..+15 Вольт). Коэффициент усиления ОУ задается делителем R5-R7, примерно равн 50 и регулируется подстроечным резистором R5. ФНЧ R4C2 сглаживает напряжение с шунта. Каждое измерение производится в течении всего 100 мкс. и без этой цепочки показания прибора будут "прыгать" при любой неравномерности измеряемого тока (а он редко когда бывает строго постоянным). Для тех же целей служит и конденсатор C1 в цепи измерения напряжения. Стабилитрон D1 защищает вход ОУ от перенапряжения в случае обрыва шунта.
Особо следует остановиться на цепочке R8,R9. Она задает дополнительное смещение примерно 0.25 милливольт на вход ОУ. Дело в том, что без нее имеется существенная нелинейность коэффициента усиления ОУ при низких значениях измеряемого тока (менее 0.3 А). На разных экземплярах микросхем этот эффект проявляется в разной степени, но погрешность при выше обозначенных значениях измеряемого тока слишком высока в любом случае. При установке R8 и R9 указанных на схеме значений (номиналы могут быть пропорционально изменены при сохранении того же соотношения, например 15 Ом и 300 кОм) погрешность измерения тока, обусловленная этим эффектом, не превышает единицы младшего разряда. Со всеми имеющимися у меня экземплярами микросхем, никакого подбора указанных резисторов не потребовалось. В общем случае, подбирается минимальное сопротивление R9, при котором на индикаторе еще светятся нули при отсутствии измеряемого тока, и увеличивается в 1.5-2 раза. Интересно, что среди многих подобных конструкций, где применяется та же микросхема, ни в одной статье нет и намека на данную проблему. Видимо, у меня одного оказались "неправильные" ОУ (приобретенные, кстати, в разное время в течении 10 лет). В любом случае, я категорически не рекомендую в целях "упрощения конструкции" исключать из схемы обычно отсутствующие в подобных схемах элементы C1,C2,R3,R8,R9 - это все-таки измерительный прибор, а не мигающая цифрами игрушка!
Хорошая точность и стабильность показаний, кроме того, обеспечивается полным "отделением" от микроконтроллера относительно сильноточных импульсных цепей управления индикаторами путем питания каждой цепи от отдельного стабилизатора 78L05. И даже слабые помехи от работы самого микроконтроллера мало влияют на результат, так как каждое измерение производится в режиме "SLEEP" с "заглушенным" тактовым генератором.
Микроконтроллер тактируется от внутреннего генератора для экономии выводов. Вход сброса через цепь R11,C3 подключен к "чистой" +5В. При включении-выключении БП, в котором используется конструкция, возможны значительные помехи, поэтому, для исключения "зависания" программы, включен таймер WDT.
Питается устройство от любого стабилизированного напряжения 7-15 Вольт (не больше 15В!), через стабилизаторы DA2, DA3. Конденсаторы C4-C8 - стандартные блокировочные. Для обеспечения низкой погрешности при токах, близких к верхнему пределу, напряжение питания ОУ должно быть как минимум на 2 Вольта больше напряжения микроконтроллера, поэтому питание на него берется до стабилизаторов.
Устройство собрано на печатной плате размерами 57 на 62 миллиметра.
Печатная плата устройства.
Для уменьшения габаритов платы, большая часть резисторов и конденсаторов применена в SMD корпусе типоразмера 0802. Исключениями являются: R1 - из-за рассеиваемой мощности, R12 - для упрощения топологии платы, электролитические конденсаторы и подстроечные резисторы. Конденсаторы C1 и C2 применены керамические, но в случае отсутствия таковых, их можно заменить электролитическими танталовыми. Стабилитрон - любой, с напряжением стабилизации 3-4.7 Вольт. Индикаторы можно заменить на FIT3641 или трехразрядные серий 3631 или 4031 без изменения рисунка платы. В случае необходимости, возможно даже применение без изменения рисунка более крупных индикаторов типа 5641 и 5631 (в этом случае микроконтроллер впаивается без колодки напрямую, подстроечные резисторы применяются малогабаритные, индикатор впаивается поверх микросхем, сточив четыре выступа снизу по углам индикатора). Для подключения устройства к внешним цепям применены винтовые зажимы. Часто возникающая проблема с изготовлением измерительного шунта решена путем применения готового шунта предела 10А от неисправного мультиметра серии D83x, абсолютно без всякой переделки. На мой взгляд, это оптимальный вариант - неисправный китайский мультиметр, думаю, найдется у многих радиолюбителей. В крайнем случае, его можно изготовить из нихромовой (а лучше из константановой) проволоки.
Выход блока питания подключается к точке "Ux" и далее, с той же точки в нагрузку. Общий провод подается в точку "COM", а в нагрузку уже подается с точки "COM-Out". При таком подключении, напряжение на индикаторе завышается на 0.1 Вольт при максимальном токе нагрузки. Программным способом эта погрешность уменьшена в два раза до половины погрешности дискретизации (0.05В максимум). Во избежание увеличения этой погрешности, следует выбирать такое сопротивление шунта, при котором не требуется при настройке изменять номиналы схемы (примерно 7-14 мОм). Подходящее напряжение питания на устройство подается на вывод "Upp".
Фотографии готового устройства
Программа микроконтроллера написана на Ассемблере в среде MPASM. Для обоих видов индикаторов программа одна за исключением одной директивы. В начале исходного текста программы (файл AV-meter.asm) в директиве “ANODE EQU 0” параметр имеет значение 0, что соответствует работе с индикаторами с общим катодом. Для применения индикаторов с общим анодом следует изменить значение этого параметра на 1, после чего заново оттранслировать программу. Так же, прилагаются готовые прошивки для микроконтроллера как для индикаторов с общим анодом, так и с общим катодом. При загрузке HEX-файла в программы типа , или , слово конфигурации загружается автоматически.
Настройка схемы предельно проста. Подав на вход напряжение, близкое к максимальному, подстроечником R2 следует выставить на верхнем индикаторе требуемое значение. Потом, подключают на выход устройства резистор 0.5-2 Ома в качества нагрузки и регулировкой напряжения устанавливают ток, близкий к максимальному. Подстроечником R5 выставляют соответствующие образцовому амперметру показания на нижнем индикаторе.
Во вложенном файле представлены прошивки, исходный код, модель и плата .
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1 | МК PIC 8-бит | PIC12F675 | 1 | В блокнот | ||
| DD2, DD3 | Сдвиговый регистр | CD74HC595 | 2 | В блокнот | ||
| DA1 | Операционный усилитель | LM358N | 1 | В блокнот | ||
| DA2, DA3 | Линейный регулятор | L78L05 | 2 | В блокнот | ||
| D1 | Стабилитрон | 1N4734A | 1 | 3.6-4.7 В | В блокнот | |
| HL1, HL2 | Индикатор | FYQ3641 | 2 | FIT3641 | В блокнот | |
| C1, C2 | Конденсатор | 4.7 мкФ | 2 | SMD 0805 | В блокнот | |
| C3 | Конденсатор | 10 нФ | 1 | SMD 0805 | В блокнот | |
| C4 | 100мкФ х 10В | 1 | В блокнот | |||
| C5, C7 | Конденсатор | 100 нФ | 2 | SMD 0805 | В блокнот | |
| C6, C8 | Электролитический конденсатор | 20мкФ х 16В | 2 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 39 кОм | 1 | 0.5 Ватт | В блокнот | |
| R2, R5 | Резистор подстроечный | 1 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 1.2 кОм | 1 | SMD 0805 | В блокнот | |
| R4 | Резистор | 3 кОм | 1 | SMD 0805 | В блокнот | |
| R6 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | SMD 0805 | В блокнот | |
| R7 | Резистор | 100 кОм | 1 | SMD 0805 | В блокнот | |
| R8 | Резистор | 150 Ом | 1 | SMD 0805 | В блокнот | |
| R9 | Резистор |
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
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.
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.Сегодня расскажу как сделать универсальный несложный измерительный прибор с возможностью измерения напряжения, тока, потребляемой мощности и ампер-часов на дешёвом микроконтроллере PIC16F676 по следующей схеме.
Схема принципиальная вольтамперваттметра
Печатная плата на DIP деталях получилась 45х50 мм. Также в архиве есть печатная плата для SMD деталей.
Для микроконтроллера PIC16F676 имеются две прошивки : в первой - возможность измерения напряжения, тока и мощности - vapDC.hex , а во второй - тоже, что и в первой, только добавлена возможность измерения ампер/часов (не всегда нужна) - vapcDC.hex .
Резистор, обозначенный серым на печатной плате, подключается в зависимости от индикатора: если используем индикатор с общими катодами, то резистор (1К), идущий от 11-ой ноги МК, подключается к +5, а если индикатор с общим анодом, то резистор подключаем к общему проводу.
В моём случае индикатор и общим катодом, резистор расположил под платой, от 11-ой ноги МК к +5.
Кратковременное нажатие кнопки "В " активизирует индикацию режима работы: напряжение «-U-», ток «-I-», мощность «-P-», счетчик ампер/часов «-C-». Некоторые экземпляры ОУ LM358 имеют положительное смещение на выходе, его можно компенсировать цифровой коррекцией измерителя. Для этого необходимо перейти в режим измерения тока, «-I-». Удерживать 7-8 сек кнопку "Н " до появления на индикаторе надписи «-S.-». Затем кнопками «В » и «Н » корректируем смещение «0». Если кнопки нажаты, на индикаторе непосредственно константа, отжаты - откорректированные показания тока. Выход из режима - одновременное нажатие клавиш "В " и "Н ". Результат - индикация «-3-», то есть запись в энергонезависимую память. Счетчик ампер/часов обнуляется удержанием кнопки "Н " 3-4 сек.
В своём случае ставлю только кнопку "В ", для переключения режима работы. Кнопку "Н " не ставлю, так как коррекция тока не требуется, если ОУ LM358 новый, то он практически не имеет смещения, а если и имеет, то незначительное. Сегментный индикатор ставлю не отдельной плате, которую можно легко прикрепить к корпусу устройства, например, встроить в переделанный БП ATX .
К собранному устройству подключаем питание, подаём измеряемое напряжение и ток, корректируя подстроечными резисторами показания вольтметра и амперметра по показаниями мультиметра.
В итоге вся конструкция вольтамперватметра обошлась в 150 рублей, без фольгированного стеклотекстолита. С вами был Пономарёв Артём (stalker68 ), до новых встреч на страницах сайта Радиосхемы !
Обсудить статью ВОЛЬТАМПЕРВАТТМЕТР
