Двойной вольтметр нa ARDUINO UNO

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Схемы на Arduino

Опубликовано: 21.01.2018 11:09

Просмотров: 2911

Каравкин В.
В некоторых случаях необходимо измерять одновременно два постоянных напряжения и сравнивать их. Это может потребоваться, например, при ремонте или налаживании стабилизатора постоянного напряжения, чтобы измерять напряжение на его входе и выходе, либо в других случаях.
Используя универсальный микроконтроллерный модуль ARDUINO UNO и двухстрочный ЖК-дисплей типа 1602А (на основе контроллера HD44780) можно легко сделать такой прибор. В одной строке он будет показывать напряжение U1, в другой - напряжение U2.
Но, прежде всего, хочу напомнить, что ARDUINO UNO это относительно недорогой готовый модуль, - небольшая печатная плата, на которой расположен микроконтроллер ATMEGA328, а так же вся его «обвязка», необходимая для его работы, включая USB-программатор и источник питания.
Тем, кто незнаком с ARDUINO UNO, советую сначала ознакомиться со статьями Л.1 и Л.2.
Схема двойного вольтметра показана на рис. 1.

Он предназначен для измерения двух напряжений от 0 до 100V (практически, до 90V). Как видно из схемы, к цифровым портам D2-D7 платы ARDUINO UNO подключен модуль жидкокристаллического индикатора Н1 типа 1602А. Питается ЖК-индикатор от стабилизатора напряжения 5V, имеющегося на плате стабилизатора напряжения 5V.
Измеряемые напряжения поступают на два аналоговых входа А1 и А2. Всего аналоговых входов шесть, - А0-А5, можно было выбрать любые два из них. В данном случае, выбраны А1 и А2.
Напряжение на аналоговых портах может быть только положительным и только в пределах от нуля до напряжения питания микроконтроллера, то есть, номинально, до 5V. Выход аналогового порта преобразуется АЦП микроконтроллера в цифровую форму. Для получения результата в единицах вольт, нужно его умножить на 5 (на опорное напряжение, то есть, на напряжение питания микроконтроллера) и разделить на 1024.
Для того чтобы можно было измерять напряжение более 5V, вернее, более напряжения питания микроконтроллера, потому что реальное напряжение на выходе 5-вольтового стабилизатора на плате ARDUINO UNO может отличаться от 5V, и обычно немного ниже, нужно на входе применить обычные резистивные делители.
Здесь это делители напряжения на резисторах R1, R3 и R2, R4.
При этом, для приведения показаний прибора к реальному значению входного напряжения, нужно в программе задать деление результата измерения на коэффициент деления резистивного делителя. А коэффициент деления,
обозначим его «К», можно вычислить по такой формуле:
К = R3 / (R1+R3) или К = R4 / (R2+R4), соответственно для разных входов двойного вольтметра.
Очень любопытно то, что резисторы в делителях совсем не обязательно должны быть высокоточными. Можно взять обычные резисторы, затем измерить их фактическое сопротивление точным омметром, и уже в формулу подставить эти измеренные значения. Получится значение «К» для конкретного делителя, которое и нужно будет подставлять в формулу.
Программа на языке C++ приведена в таблице 1.
Таблица 1.

Для управления ЖК-индикатором решено было использовать порты с D2 по D7 платы ARDUINO UNO. В принципе, можно и другие порты, но я вот так, решил использовать именно эти.
Для того чтобы индикатор взаимодействовал с ARDUINO UNO нужно в программу загрузить подпрограмму для его управления. Такие подпрограммы называются «библиотеками», и в программном комплекте для ARDUINO UNO есть много разных «библиотек». Для работы с ЖК-индикатором на основе HD44780 нужна библиотека LiquidCrystal. Поэтому программа (таблица 1) начинается с загрузки этой библиотеки:
#include <LiquidCrystal.h>
Эта строка дает команду загрузить в ARDUINO UNO данную библиотеку. Затем, нужно назначить порты ARDUINO UNO, которые будут работать с ЖК-индикатором. Я выбрал порты с D2 по D7. Можно выбрать другие. Эти порты назначены строкой:
LiquidCrystal lсd(2, 3, 4, 5, 6, 7);
После чего, программа переходит собственно к работе вольтметра.
Для измерения напряжения решено было использовать аналоговые входы А1 и А2. Эти входы заданы в строках:
int analogInput=l;
int analogInput1=2;
Для чтения данных с аналоговых портов используется функция analogRead
Чтение данных с аналоговых портов происходит в строках:
vout=analogRead(analogInput);
vout1=analogRead(analogInput1);
Затем, производится вычисление фактического напряжения с учетом коэффициента деления делителя входного напряжения:
volt=vout*5.0/1024.0/0.048 ;
volt1=vout1*5.0/1024.0/0.048;
В этих строках число 5.0 - это напряжение на выходе стабилизатора платы ARDUINO UNO. В идеале должно быть 5V, но для точной работы вольтметра это напряжение нужно предварительно измерить. Подключите источник питания и измерьте достаточно точным вольтметром напряжение +5V на разъеме POWER платы. Что будет, то и вводите в эти строки вместо 5.0, например, если будет 4.85V, строки будут выглядеть так:
volt=vout*4.85/1024.0/0.048;
volt1=vout1*4.85/1024.0/0.048;
На следующем этапе нужно будет измерить фактические сопротивления резисторов R1-R4 и определить коэффициенты К (указаны 0.048) для этих строк по формулам:
К1 = R3 / (R1+R3) и К2 = R4 / (R2+R4)
Допустим, К1 = 0.046, а К2 = 0.051, так и пишем:
volt=vout*4.85/1024.0/0.046;
volt1=vout1*4.85/1024.0/0.051;
Таким образом, в текст программы нужно внести изменения соответственно фактическому напряжению на выходе 5-воль-тового стабилизатора платы ARDUINO UNO и согласно фактическим коэффициентам деления резистивных делителей.
После этого прибор будет работать точно и никакого налаживания или калибровки не потребует.
Изменив коэффициенты деления резистивных делителей (и, соответственно, коэффициенты «К») можно сделать другие пределы измерения, и совсем не обязательно одинаковые для обоих входов.
Оригинал статьи в формате pdf.
Литература:
1. Каравкин В. «Ёлочная мигалка на ARDUINO как средство от боязни микроконтроллеров», ж. Радиоконструктор, №11, 2016г. стр. 25-30.
2. Каравкин В. «Частотомер на ARDUINO». ж. Радиоконструктор, №12, 2016г., стр. 12-15.
Радиоконструктор, №01, 2017