Широкий интерес для любителей самодельных электронно-программируемых устройств представляют многофункциональные сборки Arduino, позволяющие воплощать в жизнь интересные задумки.
Основное преимущество готовых схем Arduino заключается в уникальном блочно-модульном принципе: каждая плата может быть добавлена дополнительными интерфейсами, бесконечно расширяя возможности для создания различных проектов.
Модули Arduino построены на универсальном микроконтроллере с собственным загрузчиком, что позволяет легко прошивать его необходимым программным кодом, без использования дополнительных устройств. Программирование осуществляется на стандартном языке С++.
Одним из простейших примеров использования Arduino может стать реализация на базе этой сборки вольтметра постоянного напряжения повышенной точности с диапазоном измерения от 0 до 30 В.
Аналоговые входы Arduino предназначены для постоянного напряжения не более пяти вольт, поэтому, использование их при превышающих это значение напряжениях возможно с делителем напряжения.
Схема подключения Areduino через делитель напряжения Делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных сопротивлений. Расчет его производится по формуле:
Внешний USB-разъем в автомагнитоле
Идея устройства для измерения напряжения, тока, емкости, разряда, а может и заряда возникла давно и не только у меня. Можно найти немало игрушек под названием USB Tester (Doctor) для тестирования различных устройств с USB. Мне же интересно несколько более универсальное устройство, независимое от интерфейса, а просто рассчитанное на определенные напряжения и токи. Например, 0 - 20.00в, 0 - 5.00а, 0 - 99.99Ач. Что касается функций, то я вижу так
Для реализации расчетов и измерений нам понадобится контроллер. Я вспомнил эту идею в рамках знакомства с Arduino, поэтому контроллером будет простая популярная Atmega328 и программироваться она будет в среде Arduino. С инженерной точки зрения выбор наверно не самый хороший - контроллер для задачи слегка жирноват, а его АЦП не назовешь измерительными, но... будем пробовать.
Я реализую простой вольтметр с одним диапазоном примерно 0 - 20в. Это замечанием важно, тк АЦП нашего контроллера имеет разрядность 10 бит (1024 дискретных значения), поэтому погрешность составит не менее 0.02 в (20 / 1024). Для реализации железно нам нужен аналоговый вход контроллера, делитель из пары резисторов и какой-нибудь вывод (дисплей в законченном варианте, для отладки можно последовательный порт).
Принцип измерения АЦП состоит в сравнении напряжения на аналоговом входе с опорным VRef. Выход АЦП всегда целый - 0 соответствует 0в, 1023 соответствует напряжению VRef. Измерение реализовано путем серии последовательных чтений напряжения и усреднения по периоду между обновлениями значения на экране. Выбор опорного напряжения важен, поскольку по умолчанию оно равно напряжению питания, которое может быть не стабильно. Это нам совершенно не подходит - за основу мы будем брать стабильный внутренний опорный источник напряжением 1.1в, инициализируя его вызовом analogReference(INTERNAL). Затем мы откалибруем его значение по показаниям мультиметра.
На схеме слева - вариант с прямым управлением дисплея (он просто управляется - смотрите стандартный скетч LiquidCrystal\HelloWorld). Справа - вариант с I2C, который я и буду использовать дальше. I2C позволяет сэкономить на проводах (коих в обычном варианте - 10, не считая подсветки). Но при этом необходим дополнительный модуль и более сложная инициализация. В любом случае, отображение символов на модуле надо сначала проверить и настроить контрастность - для этого надо просто вывести после инициализации любой текст. Контрастность настраивается резистором R1, либо аналогичным резистором I2C модуля.
Вход представляет собой делитель 1:19, который позволяет при Vref = 1.1 получить максимальное напряжение около 20в (обычно параллельно входу ставят конденсатор + стабилитрон для защиты, но нам пока это не важно). Резисторы имеют разброс, да и опорное Vref контроллера тоже, поэтому после сборки надо измерить напряжение (хотя бы питания) параллельно нашим устройством и эталонным мультиметром и подобрать Vref в коде до совпадения показания. Так же стоить отметить, что любой АЦП имеет напряжение смещения нуля (которое портит показания в начале диапазона), но мы пока не будем в это углубляться.
Также важным будет разделение питающей и измерительной "земли". Наш АЦП имеет разрешение чуть хуже 1мВ, что может создавать проблемы при неправильной разводке, особенно на макете. Поскольку разводка платы модуля уже сделана и нам остается только выбор пинов. "Земляных" пинов у модуля несколько, поэтому мы должны сделать так, чтобы питание в модуль заходило по одной "земле", а измерения по другой. Фактически для изменений я всегда использую "земляной" пин ближайший к аналоговым входам.
Для управление I2C используется вариант библиотеки LiquidCrystal_I2C - в моем случае указывается специфическая распиновка модуля I2C (китайцы производят модули с отличающимся управлением). Так же отмечу, что I2C в Arduino предполагает использование именно пинов A4, A5 - на плате Pro Mini они находятся не с краю, что неудобно для макетирования на BreadBoard.
В этой статье приводится интересная схема для любителей экспериментов и Arduino . В ней представлен простой цифровой вольтметр, который может безопасно измерять постоянное напряжение в диапазоне от 0 до 30 В. Сама плата Arduino может питаться от стандартного источника 9 В.
Как известно, с помощью аналогового входа Arduino можно измерить напряжение от 0 до 5 В (при стандартном опорном напряжении 5 В). Но этот диапазон можно расширить, воспользовавшись делителем напряжения.
Делитель понижает измеряемое напряжение до приемлемого для аналогового входа уровня. Затем специально написанный код высчитывает фактическое напряжение.
Аналоговый датчик в составе Arduino определяет напряжение на аналоговом входе и преобразует его в цифровой формат, воспринимаемый микроконтроллером. К аналоговому входу A0 мы подключаем делитель напряжения, образованный сопротивлениями R1 (100K) и R2 (10K). С такими значениями сопротивлений на Arduino можно подавать до 55 В, поскольку коэффициент деления в данном случае получается 11, поэтому 55В/11=5В. Для того, чтобы быть уверенным в безопасности измерений для платы, лучше проводить измерение напряжения в диапазоне от 0 до 30 В.
Если показания дисплея не соответствуют показанием поверенного вольтметра, следует использовать прецизионный цифровой мультиметр для нахождения точных значений R1 и R2. При этом в коде нужно будет заменить R1=100000.0 и R2=10000.0 своими значениями. Затем стоит проверить питание, измерив на плате напряжение между 5V и GND. Напряжение может быть 4.95 В. Тогда в коде vout = (value * 5.0) / 1024.0 нужно заменить 5.0 на 4.95. Желательно использовать прецизионные резисторы с погрешностью не более 1%. Помните, что напряжение выше 55 В может вывести плату Arduino из строя!
Используемые элементы:
Привет, Хабр! Сегодня хочу продолжить тему «скрещивания» arduino и android. В предыдущей публикации я рассказал про bluetooth машинку , а сегодня речь пойдет про DIY bluetooth вольтметр. Еще такой девайс можно назвать смарт вольтметр, «умный» вольтметр или просто умный вольтметр, без кавычек. Последнее название является неправильным с точки зрения грамматики русского языка, тем не менее частенько встречается в СМИ. Голосование на эту тему будет в конце статьи, а начать предлагаю с демонстрации работы устройства, чтобы понять о чем же пойдет речь в статье.
Скетч
int analogInput = A0;
float val = 0.0;
float voltage = 0.0;
float R1 = 100000.0; //Battery Vin-> 100K -> A0
float R2 = 10000.0; //Battery Gnd -> Arduino Gnd and Arduino Gnd -> 10K -> A0
int value = 0;
Void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(analogInput, INPUT);
}
Void loop() {
value = analogRead(analogInput);
val = (value * 4.7) / 1024.0;
voltage = val / (R2/(R1+R2));
Serial.println(voltage);
delay(500);
}
Итак к этому момент у нас есть вольтметр постоянного напряжения с пределом 0..20в (смотрите предыдущую часть). Теперь мы добавляем к нему амперметр 0..5а. Для этого немного модифицируем схему - она станет проходной, то есть имеет как вход так и выход.
Часть касающуюся отображения на LCD я убрал - она не будет меняться. Впринципе основной новый элемент - шунт Rx на 0.1 Ом. Цепочка R1-C1-VD1 служит для защиты аналогового входа. Такую же имеет смысл поставить и по входу A0. Поскольку мы предполагаем достаточно большие токи, есть требования к монтажу - силовые линии должны быть выполнены достаточно толстым проводом и соединяться с выводами шунта непосредственно (проще говоря, припаяны), иначе показания будут далеки от реальности. Есть так же замечание по току - впринципе опорное напряжение 1.1в позволяет регистрировать на шунте 0.1 Ом ток до 11 ампер с точностью немного хуже 0.01а, но при падении на Rх такого напряжения выделяемая мощность превысит 10 Вт, что совсем не весело. Для решения проблемы можно было бы использовать усилитель с коэффициентом усиления 11 на качественном ОУ и шунт на 10 мОм (0.01Ом). Но пока мы не будем усложнять себе жизнь и просто ограничимся в токе до 5а (при этом мощность Rx можно выбрать порядка 3-5 Вт).
На этом этапе меня ждал сюрприз - оказалось что АЦП контроллера имеет достаточно большое смешение нуля - около -3мВ. То есть АЦП просто не видит сигналы менее 3мВ, а сигналы чуть большего уровня видны с характерной неточностью -3мВ, что портит линейность в начале диапазона. Беглый поиск не дал явных ссылок на такую проблему (смещение нуля это нормально, но оно должно быть существенно меньше), поэтому вполне возможно это проблема конкретного экземпляра Atmega 328. Решение я выбрал двоякое - по напряжению - программную ступеньку в начале диапазона (отображение начинается с 0.06 вольт), по току - подтягивающий резистор на шину 5в. Резистор обозначен пунктиром.
Полную версию этого вольт-ампер-метра (в варианте с I2C) можно скачать по ссылке в конце статье. Далее я покажу изменения в исходном коде. Добавилось чтение аналогового входа A1 с таким же усреднением как и для вольтметра. По сути это тот же вольтметр, только без делителя, а амперы мы получаем по формуле Ома: I = U/Rx (например, если падение напряжения на Rx = 0.01 В, то ток равен 0.1А). Также я ввел константу усиления по току AmpMult - на будущее. Константу AmpRx с сопротивлением шунта вероятно придется подобрать - учесть неточность резистора шунта. Ну и раз уже это это вольт-ампер-метр и на дисплее 1602 еще осталось место, то осталось вывести текущую потребляемую мощность в ваттах, получив не сложный дополнительный функционал.
.... // Аналоговый вход #define PIN_VOLT A0 #define PIN_AMP A1 // Внутреннее опорное напряжение (подобрать) const float VRef = 1.10; // Коэффициент входного резистивного делителя (Rh + Rl) / Rl. IN 0.2) InVolt += 3; // Перевод в вольты (In: 0..1023 -> (0..VRef) scaled by Mult) float Volt = InVolt * VoltMult * VRef / 1023; float Amp = InAmp * VRef / AmpMult / AmpRx / 1023 ; // Для учета падения на шунте раскомментировать 2 строки //float RxVolt = InAmp * VRef / 1023 / AmpMult; // Volt -= RxVolt; float Watt = Volt * Amp; // Вывод данных lcd.setCursor (8, 0); lcd.print(Watt); lcd.print("W "); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print(Volt); lcd.print("V "); lcd.setCursor (8, 1); lcd.print(Amp); lcd.print("A "); }
