Pomiar prądu przemiennego za pomocą avr. Jak zmierzyć napięcie ujemne za pomocą przetwornika ADC

Prosty woltomierz napięcia przemiennego o częstotliwości 50 Hz wykonany jest w postaci wbudowanego modułu, który można stosować osobno lub wbudować w gotowe urządzenie.
Woltomierz jest montowany na mikrokontrolerze PIC16F676 i 3-cyfrowym wskaźniku i nie zawiera zbyt wielu części.

Główne cechy woltomierza:
Kształt mierzonego napięcia jest sinusoidalny
Maksymalna wartość mierzonego napięcia wynosi 250 V;
Częstotliwość mierzonego napięcia - 40…60 Hz;
Rozdzielczość wyświetlania wyniku pomiaru wynosi 1 V;
Napięcie zasilania woltomierza wynosi 7…15 V.
Średni pobór prądu - 20 mA
Dwie opcje konstrukcyjne: z zasilaczem i bez niego
Jednostronna płytka drukowana
Kompaktowa konstrukcja
Wyświetlanie zmierzonych wartości na 3-cyfrowym wskaźniku LED

Schemat ideowy woltomierza do pomiaru napięcia przemiennego

Wprowadzono bezpośredni pomiar napięcia przemiennego z późniejszym obliczeniem jego wartości i wyjściem na wskaźnik. Zmierzone napięcie podawane jest na dzielnik wejściowy wykonany na R3, R4, R5 i poprzez kondensator separujący C4 podawane jest na wejście ADC mikrokontrolera.

Rezystory R6 i R7 wytwarzają napięcie 2,5 V (połowa mocy) na wejściu ADC. Kondensator C5 o stosunkowo małej pojemności omija wejście ADC i pomaga zredukować błędy pomiarowe. Mikrokontroler organizuje pracę wskaźnika w trybie dynamicznym w oparciu o przerwy od timera.

--
Dziękuję za uwagę!
Igor Kotow, redaktor naczelny magazynu Datagor

▼ 🕗 01.07.14 ⚖️ 19,18 Kb ⇣ 239 Witaj, czytelniku! Mam na imię Igor, mam 45 lat, jestem Syberyjczykiem i zapalonym inżynierem-elektronikiem-amatorem. Wymyśliłem, stworzyłem i prowadzę tę wspaniałą stronę od 2006 roku.
Od ponad 10 lat nasz magazyn istnieje wyłącznie moim kosztem.

Dobry! Gratis się skończył. Jeśli chcesz pliki i przydatne artykuły, pomóż mi!

Podłączenie czujnika prądu do mikrokontrolera

Po zapoznaniu się z podstawami teorii możemy przejść do zagadnienia odczytywania, przekształcania i wizualizacji danych. Inaczej mówiąc, zaprojektujemy prosty miernik prądu stałego.

Wyjście analogowe czujnika podłączone jest do jednego z kanałów ADC mikrokontrolera. Wszystkie niezbędne przekształcenia i obliczenia realizowane są w programie mikrokontrolera. Do wyświetlania danych służy 2-liniowy wskaźnik LCD.

Eksperymentalny projekt

Aby poeksperymentować z czujnikiem prądu, należy zmontować konstrukcję zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 8. Autor wykorzystał do tego płytkę prototypową oraz moduł oparty na mikrokontrolerze (rysunek 9).

Moduł czujnika prądu ACS712-05B można kupić w postaci gotowej (jest sprzedawany bardzo niedrogo w serwisie eBay) lub można go wykonać samodzielnie. Wybrano pojemność kondensatora filtrującego na 1 nF, a do zasilania zainstalowano kondensator blokujący o pojemności 0,1 µF. Aby sygnalizować włączenie zasilania, przylutowana jest dioda LED z rezystorem gaszącym. Zasilanie i sygnał wyjściowy czujnika podłączone są do złącza znajdującego się po jednej stronie płytki modułu, po przeciwnej stronie znajduje się 2-pinowe złącze służące do pomiaru przepływającego prądu.

Do eksperymentów związanych z pomiarem prądu podłączamy regulowane źródło stałego napięcia do zacisków pomiaru prądu czujnika poprzez rezystor szeregowy 2,7 ​​oma / 2 W. Wyjście czujnika podłączone jest do portu RA0/AN0 (pin 17) mikrokontrolera. Dwuliniowy wskaźnik LCD podłączony jest do portu B mikrokontrolera i pracuje w trybie 4-bitowym.

Mikrokontroler zasilany jest napięciem +5 V, to samo napięcie służy jako odniesienie dla przetwornika ADC. Niezbędne obliczenia i przekształcenia realizowane są w programie mikrokontrolera.

Poniżej podano wyrażenia matematyczne stosowane w procesie konwersji.

Czułość czujnika prądu Sens = 0,185 V/A. Przy zasilaniu Vcc = 5 V i napięciu odniesienia Vref = 5 V obliczone zależności będą wyglądać następująco:

Kod wyjściowy ADC

Stąd

W rezultacie wzór na obliczenie prądu jest następujący:

Ważna uwaga. Powyższe zależności opierają się na założeniu, że napięcie zasilania i napięcie odniesienia dla ADC są równe 5 V. Jednakże ostatnie wyrażenie odnoszące się do prądu I i kodu wyjściowego ADC Count pozostaje ważne nawet w przypadku wahań napięcia zasilania. Zostało to omówione w części teoretycznej opisu.

Z ostatniego wyrażenia wynika, że ​​rozdzielczość prądowa czujnika wynosi 26,4 mA, co odpowiada 513 próbkom ADC, czyli o jedną próbkę więcej niż oczekiwany wynik. Można zatem stwierdzić, że ta implementacja nie pozwala na pomiar małych prądów. Aby zwiększyć rozdzielczość i czułość podczas pomiaru małych prądów, konieczne będzie zastosowanie wzmacniacza operacyjnego. Przykład takiego obwodu pokazano na rysunku 10.

Program mikrokontrolera

Program mikrokontrolera PIC16F1847 napisany jest w języku C i skompilowany w środowisku mikroC Pro (mikroElektronika). Wyniki pomiarów wyświetlane są na dwuliniowym wyświetlaczu LCD z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.

Wyjście

Przy zerowym prądzie wejściowym napięcie wyjściowe ACS712 powinno w idealnym przypadku wynosić ściśle Vcc/2, tj. Z przetwornika ADC należy odczytać liczbę 512. Dryf napięcia wyjściowego czujnika o 4,9 mV powoduje przesunięcie wyniku konwersji o 1 najmniej znaczący bit przetwornika ADC (rysunek 11). (Dla Vref = 5,0 V rozdzielczość 10-bitowego przetwornika ADC wyniesie 5/1024 = 4,9 mV), co odpowiada 26 mA prądu wejściowego. Należy pamiętać, że aby ograniczyć wpływ wahań, zaleca się wykonanie kilku pomiarów, a następnie uśrednienie ich wyników.

Jeśli napięcie wyjściowe regulowanego zasilacza zostanie ustawione na wartość 1 V, poprzez
rezystor powinien przewodzić prąd o natężeniu około 370 mA. Zmierzona wartość prądu w eksperymencie wynosi 390 mA, co przekracza prawidłowy wynik o jedną jednostkę najmniej znaczącej cyfry przetwornika ADC (rysunek 12).

Rysunek 12.

Przy napięciu 2 V wskaźnik pokaże 760 mA.

Na tym kończy się nasza dyskusja na temat czujnika prądu ACS712. Nie poruszyliśmy jednak jeszcze jednej kwestii. Jak zmierzyć prąd przemienny za pomocą tego czujnika? Należy pamiętać, że czujnik zapewnia natychmiastową reakcję odpowiadającą prądowi przepływającemu przez przewody pomiarowe. Jeśli prąd płynie w kierunku dodatnim (od pinów 1 i 2 do pinów 3 i 4), czułość czujnika jest dodatnia, a napięcie wyjściowe jest większe niż Vcc/2. Jeśli prąd zmieni kierunek, czułość będzie ujemna, a napięcie wyjściowe czujnika spadnie poniżej poziomu Vcc/2. Oznacza to, że podczas pomiaru sygnału prądu przemiennego przetwornik ADC mikrokontrolera musi próbkować wystarczająco szybko, aby móc obliczyć wartość skuteczną prądu.

Pliki do pobrania

Kod źródłowy programu mikrokontrolera i plik oprogramowania sprzętowego -

Woltomierz prądu przemiennego

N. OSTROUKHOV, Surgut

W artykule opisano woltomierz napięcia przemiennego. Jest zamontowany
mikrokontrolerem i może być używany jako samodzielne urządzenie pomiarowe
lub jako woltomierz wbudowany w generatorze niskiej częstotliwości.

Zaprojektowano proponowany woltomierz
do pomiaru sinusoidalnego napięcia przemiennego o częstotliwości od 1 Hz do
800 kHz. Zmierzony przedział napięcia - 0…3 V (lub 0…30 V z zewnętrznym
dzielnik napięcia 1:10). Wyświetlany jest wynik pomiaru
czterocyfrowy wskaźnik LED. Określana jest dokładność pomiaru
parametry przetwornika ADC wbudowanego w mikrokontroler i źródła odniesienia
napięciem i wynosi 2 mV (dla przedziału 0...3 V). Woltomierz zasilany jest przez
źródło stabilizowanego napięcia 5 V i pobiera prąd 40...65 mA V
w zależności od użytego wskaźnika i jasności jego blasku. Obecne zużycie
z wbudowanego konwertera polaryzacji, nie przekracza 5 mA.

Urządzenie zawiera (patrz schemat na
Ryż. 1) zawiera konwerter napięcia AC-DC, bufor
Wzmacniacz napięcia prądu stałego, woltomierz cyfrowy i konwerter
polaryzacja napięcia zasilania. Przetwornik napięcia AC na AC
stała zebrana na komparatorze DA1, generator impulsów na elementach
DD1.1-DD1.4 i tranzystor przełączający VT1. Spójrzmy na jego pracę
więcej szczegółów. Załóżmy, że na wejściu urządzenia nie ma sygnału. Potem napięcie
na wejściu odwracającym komparatora DA1 jest równe zero, a na wejściu nieodwracającym określa się
dzielnik napięcia R19R22 i przy wartościach wskazanych na schemacie wynosi około -80
mV. W tym przypadku na wyjściu komparatora występuje niski poziom, który
pozwala na pracę generatora impulsów. Osobliwością generatora jest to, że kiedy
każdy spadek napięcia na wyjściu komparatora DA1 na wyjściu generatora (pin 8
element DD1.2) generowany jest jeden impuls. Jeśli do czasu ustąpi, jest dzień wolny
stan komparatora nie ulegnie zmianie, zostanie wygenerowany kolejny impuls itp.

Czas trwania impulsów zależy od
wartości pierwiastków R16, C5 i wynosi około 0,5 μs. Na niskim poziomie
napięcie na wyjściu elementu DD1.2, otwiera się tranzystor VT1. Nominały
rezystory R17, R18 i R20 są dobrane tak, aby przez otwarty tranzystor
płynął prąd o natężeniu 10 mA, który ładuje kondensatory C8 i C11. W okresie ważności
Każdy impuls ładuje te kondensatory o ułamki miliwolta. W stanie ustalonym
w trybie napięcie na nich wzrośnie z -80 mV do zera, częstotliwość powtarzania
impulsy generatora będą się zmniejszać, a impulsy prądu kolektora tranzystora VT1
kompensuje jedynie powolne rozładowywanie kondensatora C11 przez rezystor
R22. Zatem ze względu na małe początkowe ujemne przesunięcie,
nawet przy braku sygnału wejściowego falownik działa normalnie
tryb. Gdy zostanie przyłożone napięcie wejściowe prądu przemiennego z powodu zmiany częstotliwości powtarzania
impulsów generatora, napięcie na kondensatorze C11 zmienia się zgodnie z
amplituda sygnału wejściowego. Filtr dolnoprzepustowy R21C12 wygładza napięcie wyjściowe
przetwornik Warto zaznaczyć, że tylko
dodatnia półfala napięcia wejściowego, więc jeśli jest asymetryczna
względem zera pojawi się dodatkowy błąd.

Wzmacniacz buforowy ze wzmocnieniem
koła zębate 1.2 są montowane na wzmacniaczu operacyjnym DA3. Dioda VD1 podłączona do jej wyjścia chroni
wejścia mikrokontrolera od napięcia o polaryzacji ujemnej. Z wyjścia wzmacniacza operacyjnego DA3
poprzez rezystancyjne dzielniki napięcia R1R2R3 i R4R5 napięcie stałe
dociera na linie PC0 i PC1 mikrokontrolera DD2, które są skonfigurowane jako
Wejścia ADC. Kondensatory C1 i C2 dodatkowo tłumią zakłócenia i zakłócenia. Faktycznie
Woltomierz cyfrowy jest montowany na mikrokontrolerze DD2, który wykorzystuje
Wbudowany 10-bitowy przetwornik ADC i wewnętrzne źródło napięcia odniesienia 1,1 V.

Program dla mikrokontrolera
napisany przy użyciu środowiska BASCOM-AVR i pozwala na użycie trzech lub
czterocyfrowe cyfrowe wskaźniki LED ze wspólną anodą lub wspólną
katody i umożliwia wyświetlenie prądu (dla sygnału sinusoidalnego) lub
wartość amplitudy napięcia sygnału wejściowego, a także zmienić jasność
lampka kontrolna Poziom logiczny sygnału na linii PC3 określa rodzaj zastosowanego sygnału
wskaźnik - ze wspólną anodą (niski) lub ze wspólną katodą (wysoki) i na linii
PC4 to liczba jego cyfr, cztery oznaczające niski i trzy wysoki. Program
na początku pracy odczytuje jednokrotnie poziomy sygnałów na tych liniach i reguluje
mikrokontroler do współpracy z odpowiednim wskaźnikiem. Dla czterech bitów
wskaźnika, wynik pomiaru wyświetlany jest w postaci X.ХХХ (B), dla wartości trzycyfrowej
- XXX (mV) do 1 V i Х.ХХ (V), jeśli napięcie jest większe niż 1 V. W przypadku użycia
wskaźnika trzycyfrowego, zaciski jego cyfr są połączone jako zaciski trójki
najbardziej znaczące bity czterobitowego na ryc. 1.

Poziom sygnału na liniach PC2
pomnożenie wyniku pomiaru przez 10, co jest konieczne w przypadku korzystania z zewnętrznego
dzielnik napięcia 1:10. Gdy poziom jest niski, wynik nie jest mnożony Sygnał przez
linia PB6 steruje jasnością wskaźnika, na wysokim poziomie
maleje. Zmiana jasności następuje w wyniku zmiany stosunku pomiędzy
czas świecenia i czas zgaśnięcia wskaźnika w każdym cyklu pomiarowym.
Przy stałych określonych w programie jasność zmienia się około dwukrotnie.
Wartość skuteczna napięcia wejściowego wyświetlana jest po przyłożeniu do linii PB7
wysoki poziom i amplituda - niska. Poziomy sygnałów na liniach RS2, PB6 i
Program PB7 analizuje pomiary w każdym cyklu i dzięki temu mogą być
zmienić w dowolnym momencie, do czego wygodnie jest używać przełączników. Czas trwania
jeden cykl pomiarowy wynosi 1,1 s. W tym czasie ADC wykonuje około 1100
próbki, wybiera się maksymalną i, jeśli to konieczne, mnoży przez
wymagany współczynnik.

Do pomiaru stałego
napięcie wystarczyłoby na jeden pomiar w całym cyklu i na zmianę
przy częstotliwości mniejszej niż 500 Hz napięcie na kondensatorach C8. C11 zmienia się zauważalnie
podczas cyklu. Dlatego pozwala na wykonanie 1100 pomiarów w odstępach 1 ms
zapisz maksymalną wartość dla okresu. Konwerter polaryzacji
napięcie zasilania jest montowane na chipie DA2 zgodnie ze standardowym obwodem. To jego dzień wolny
napięcie -5 V zasila komparator DA1 i wzmacniacz operacyjny DA3. Złącze XP2 przeznaczone jest do
programowanie sprzętowe mikrokontrolera.

Woltomierz wykorzystuje stałą wartość
rezystory C2-23, MLT, tuning - seria Bourns 3296, tlenek
kondensatory są importowane, reszta to K10-17. Mikroukład 74AC00 może być
wymienić na KR555LAZ, tranzystor KT361G - na dowolną serię KT3107. Dioda 1N5818
zastąpić dowolną diodą germanową lub Schottky'ego o dopuszczalnym prądzie stałym co najmniej
50 mA. Autorowi nie jest znany zamiennik układu ICL7660, ale konwerter
polaryzację napięcia +5/-5 V można zbierać zgodnie z jednym z opublikowanych w
plany magazynu „Radio”. Ponadto konwerter można wyeliminować
całkowicie, przy użyciu bipolarnego zasilacza stabilizowanego. Zwłaszcza
powinieneś skupić się na wyborze komparatora, ponieważ od niego zależy zasięg
częstotliwości robocze. Wybór komparatora LM319 (analogi KA319, LT319) wynika z dwóch powodów:
kryteria - niezbędna szybkość i dostępność. Komparatory LM306,
LM361, LM710 są szybsze, ale okazało się, że trudniej je zdobyć, bo
poza tym są droższe. Bardziej dostępne są LM311 (krajowy odpowiednik KR554SAZ) i
LM393. Instalując komparator LM311 w urządzeniu, jak można się spodziewać,
zakres częstotliwości zawęził się do 250 kHz. Rezystor R6 ma stosunkowo
lekki opór, gdyż urządzenie było używane jako urządzenie do zabudowy
woltomierz w generatorze głośnika niskotonowego. W przypadku korzystania z urządzenia w trybie autonomicznym
rezystancję można zwiększyć, ale błąd pomiaru wzrośnie ze względu na względność
duży prąd wejściowy komparatora DA1.

Obwód dzielnika napięcia 1:10
pokazany na ryc. 2. Tutaj funkcje rezystora R2 w dzielniku pełni rezystor
R6 (patrz rys. 1). Dzielnik napięcia jest ustawiony w określonej kolejności.
Na jego wejście podawane są impulsy prostokątne o częstotliwości kilku kiloherców,
amplituda 2...3 V (taki sygnał kalibracyjny jest dostępny w wielu
oscyloskopy), a wejście oscyloskopu podłączamy do wyjścia (do pinu 5 DA1). Modyfikacja
kondensator C1 osiąga prostokątny kształt impulsu. Oscyloskop podąża za
stosować z dzielnikiem napięcia wejściowego 1:10. Wszystkie części oprócz wskaźnika są zamontowane
na prototypowej płytce drukowanej o wymiarach 100×70 mm przy użyciu przewodu
instalacja Wygląd jednej z opcji urządzenia pokazano na ryc. 3. Za
dla ułatwienia podłączenia wskaźnika cyfrowego zastosowano złącze (niepokazane na schemacie).
pokazane). Podczas instalacji wspólny przewód wtyczki wejściowej XP1 i odpowiednie zaciski kondensatora
C8, C10, C11 i C13 należy podłączyć do wspólnego przewodu w jednym miejscu za pomocą przewodów
minimalna długość. Elementy VT1, R20, C8, C10, C11 i C13 oraz komparator DA1
powinny być umieszczone tak kompaktowo, jak to możliwe, kondensatory C3, C6 - jak najwięcej
bliżej zacisków komparatora DA1 i C4, C14, C15 - do zacisków mikrokontrolera
DD2. Aby skonfigurować, wejście urządzenia jest zamknięte, wspólne wyjście sondy oscyloskopu
podłączony do dodatniego zacisku kondensatora C13, a zacisk sygnałowy do emitera
tranzystor VT1. Na ekranie powinien pojawić się impuls o ujemnej polaryzacji
o amplitudzie około 0,6 V i czasie trwania 0,5 μs. Jeśli z powodu niskiej częstotliwości
sekwencja impulsów będzie trudna do zaobserwowania, a następnie chwilowo równoległa
Do kondensatora C11 podłączony jest rezystor o rezystancji 0,1... 1 kOhm. Napięcie
na kondensatorze C12 jest sterowany woltomierzem o wysokiej impedancji, tak powinno być
blisko zera (plus/minus kilka miliwoltów).

Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego DA3
(które nie powinno przekraczać kilku miliwoltów) za pomocą rezystora R27
ustawić na zero. Wymagany tryb pracy mikrokontrolera
ustawia się poprzez podanie wymaganych poziomów na linie PB6, PB7, RS2-RS4, dla których są one
podłączony do wspólnego przewodu lub do linii zasilania +5 V poprzez rezystory
rezystancja 20...30 kOhm. Przykładowy podłączony jest do wejścia urządzenia
woltomierz i przyłóż stałe napięcie 0,95 ... 1 V. Rezystor podciągowy
R4 wyrównuje odczyty obu woltomierzy. Następnie napięcie wzrasta do
2,95...3 V i rezystor R1 ponownie wyrównuje odczyty. Wybór rezystorów
R8-R15 możesz ustawić żądaną jasność wskaźnika. Najpierw wybierają
wymagany nominał tylko jednego z nich, a następnie ustal resztę. Na
przy wyborze należy pamiętać, że zastosowany został maksymalny prąd wyjściowy portu
mikrokontroler nie powinien przekraczać 40 mA, a całkowity pobór prądu - 200
mama.

Od redaktora. Program na mikrokontroler jest na naszej stronie
FTP-cep-vere na ftp://ftp.radio.ru/pub/ 2011/02/Vmetr.zip

Przedmowa

W dawnych, przedcyfrowych czasach każdy z nas musiał zadowolić się wskaźnikowymi przyrządami pomiarowymi, zaczynając od zwykłych zegarków, wag, a kończąc na… hmm, więc od razu nie jesteśmy w stanie określić nawet granicy ich zastosowania! No powiedzmy - precyzyjny mikro- laboratoryjny lub jeszcze bardziej imponujący - pikoamperomierz. A klas celności było całkiem sporo, w zależności od przeznaczenia.

Przykładowo zwykły wskaźnik ilości paliwa w zbiorniku samochodu jest najwyraźniejszym przykładem maksymalnej niedokładności odczytów! Nie znam ani jednego kierowcy, który polegałby na tym „wyświetlaczu licznika” i nie tankowałby wcześniej. Zatwardziali pesymiści kierowców nigdy nie wyjeżdżali bez kanistra paliwa w bagażniku!

Ale w laboratoriach, zwłaszcza w Państwowej Komisji Weryfikacyjnej, byli przełączniki ze skalą lustrzaną i klasą dokładności znacznie lepszą niż 0,5.

I prawie wszyscy byliśmy zadowoleni i szczęśliwi. A jeśli nie byli usatysfakcjonowani, to oczywiście, jeśli to możliwe, kupili dokładniejsze instrumenty!

Ale teraz nadeszła era cyfrowa. Wszyscy byliśmy z tego zadowoleni - teraz od razu widzimy liczby na wskaźnikach i jesteśmy zadowoleni z oferowanej nam „dokładności”. Co więcej, w dzisiejszych czasach te wszechobecne „cyfrowe” kosztują o rząd wielkości mniej niż „niedokładne przełączniki”, które stały się rzadkością. Niewiele osób jednak uważa, że ​​wielkości pokazane nam w liczbach nadal pozostają analogowe, niezależnie od tego, czy jest to waga, czy aktualna siła – to nie ma znaczenia. Oznacza to, że wielkości te nadal są mierzone analogowo! I dopiero w celu przetworzenia i prezentacji są one konwertowane na wartość cyfrową. W tym miejscu ukryte są błędy, co prowadzi nas do zaskoczenia, gdy dwa różne termometry pokojowe w tym samym miejscu pokazują różne wartości!

Ścieżka od wartości mierzonej do wskaźnika

Przyjrzyjmy się całemu procesowi pomiaru-wskazania. Co więcej, świadomie wybieram wielkość elektryczną. Po pierwsze, nadal jesteśmy na stronie inżynierów elektroników, a nie fizyków termicznych czy piekarzy, niech wybaczą mi licencję na porównanie! Po drugie, chcę wzmocnić swoje rozumowanie przykładami z własnego doświadczenia.

Najpierw wybieram aktualną siłę!

Będę musiał powtórzyć banał, że aby uzyskać cyfrową reprezentację wielkości analogowej, potrzebny jest przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Ale ponieważ sam w sobie jest dla nas nadal mało przydatny, będziemy potrzebować innych węzłów, aby ukończyć wszystko, co zaplanowano. Mianowicie:

1. przed samym ADC potrzebujesz urządzenia normalizującego, powiedzmy: wzmacniacza normalizującego lub tłumika, w zależności od stosunku wartości wejściowej do zakresu konwersji ADC;
2. dekoder za przetwornikiem ADC, reprezentujący przekonwertowany odpowiednik liczbowy na kod cyfrowy odpowiedniego wskaźnika.

Istnieją gotowe mikroukłady, które łączą zarówno przetwornik ADC, jak i dekoder. Na przykład ICL7136 lub podobny, stosowany w multimetrach.

Zasadniczo wszystkie te węzły w takiej czy innej formie są po prostu konieczne. Samego czujnika jeszcze nie nazwałem - w tym przypadku przetwornikiem prądu na napięcie, czy po prostu bocznikiem.

Przyjrzyjmy się zatem krótko całemu łańcuchowi. Prąd przepływający przez bocznik (silny rezystor o bardzo małej rezystancji) tworzy różnicę potencjałów na jego biegunach. Guten Tag, panie Ohm! Ale ta różnica jest dość mała i nie każdy ADC jest w stanie w pełni przekonwertować tę wartość, dlatego sygnał (napięcie) z bocznika musi zostać wzmocniony do akceptowalnej wartości. Dlatego potrzebny jest wzmacniacz normalizujący. Teraz ADC, po otrzymaniu na wejściu strawnego napięcia, wykona konwersję z minimalnym możliwym błędem. Na jego wyjściu otrzymujemy liczbę odpowiadającą aktualnej wartości mierzonego prądu w wybranym zakresie, którą należy odpowiednio zdekodować, aby wyświetlić ją na wskaźniku. Na przykład przekonwertuj go na siedmiosegmentowy kod wskaźnika.

Nie widzę tutaj potrzeby bardziej szczegółowego omawiania każdego z powyższych etapów, gdyż w artykule przyświeca mi inny cel. A szczegółów można znaleźć mnóstwo w Internecie.

Konkrety

Mam tzw obciążenie elektroniczne ze wskaźnikiem przepływu prądu. Jest podstawowy schemat samego obciążenia, ale tam potrzebny będzie zewnętrzny amperomierz, aby dokładniej ustawić prąd. Postanowiłem połączyć oba urządzenia, aby zaoszczędzić miejsce i nie mieć całego stada multimetrów.

Mój wbudowany amperomierz jest zmontowany i zaprogramowany w Tiny26L MK. Częścią tego amperomierza jest drugi (wolny) wzmacniacz operacyjny układu LM358, który jest częścią podstawowego obwodu statecznika. Te. To mój wzmacniacz standaryzujący, ponieważ maksymalny spadek napięcia na boczniku (5 A x 0,1 oma) wynosi tylko 0,5 V, co wyraźnie nie wystarcza dla pełnego zakresu konwersji przy wewnętrznym napięciu odniesienia.

Według T. O. (angielski = arkusz danych) napięcie nominalne wbudowanego źródła odniesienia (ION) wynosi 2,56 V. Bardzo wygodny rozmiar! Jednak w praktyce nie okazuje się to takie wspaniałe: skorygowane napięcie ION mojego MK okazało się 2,86 wolta! Sposób w jaki to ustaliłem to osobny temat. Wróćmy jeszcze do wygodnego napięcia 2,56 wolta. Zobacz, co się stanie: na boczniku spadnie maksymalnie 0,5 wolta, przetwornik ADC przetwarza maksymalnie 2,56 wolta. Wzmacniacz normalizujący o wzmocnieniu 5 sugeruje się sam, wówczas liczba uzyskana podczas konwersji nie będzie wymagała żadnej zaawansowanej arytmetyki, aby przedstawić wynik: 5 amperów = 2,5 wolta = 250 jednostek (dla konwersji 8-bitowej). Wystarczy pomnożyć wynik przez dwa i postawić przecinek między setkami a dziesiątkami, aby uzyskać bardzo wygodną reprezentację: jednostki, dziesiąte i setne części ampera. Ostateczna transformacja w znaki siedmiosegmentowe jest kwestią technologii. Wszystko jest w porządku, możesz to zaimplementować sprzętowo!

Jak jednak pokazałem już na przykładzie wbudowanego IONa, uzyskanie akceptowalnej (nie mówiąc już o wysokiej!) dokładności przy zastosowanych podzespołach nie jest takie proste. Ścieżkę kompensacji błędów można obrać matematycznie, korzystając z programu w MK, choć będzie to wymagało kalibracji. Ścieżkę tę można dość łatwo zaimplementować w C i innych językach wysokiego poziomu. Ale dla mnie, upartego asemblera, bawienie się matematyką przy użyciu instrukcji RISC to dodatkowy ból głowy!

Wybrałem inną ścieżkę - korekcję wzmocnienia wzmacniacza normalizującego (NA). Niewiele do tego potrzeba – jeden rezystor dostrajający! Jego wartość należy odpowiednio dobrać, aby zakres regulacji był wystarczający, ale nie przesadzony.

Dobór elementów wzmacniacza normalizującego

Konieczne jest zatem określenie zakresu regulacji. Pierwszym krokiem jest określenie tolerancji komponentów. Na przykład mój bocznik ma tolerancję błędu wynoszącą 1%. Inne rezystory w obwodzie wzmacniacza normalizującego mogą mieć tolerancję do 10%. I nie zapominajcie o niedokładności naszego ION, która w moim przypadku wyniosła prawie +12%! Oznacza to, że rzeczywista liczba przeliczona będzie o prawie 12% mniejsza. Ale ponieważ znam już ten błąd, biorę go pod uwagę przy wzmocnieniu NU, które powinno wynosić 5,72. A ponieważ rzeczywiste błędy innych komponentów nie są znane, pozostaje znaleźć maksymalny możliwy błąd całkowity, aby obliczyć zakres regulacji.

Prosta suma tych „procentów” sugeruje się sama: 1% bocznika plus 2 razy 10% rezystorów sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Razem: 21%.

Zobaczmy, czy tak jest naprawdę. W tym celu spójrzmy na część diagramu, w której przedstawiona jest ta NU z już wybranymi wartościami:

Jak widać, istnieje wzmacniacz nieodwracający z przestrajalnym współczynnikiem transmisji, teoretycznie regulowanym w zakresie od 4,979 do 6,735 przy wartościach znamionowych wskazanych na schemacie. Ale jeśli weźmiemy pod uwagę nasz możliwy błąd ±10% każdego z rezystorów, otrzymamy przy najgorszej kombinacji Ku = 5,864 - 8,009, co wyraźnie przekracza wymagany współczynnik! Jeśli taka kombinacja wystąpi, będziesz musiał przyjąć inne nominały. Lepiej od razu zwiększyć wartość rezystora dostrajającego, na przykład do 39k. Wtedy dolna granica Ku wyniesie 5,454, co jest już akceptowalne.

Cóż, ja – „prawdziwy ćpun radiowy” – musiałem wybrać trymer z tego, co było dostępne i po prostu miałem szczęście, że zainwestowałem w tę gamę! Gdybym miał trymer o innej wartości, nie miałoby to znaczenia, przeliczyłbym R2 i R3, które w moim przypadku mają tolerancję 5%, więc nie musiałem brać kolejnego trymera.

Pokonywanie swoich braków i zaniedbań

Wydawać by się mogło, że wszystko zostało przemyślane i obliczone – należy doliczyć dopłatę. Najpierw przetestujmy ten projekt na płytce prototypowej! Nie wcześniej powiedziane, niż zrobione! Ku jest odbudowywane nie do końca zgodnie z oczekiwaniami, ale w granicach tego, co konieczne. Jednak wskaźnik nie pokazywał 0,00, gdy nie było prądu obciążenia! Przede wszystkim podejrzewałem, że program jest w MK, ale kiedy wejście ADC zostało zwarte do wspólnego przewodu, pojawiły się cenne zera. Oznacza to, że na wejściu MK pojawia się coś innego niż zero woltów. Testowanie multimetrem potwierdziło to założenie i wyznaczyło kolejne zadanie. Nie wchodząc w szczegóły moich badań, opiszę jedynie wynik.

Powód okazał się następujący: zupełnie nie wziąłem pod uwagę, że wzmacniacz operacyjny, którego użyłem, był daleki od najwyższej jakości. Nie jest nawet tzw. „kolej do kolei”. Oznacza to, że jego potencjał wyjściowy nigdy nie dotrze do żadnego z biegunów zasilania, tj. w moim przypadku nigdy nie będzie ono równe 0 woltów! Gdyby był zasilany ze źródła bipolarnego, moc wyjściowa wynosiłaby oczekiwane zero. Ale mój zasilacz jest jednobiegunowy i nie miałem zamiaru komplikować obwodu żadną przetwornicą. Rozwiązanie znaleziono w stworzeniu „wirtualnej krainy”, tj. Dzięki osobnemu źródłu zasilania (w odróżnieniu od obwodu podstawowego) udało mi się za pomocą diody przesunąć potencjał przewodu wspólnego względem ujemnego bieguna akumulatora.

Zatem płytka jest trawiona i lutowana. Czas spakować ten projekt do etui. Co faktycznie zostało zrobione. Jednak podczas pracy pojawiła się kolejna mała wada - dryf obwodów wejściowych wzmacniacza operacyjnego. Wyraziło się to ujemną zmianą odczytów, tj. przy prądzie kilkudziesięciu miliamperów wskaźnik nadal pokazywał zera, co mi nie odpowiadało! Pozwoliłbym na przesunięcie o kilka mA - nadal nie wyświetlają się jednostki miliamperowe. Musiałem wprowadzić obwód polaryzacji na wejście NU.

Wartości znamionowe R4 i RZ dobiera się tak, aby zapewnić odchylenie plus/minus kilkudziesięciu miliwoltów w stosunku do „wirtualnej masy”. Nie miałem ochoty przerabiać gotowej deski i dodałem niezbędną regulowaną przekładkę w miejsce regulatora Ku.

Ogólnie powstałe urządzenie spełnia moje potrzeby. Oczywiście można to jeszcze długo udoskonalać, ale na razie nie ma takiej potrzeby!

O części cyfrowej i matematyce opowiem następnym razem na przykładzie woltomierza w zasilaczu laboratoryjnym.

Dość proste urządzenie, które mierzy napięcie, prąd i pokazuje całkowitą moc pobieraną przez obciążenie przy częstotliwości 50 Hz.

Podczas prac naprawczych lub podczas sprawdzania i testowania nowych urządzeń często konieczne jest podanie napięcia z LATR i konieczna jest kontrola napięcia i prądu. W tym celu opracowano woltomierz-amperomierz i zmontowano go na mikrokontrolerze ze wskaźnikiem LCD. Ponieważ mierzone jest napięcie i prąd, można łatwo obliczyć całkowitą moc. Rezultatem jest bardzo kompaktowy miernik.
Dane techniczne
1. Granice zmian mierzonego napięcia wynoszą 0 – 255 V, rozdzielczość 0,5 V. Odczyty są wyświetlane w odstępach co 1 wolt.
2. Granice zmiany mierzonego prądu 0 – 10 Amperów, rozdzielczość 20 mA. Odczyty są wyświetlane w odstępach co 10 mA.
3. Moc pozorną oblicza się jako iloczyn prądu i napięcia i wyświetlana jest tylko wartość całkowita w woltoamperach.

Schemat

Fragment wykluczony. Nasz magazyn istnieje dzięki darowiznom czytelników. Dostępna jest wyłącznie pełna wersja tego artykułu

Zastosowane w schemacie bezpośredni pomiar napięcia i prądu przemiennego mikrokontroler.
Zmierzone napięcie przez dzielnik R7, R9, R12 i C12 podawane jest na wejście mikrokontrolera poprzez kondensator C10. Kondensator C12 wraz z dzielnikiem napięcia wejściowego tworzy układ scalony zapobiegający przenikaniu szumu impulsowego.

Zmierzony prąd przepływa przez bocznik R1, usunięte z niego napięcie jest wzmacniane przez wzmacniacz operacyjny i poprzez łańcuch R8 i C8 podawane jest na wejście mikrokontrolera. Pierwszy stopień w OP1 to wzmacniacz odwracający z kondensatorem całkującym C3 w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Ze względu na fakt, że wahania napięcia usunięte z OP1 powinny wynosić około 5 woltów, układ wzmacniacza otrzymuje zwiększoną moc (9-15 woltów). Drugi stopień w OP2 jest włączany przez wzmacniacz i nie ma żadnych specjalnych funkcji. Kondensator C3 służy do ograniczenia zakłóceń podczas pracy przetwornika ADC mikrokontrolera.

Wejścia pomiarowe RA0 i RA1 otrzymują stałe, stabilizowane napięcie polaryzacji 2,5 V poprzez rezystory R11 i R13. Napięcie to umożliwia prawidłowy pomiar dodatnich i ujemnych półcykli napięć wejściowych.
Do mikrokontrolera PIC16F690 podłączony jest wyświetlacz LCD, wyświetlający 2 linie po 16 znaków. Rezystor R14 służy do ustawienia optymalnego kontrastu wyświetlacza. Rezystor R15 określa prąd podświetlenia wyświetlacza.
Urządzenie zasilane jest z osobnego transformatora 9-12 V. Stabilizator mocy +5 V jest montowany na chipie 78L05 i nie ma żadnych specjalnych funkcji.

Zasilałem urządzenie z adaptera telefonicznego. Ze względu na to, że płytka posiada własny mostek Br1, polaryzacja podłączenia nie ma znaczenia. Ważne jest, aby napięcie na kondensatorze C4 wynosiło od 10 do 15 woltów.

--
Dziękuję za uwagę!

▼ 🕗 20.08.12 ⚖️ 18,04 Kb ⇣ 442 Witaj, czytelniku!

--
Dziękuję za uwagę!
Igor Kotow, redaktor naczelny magazynu Datagor

▼ 🕗 20.08.12 ⚖️ 6,41 Kb ⇣ 457 Witaj, czytelniku! Mam na imię Igor, mam 45 lat, jestem Syberyjczykiem i zapalonym inżynierem-elektronikiem-amatorem. Wymyśliłem, stworzyłem i prowadzę tę wspaniałą stronę od 2006 roku.
Od ponad 10 lat nasz magazyn istnieje wyłącznie moim kosztem.

Dobry! Gratis się skończył. Jeśli chcesz pliki i przydatne artykuły, pomóż mi!