Вольтметр на atmega8 с семисегментными индикаторами

Вольтметр на atmega8 с семисегментными индикаторами

При проектировании или ремонте таких приборов как ИБП и стабилизаторы напряжения, очень часто возникает необходимость проверки рабочего диапазона напряжений. Также при опознании неопознанных трансформаторов, удобнее работать с маленьким напряжением. Для этих целей, в радиолюбительской практике, обычно применяются Лабораторные АвтоТрансформаторы(ЛАТР’ы). Т.к. большинство популярных моделей ЛАТР’ов не имеют встроенного вольтметра, приходится "орудовать" несколькими мультиметрами или полагаться на шкалу, обычно нанесенную на ручку регулировки напряжения. В некоторых случаях точности шкалы хватает, но нанесенные на ручку значения напряжений справедливы только при стабильном сетевом напряжении в

220V. Столкнувшись с данной проблемой, я решил сделать цифровой блок индикации, на семисегментных индикаторах и МК AtMega8. Но сперва на Arduino был собран следующий макет.

На макете был опробован светодиодный индикатор и проведены эксперименты с АЦП. Для работы с семисегментным индикатором была выбрана библиотека SevenSegmentLibrary. Далее в Proteus’е была нарисована схема.

Далее в программе Sprint Layout 5 была разведена плата.

При разводке платы я предусмотрел место как для трансформаторов из списка (TR1 НПК "Комплекс" ТПП-121-207 и TR2 HAHN BV 2020171), так и для более популярного корпуса(ТПК2). Печатная плата была изготовлена фоторезистивным способом на листе одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 110х60мм.

Для облегчения установки устройства в корпус, семисегментные индикаторы были установлены на обратную сторону печатной платы.

Для того, чтобы установить семисегментники на обратную сторону платы, их необходимо немного доработать, подогнув ноги на 90 градусов.

Далее обрезать ноги, так чтобы осталось пару миллиметров.

Сборка устройства осуществляется "как обычно": сперва запаиваются детали наименьшей высоты(резисторы, перемычки), затем большей, ну и в последнюю очередь трансформаторы. На м/с линейного стабилизатора напряжения рекомендуется установить небольшой алюминиевый радиатор, при установке желательно использовать теплопроводящую пасту (прим. КПТ-8).

ВНИМАНИЕ! перед запайкой или установкой в панельку ATmeg’и, включите первичные обмотки обоих трансформаторов(J1 b J2) в сеть и настройте потенциометры делителей напряжения (RV1 и RV2), так чтобы напряжение на контактах 23 и 24 панельке не превышало 5в.

Собранная плата выглядит вот так.

Программа писалась уже под разведенную плату. Алгоритм работы программы такой: инициализация индикаторов, чтение значений АЦП, умножение значений на 3, вывод цифр и десятичных запятых. Перед прошивкой МК, необходимо записать в него загрузчик по инструкции. Для прошивки я использовал программатор USBTINY. Далее, не отсоединяя "мегу" от программатора, запускаем Arduino IDE, импортируем библиотеку, открываем нужный скетч, выбираем программатор, компилируем(CTRL+R) и прошиваем(CTRL+SHIFT+U). Теперь можно проверить устройство.

Настройка устройства сводится к подключению сетевого напряжения к разъемам J1 и J2, подключению параллельно образцового вольтметра и установке значений напряжений с помощью потенциометров (RV1 и RV2).

В качестве корпуса вольтметра была выбрана распаячная коробка "Abox-i SL-6²" фирмы spelsberg.

Также в этот корпус был установлен защитный автомат, двухпозиционный двух групповой выключатель и разъем IEC C14. Далее прибор в корпусе, ЛАТР, патрон Е27 и розетка. были установлены на лист ДСП. Корпус ЛАТР’а был подключен к заземляющей клемме разъема питания.

Затем к листу ДСП были прикручены металлические ручки и резиновые ножки. В программе Microsoft Publisher я от рисовал наклейку на переднюю панель устройства, пару наклеек с надписью "СЕТЬ" и наклейку для переключателя лампа — ЛАТР. На тот же лист я закинул пару предупредительных значков и картинку со значком "заземление".

В итоге получился тестовый стенд, позволяющий подключение исследуемого прибора в сеть через ЛАТР или через лампу. Также данный блок вольтметра можно применить в сетевых стабилизаторах напряжения или преобразователях сетевого напряжения, предназначенных для подключения иностранной техники.

Цифровой вольтамперметр предназначенный для установки в блок питания для отображения выходного напряжения, тока и некоторых дополнительных параметров, выполнен в виде встраиваемого модуля.

Основные характеристики устройства:

  • основа устройства – микроконтроллер AVR ATmega8 компании Atmel;
  • диапазон измеряемого напряжения: 0 В – 30 В, шаг 10 мВ;
  • диапазон измеряемого тока: 0 А – 99 А, шаг 10 мА (шаг зависит от значения сопротивления шунта);
  • два вариатна конструкции: с микроконтроллером в TQFP и PDIP корпусе;
  • односторонняя печатная плата;
  • компактная конструкция;
  • отображение измеряемых величин на ЖК дисплее (однострочном или двухстрочном) на базе контроллера HD44780.

Измерение тока проводится с использованием шунта, который подключен последовательно с нагрузкой в цепи отрицательной (общей) клеммы блока питания. Питание устройство получает от основного блока питания (т.е. от блока питания который вы модернизируете). Дополнительной функцией, которую выполняет микроконтроллер, является управление вентилятором охлаждения радиатора выходного транзистора (транзисторов) блока питания.

При использовании двухстрочного дисплея (и соответствующего ПО для микроконтроллера) имеется возможность отображения значения сопротивления подключенной нагрузки. А при использовании блока питания для зарядки Li-Pol аккумуляторов имеется функция отображения электрической емкости аккумуляторов, что дает возможность оценить их состояние и уровень разряда.

Читайте также:  Притирочный станок сп 1

Внутреннее разрешение вольтамперметра по диапазону измерения тока рассчитывается согласно выражения:

Разрешение[мА] = 1/(R[Ом]×3.2)

Кроме того, падение напряжения на шунте не должно превышать 2.4 В, поэтому значение сопротивления шунта должно быть меньше 2.4/Imax[A]

Автором было разработано два варианта вольтамперметра:

  • вариант №1: применен микроконтроллер ATmega8 в корпусе TQFP32;
  • вариант №2: применен микроконтроллер ATmega8 в корпусе PDIP.

Принципиальная схема вольтамперметра (вариант №1)

Список электронных компонентов (вариант №1)

Обозначение в схеме

Номинал

Корпус

Примечание

C4, C5, C6, C7, C8, C9

Данные конденсаторы, указанные на схеме,
устанавливать на плату не нужно.
Они были необходимы для прежней версии
ПО для микроконтроллера.

Опционально. Для защиты транзистора
от помехи по напряжению при включении
вентилятора.

На плату не устанавливается

Опционально. Для защиты транзистора
от помехи по напряжению при включении
вентилятора.

Диод Шоттки: 100 В, 3 А

Регулятор напряжения +5 В

Регулятор напряжения +12 В

N-канальный MOSFET
(ток вентилятора менее 200 мА)

Принципиальная схема вольтамперметра (вариант №2)

Ниже представлена схема подключения модуля в блоке питания.

Рассмотрим подробно процесс настройки вольтамперметра.

Кнопка S1 – сброс/установка параметров.
Для входа в режим установки параметров вольамперметра необходимо, удерживая кнопку нажатой, подать питание на схему. На дисплее появится надпись «www.elfly.pl», что означает вход в режим установки.

Первый параметр для настройки – опорное напряжение для АЦП микроконтроллера. Опорное напряжение является основным фактором погрешности измерений. Пользователь должен измерить опорное напряжение на выводе 20 микроконтроллера (для микроконтроллера в корпусе PDIP – вывод 21). Измеренное значение вы и должны прописать в этом «сервисном меню» при помощи этой же кнопки S1, иначе, по умолчанию, принимается значение опорного напряжения Vref = 2.56 В (соответственно техническому описанию на микроконтроллер).

После изменения значения опорного напряжения для сохранения параметра никаких манипуляций с кнопкой S1не должно проводится в течении 5 с.

Следующий параметр – установка значения сопротивления резистора-шунта.
Если номинал шунта известен, то нажатиями на кнопку S1 необходимо добиться отображения на дисплее соответствующего значения и затем не нажимать кнопку в течении 5 с для сохранения значения.

Если значение сопротивления шунта неизвестно, то необходимо на выход блока питания подключить амперметр, выставить некоторый ток при помощи регулятора ограничения тока блока питания и нажать кнопку S1. Кнопку необходимо нажимать пока показания амперметра и нашего устройства (с правой стороны на дисплее, с левой стороны отображается значение шунта) не станут равными.

После проведения этой процедуры для сохранения параметров кнопку не нажимать в течении 5 с.

Кроме того кнопка S1 используется для сброса значения электрической емкости при зарядке Li-Pol аккумуляторов.

Резистор R9 – точная настройка поддиапазона делителя напряжения.
Чтобы исключить ошибки преобразования АЦП диапазон измерений разбит на два поддиапазона 0 В – 10 В и 10 В – 30 В. Для настройки необходимо на выход блока питания подключить вольтметр и установить выходное напряжение на уровне около 9 В, и регулируя R9 добиться одинаковых показаний вольтметра и нашего устройства.

Резистор R10 – грубая настройка поддиапазона делителя напряжения.
Процедура аналогичная точной настройке, но необходимо установить выходное напряжение блока питания около 19 В, и регулируя резистор R10 добиться совпадения показаний.

Резистор R1 – регулировка контрастности LCD.
Если после сборки устройства на дисплее ничего не отображается, то сперва необходимо отрегулировать контрастность дисплея.

Коннектор J1 – подключение вентилятора.

Коннектор J2 – питание модуля вольтамперметра (+12 В)
Если ваш блок питания имеет выход стабилизированного напряжения +12 В, то его можно подключить к этому коннектору, и в таком случае можно не использовать в схеме регулятор напряжения U2. Такое решение имеет свои плюсы т.к. возможно подключить более мощный вентилятор охлаждения.

Если выхода +12 В у вашего блока питания нет, то этот коннектор необходимо оставить не подключенным.

Примечание. Во втором варианте схемы (PDIP) данный коннектор отсутствует.

Коннектор J3 – питание модуля вольтамперметра (+35 В)
Напряжение питания +35 В подается с диодного моста блока питания. Перед подключением необходимо уточнить параметры используемого регулятора напряжения U2 и уровень напряжения с диодного моста, чтобы не повредить регулятор U2. Но с другой стороны, минимальное напряжение, подаваемое на этот коннектор, не должно быть ниже 9 В или 6.5 В, если используются регуляторы с низким падением напряжения (LDO).

Данный коннектор должен быть подключен независимо от того, подключен ли коннектор J2 к питанию +12 В.

Читайте также:  Книжка малышка русские народные сказки своими руками

Коннектор J4 – подключение линий измерения напряжения и тока.
Выводы коннектора подключаются:

  • Вывод 1 – подключается к клемме «+» блока питания;
  • Вывод 2 – подключается к клемме «–» блока питания;
  • Вывод 3 – «общий»

Коннектор LCD – подключение индикатора
Вольтамперметр работает корректно с однострочным LCD. Дисплей необходимо использовать со светодиодной подсветкой (ток потребления до 15 мА).

Программирование микроконтроллера

Микроконтроллер может быть запрограммирован с помощью отдельного программатора или же в внутрисхемно с помощью переходника, который подключается к коннектору LCD. Примерный внешний вид переходника изготовленного автором из кабеля IDE:

Помните, что при программировании микроконтроллера в схеме, необходимо подать напряжение питания +5 В. В зависимости от используемого программатора, напряжение питания может подаваться от самого программатора, либо от внешнего источника.

Соответствие сигналов переходника, коннектора LCD, микроконтроллера и программатора

Выводы
ЖК модуля

Сигнал

Выводы
микроконтроллера

Выводы
программатора

Плата нашего измерительного прибора универсальна и в зависимости от установленных элементов может выполнять функции как вольтметра, так и амперметра с различными пределами измерений. В этой статье речь пойдет о том, как из нее сделать простой вольтметр на AVR с разными пределами измерения. В отдельной статье рассказано о том, как на основе той же самой платы можно сделать амперметр.

Схема измерительного прибора

Для того, чтобы схема была универсальна ко входу можно подключить шунт, делитель напряжения или операционный усилитель.

Схема измерительного прибора

Делитель напряжения R2, R3 позволяет измерять напряжения больше 5ти вольт. Для измерения малых напряжений входной сигнал пропускается через операционный усилитель DA2 с регулируемым коэффициентом усиления. Его коэффициент усиления задается резисторами R4, R5. Для измерения тока на входе прибора должен быть установлен шунт R1.
Основой схемы служит микроконтроллер Atmega8. После преобразования уровня сигнала он поступает на вход АЦП, встроенного в микроконтроллер. Микроконтроллер выводит полученное значение на трехразрядном сегментном индикаторе с общим анодом. Напряжение на аноды разрядов поступает через транзисторы. Резисторы в эмиттерах R9, R10, R11 задают яркость индикатора. Способ индикации — динамический.
Питание можно подавать напрямую от источника напряжения 5В, либо через стабилизатор. Обратите внимание, что минус питания и минус измерительного входа соединены друг с другом.

Печатная плата

Плата измерительного прибора

Плата односторонняя и содержит все элементы измерительного прибора. Резистор R1 (шунт амперметра) имеет несколько посадочных мест для корпусов разной мощности. Файл с платой, нарисованной в формате Sprint-Layout 5.0 можно скачать по ссылке.

Программа

При включении устройства в течении двух секунд на индикатор выводится приветствие «HI», после чего начинается работа прибора. В AVR-микроконтроллерах используется 10-ти разрядный АЦП. В нашем проекте мы используем только девять разрядов. Эта разрядность позволяет получить конечную приборную точность 1%. Для большей стабильности и плавности изменения показаний берется выборка из ста отсчетов и на дисплей выводится наибольший из них. Если входное напряжение превышает диапазон измеряемых значений на индикатор выводится сообщение: -0. Третий разряд не включается, если он не используется.
HEX-фал для каждой версии свой. Мы будем их прикладывать к каждой версии отдельно. Фьюз-биты всегда должны оставаться заводскими. Прошивка загружается через стандартный 6ти-пиновый разъем ISP-программирования.

Технические характеристики

  • напряжение питания, 5В либо 7-12В
  • потребляемый ток, не более 60мА
  • частота обновления индикатора, 56Гц
  • пределы измерения, 0.5В, 5В, 50В
  • входное сопротивление, не менее 10кОм
  • точность, не менее, 10%

Вольтметр на 50В

Для сборки вольтметра с пределом измерения 50В нужно установить все элементы, кроме R1, R4, R5, DA2. Если вы не планируете использовать нестабилизированное питание, то можно не устанавливать также конденсатор C1 и стабилизатор DA1.

Плата вольтметра на 50В

После сборки плата с лицевой стороны выглядит так:

Вольтметр на 50В. Лицевая сторона

…и с обратной стороны:

Вольтметр на 50В. Обратная сторона

Элементы схемы на предел 50В:

  1. C2 — танталовый конденсатор, 22мкФ, 16В T491C226K016AT, 1шт.
  2. C1,C3,C4 — конденсаторы на 0,1мкФ в корпусе 0805
  3. DA1 — стабилизатор L7805 в корпусе D2PAK, 1шт.
  4. DD1 — микроконтроллер Atmega8a-au, 1шт.
  5. J1 — чип-резистор 1206 с сопротивлением 0 Ом, 1шт. (перемычка)
  6. HL1 — сегментный индикатор BA56-12YWA, 1шт. (желательно устанавливать через колодку)
  7. R2 — подстроечный резистор CA6V на 2,5кОм, 1шт
  8. R3 — чип-резистор 0805 на 10кОм, 1шт.
  9. R6-R8, R12 — чип-резисторы 0805 на 1кОм, 4шт.
  10. R9-R11 — чип-резисторы 0805 на 56Ом, 3шт. (можно взять с меньшим сопротивлением для увеличения яркости)
  11. VT1-VT3 — транзисторы BC807-40, 3шт.
  12. Гребенка PLS-контактов
Читайте также:  Переходник для ip камер

Прошивку для версии с пределом измерения на 50В можно скачать здесь. Фьюз-биты оставляем без изменения.
Если все правильно собрано, то работать должно примерно так:

На видео левый блок используется как источник питания, а правый в качестве источника измеряемого напряжения.

Вольтметр на 5В

На плату необходимо установить следующие элементы:

  1. C2 — танталовый конденсатор, 22мкФ, 16В T491C226K016AT, 1шт.
  2. C1,C3,C4 — конденсаторы на 0,1мкФ в корпусе 0805
  3. DA1 — стабилизатор L7805 в корпусе D2PAK, 1шт.
  4. DD1 — микроконтроллер Atmega8a-au, 1шт.
  5. J1 — чип-резистор 1206 с сопротивлением 0 Ом, 1шт. (перемычка)
  6. HL1 — сегментный индикатор BA56-12YWA, 1шт. (желательно устанавливать через колодку)
  7. R2 — подстроечный резистор CA6V на 25кОм, 1шт
  8. R3 — чип-резистор 0805 на 1кОм, 1шт.
  9. R6-R8, R12 — чип-резисторы 0805 на 1кОм, 4шт.
  10. R9-R11 — чип-резисторы 0805 на 56Ом, 3шт. (можно взять с меньшим сопротивлением для увеличения яркости)
  11. VT1-VT3 — транзисторы BC807-40, 3шт.
  12. Гребенка PLS-контактов

Фактически отличаются только сопротивления резисторов в делителе напряжения R2, R3.
Прошивку для версии вольтметра на 5В можно скачать здесь. Фьюз-биты оставляем без изменения. Отличие этой прошивки от предыдущей только в положении разрядной точки.
Видео работы вольтметра на 5В:

Вольтметр на 300мВ

Для работы с пределом измерения от 0 до 300мВ потребуется дополнительный каскад на микросхеме LM358N. Принципиальная схема при этом принимает следующий вид:

Схема вольтметра на 300мВ

Резисторы R4, R5 задают коэффициент усиления усилителя. R1 необходим для того, чтобы в отсутствии входного сигнала вольтметр показывал 0В.
Элементы платы:

  1. C2 — танталовый конденсатор, 22мкФ, 16В T491C226K016AT, 1шт.
  2. C1,C3,C4 — конденсаторы на 0,1мкФ в корпусе 0805
  3. DA1 — стабилизатор L7805 в корпусе D2PAK, 1шт.
  4. DA2 — операционный усилитель L358N в корпусе SO8, 1шт.
  5. DD1 — микроконтроллер Atmega8a-au, 1шт.
  6. J1 — чип-резистор 1206 с сопротивлением 0 Ом, 1шт. (перемычка)
  7. HL1 — сегментный индикатор BA56-12YWA, 1шт. (желательно устанавливать через колодку)
  8. R1 — чип-резистор 0805 на 10кОм, 1шт.
  9. R4 — чип-резистор 0805 на 1кОм, 1шт.
  10. R5 — подстроечный резистор CA6V на 25кОм, 1шт
  11. R6-R8, R12 — чип-резисторы 0805 на 1кОм, 4шт.
  12. R9-R11 — чип-резисторы 0805 на 56Ом, 3шт. (можно взять с меньшим сопротивлением для увеличения яркости)
  13. VT1-VT3 — транзисторы BC807-40, 3шт.
  14. Гребенка PLS-контактов

Версия прошивки для этого вольтметра не использует разрядную точку совсем. Если старшие разряды индикатора не используются, то они отключаются. В этой версии вольтметра переполнение показывается при достижении входного напряжения 300мВ. Скачать ее можно здесь. Фьюз-биты также необходимо оставить без изменения.
Видео работы вольтметра с пределом измерения 300мВ:

Предосторожности в работе и особенности эксплуатации

Вольтметр предназначен для встраивания в любительскую радиоаппаратуру и поэтому не имеет встроенных схем защиты. Вы можете его раз и навсегда встроить его в свой лабораторный блок питания или для контроля показаний какого-либо датчика. Он не предназначен для повседневного использования в качестве тестера, поэтому необходимо соблюдать предосторожности при работе с ним:

  1. Вольтметр рассчитан только для измерения постоянного напряжения
  2. У вольтметра нет встроенной защиты от смены полярности входного напряжения
  3. Измерения производятся относительно напряжения питания. Другими словами стабильность питающего напряжения определяет точность показаний вольметра.
  4. У вольтметра нет защиты по входу. Не стоит подавать на него напряжения больше предельного
  5. Вход вольметра не имеет гальванической развязки. Если вы питаете основную схему и предложенный вольтметр от одного и того же источника питания измерения можно производить только относительно общего провода. В случае, когда необходимо измерить разность потенциалов между двумя точками на которых есть напряжение, необходимо использовать для питания вольтметра отдельный источник питания с гальванической развязкой через трансформатор. И при этом обязательно подключать минус вольтметра к точке с меньшим напряжением!
  6. Если необходимо увеличить яркость индикатора, можно уменьшить сопротивление резисторов R9-R11. Однако не стоит ставить сопротивление меньше 20Ом
  7. Если вы планируете использовать вольтметр для индикации бортового напряжения в автомобиле вам потребует подключить только два провода: минус автомобиля к «GND» вольтметра, а плюсовой провод к выводам разъема «7-12V» и «+»

Если у вас будут какие-то пожелания относительно пределов измерения, количества включенных разрядов, положения разрядной точки и т.д., то я могу скомпилировать прошивку под ваши нужно. Вам достаточно обратиться ко мне в комментариях или через форму обратной связи на сайте. Если кто-то пропустил ссылку на плату, то вот она.
О том, как сделать на основе этой платы амперметр читайте в продолжении.

Ссылка на основную публикацию
Вишня коралл описание сорта
В Подмосковье суровые зимы, но кроме того, эта область характеризуется высокой влажностью. Сорта вишни для Подмосковья должны быть устойчивыми к...
Вес труб с водой и изоляцией таблица
Для вычисления веса воды в трубе, необходимо знать внутренний диаметр трубы и её заполненности водой. Ниже приведены распространённые диаметры водопроводных...
Вишня для тверской области лучший сорт
Все сорта вишни различаются между собой по различным признакам, будь то сроки созревания, размер плодов или регион произрастания. Наиболее устойчивы...
Вольтметр на atmega8 с семисегментными индикаторами
При проектировании или ремонте таких приборов как ИБП и стабилизаторы напряжения, очень часто возникает необходимость проверки рабочего диапазона напряжений. Также...
Adblock detector