El dispositivo presentado permite la medición simultánea de dos tensiones y corrientes de CC. Los resultados de la medición se muestran claramente en la pantalla de cristal líquido.
Recomendaciones: el proyecto se recomienda a desarrolladores de fuentes de alimentación, cargadores y otras fuentes de voltaje CC.
El circuito de amperímetro voltímetro de doble canal proporciona una medición simultánea de 2 voltajes de CC y 2 corrientes en la pantalla LCD. Medición de voltaje: 0-100 VCC o 0-10 VCC, rango de medición de corriente 0-10A o 0-1A El voltaje de funcionamiento del circuito está entre 8v-30v DC y no requiere calibración.
El corazón del medidor es el microcontrolador ATmega8. En el registro ATmega8 ADMUX, se ingresa el número de entrada de donde se toma el voltaje medido. También indica la fuente de la tensión de referencia. Fuente interna de 2.56V, externa ( conectada al pin AREF ) o el voltaje que alimenta el microcontrolador. El registro ATmega8 ADCSRA se utiliza para configurar otros parámetros del funcionamiento del convertidor,
Por ejemplo: grado de división del reloj del sistema (para un funcionamiento correcto, el ADC requiere un reloj con una frecuencia en el rango de 50-200 kHz ), modo de funcionamiento (actualización continua de los datos de salida después de establecer el bit apropiado, llamado Modo de ejecución libre o conversión bajo demanda), método de señalización de que el procesamiento está completo (una interrupción que suspende la ejecución del programa o establece una bandera apropiada en el registro), método de presentación de datos (el registro de salida tiene una capacidad de 2 × 8 bits y los datos almacenados son 10 bits; pueden usar los bits más antiguos o más recientes).
Tan pronto como se inicia la medición, el valor actual de la tensión del multiplexor se "bloquea" en el comparador.
El sistema de control gestiona el convertidor A / D interno: suministra la segunda entrada del comparador con la mitad de la tensión de referencia y comprueba si es demasiado baja o demasiado alta con respecto a la medida.
El bit leído se registra y juega un papel en la determinación del siguiente paso: si el voltaje es demasiado alto, reste 1 del voltaje de referencia; si es demasiado pequeño, agregue. El segundo bit se lee así. La situación se repite hasta que se utilizan los 10 bits. Cada paso es una aproximación cada vez mejor del resultado de la conversión al valor real. Por lo tanto, el valor más grande que se puede leer en un convertidor de 10 bits es 1023
Este método de conversión de voltajes a formato digital es económico y relativamente fácil de implementar, pero tiene un inconveniente que es característico de todos los convertidores de equilibrado: mide el valor de voltaje de parada instantánea, lo que garantiza que no se vea afectado por interferencias. Esta desventaja se elimina en gran medida mediante el uso de un transductor de integración dual que mide el valor promedio durante un período de tiempo. Sin embargo, es un método mucho más lento y complejo.
La fuente de voltaje de referencia incorporada en el microcontrolador ATmega8 tiene una dispersión muy grande del valor nominal de 2.56 V. Estas desviaciones alcanzan varios cientos de milivoltios. Se requerirá una calibración para usarlo. Se utiliza una fuente de voltaje de referencia externa del tipo LM385-2.5V para superar los problemas. Dependiendo de la versión, tiene una precisión de 1,5% o 3%, que es suficiente para esta aplicación. Dado que el circuito está conectado al circuito de la misma manera que el diodo Zener, la corriente que fluye a través de esta rama está limitada por dos resistencias conectadas en paralelo.
Las entradas del convertidor A / D son sensibles: no se recomienda aplicarles voltajes que no sean del rango GND… Vcc. Por lo tanto, están protegidos por un circuito separado, cada uno de los cuales consta de dos diodos de silicio de alta velocidad y una resistencia que limita la corriente que fluye a través de ellos.
El estado superior ocurrirá durante el funcionamiento normal; el voltaje de entrada es muy alto, la parte media ( el diodo superior se abre ) y la entrada a un voltaje negativo después de aplicar la parte inferior ( después de abrir el diodo inferior ).
La tensión estabilizada de 5 V para el microcontrolador es proporcionada por el estabilizador integrado 7805. Por lo tanto, el valor mínimo de la tensión que alimenta el sistema es de 8 V.
El condensador C4, junto con la resistencia R1, asegura que los pines RESET del microcontrolador se mantengan bajos durante un segundo después de aplicar la tensión de alimentación. Esto reduce significativamente el riesgo de errores durante la puesta en marcha del programa, que es fácil de encontrar con el aumento de la tensión de arranque.
Muestra la pantalla LCD HD44780 de 2 × 16 caracteres al microcontrolador ATmega8.
El potenciómetro P1 se usa para ajustar el contraste de la pantalla, y la resistencia R13 limita la corriente que fluye a través de los diodos de retroiluminación (si la pantalla tiene retroiluminación).
Se agrega el conector J8 para programar el microcontrolador sin quitarlo del zócalo.
Seguros (Fusebits) no serán configuraciones intercambiables que permanecerán en la configuración de fábrica.
Tabla 1. Valores de resistencia y configuración de puentes en relación con el rango de medición
La fuente de voltaje de referencia incorporada en el microcontrolador tiene un margen muy grande desde el valor nominal de 2.56 V. Estas desviaciones alcanzan varios cientos de milivoltios. Para poder utilizarlo, sería necesaria una calibración. Para evitar los problemas asociados con él, se utilizó una fuente de voltaje de referencia externa del tipo LM385-2.5V. Dependiendo de la versión, tiene una precisión de 1,5% o 3%, que es suficiente para esta aplicación. Como el circuito está conectado al circuito de la misma manera que el diodo Zener, la corriente que fluye a través de esta rama está limitada por dos resistencias de escalera RN1 conectadas en paralelo.
Las entradas del convertidor A / D son susceptibles de sufrir daños: no se recomienda aplicarles tensiones distintas a las del rango GND ... Vcc. Por lo tanto, estaban protegidos, cada uno con un circuito separado que consta de dos diodos de silicio de alta velocidad y una resistencia que limita la corriente que fluye a través de ellos. El principio de funcionamiento se muestra en la figura 2. La situación superior se producirá durante el funcionamiento normal; el del medio (el diodo superior se abre) cuando el voltaje de entrada es demasiado alto, y el inferior (después de que se abre el diodo inferior) después de aplicar un voltaje negativo a la entrada. La figura asume que los diodos son perfectos, lo que tiene poca importancia para el análisis del funcionamiento del circuito.
El estabilizador integrado US1 tipo 7805 proporciona una tensión estabilizada de 5 V para el microcontrolador, que requiere una caída de tensión mínima de 3 V para su correcto funcionamiento. Por esta razón, el valor mínimo de la tensión que alimenta el sistema es de 8 V. El condensador C4 junto con la resistencia R1 garantizan que los pines RESET del microcontrolador se mantengan bajos durante una fracción de segundo después de aplicar la tensión de alimentación. Esto reduce significativamente el riesgo de un error durante la inicialización del programa, que es fácil de encontrar al aumentar la tensión de alimentación.
La placa está equipada con cuatro juegos de puentes JP1 ... JP4 de 2 pines. Se utilizan para seleccionar el rango de medición requerido en un canal determinado. Los pies del procesador que conducen a ellos, así como los que no se utilizan, se elevaron al potencial de +5 V a través de resistencias de 4,7 kV. Esto evita la acumulación de cargas estáticas sobre ellos que podrían perturbar el funcionamiento del sistema.
Se adjuntó al microcontrolador una pantalla alfanumérica con la organización de 2 × 16 caracteres con un controlador compatible con HD44780. Muestra los resultados de la medición o la superación del rango seleccionado. El potenciómetro P1 se usa para ajustar el contraste de la pantalla, y la resistencia R13 limita la corriente que fluye a través de los diodos de luz de fondo (si la pantalla tiene luz de fondo). El conector J8 está diseñado para la programación US3 sin quitarlo del zócalo.
La última parte que requiere discusión es el sistema de dos divisores de resistencia y dos derivaciones para medir la intensidad de la corriente. Todos comparten un punto de referencia común, que es la masa del sistema. De ello se deduce que la medición de corriente se realiza "desde el lado del suelo" y no, como muestra el hábito, "desde el lado positivo".
No importa, sin embargo, porque la Primera Ley de Kirchoff garantiza que los dos valores obtenidos serían idénticos. A su vez, los divisores R2 + R3 y R5 + R6 dividen la tensión de entrada (0 ... 10 V o 0 ... 100 V) en la relación 1: 3 o 1:39, respectivamente, ajustándolos al rango de conversión del convertidor A / D (0 ... 2,5 V). En los conectores de medida de corriente, los terminales están conectados en paralelo para que puedan transferir una corriente de 10 A. Los condensadores cerámicos C6 ... C9 evitan que las perturbaciones lleguen a las entradas del convertidor A / D.
Instalación y puesta en marcha
El sistema se montó en una placa de circuito impreso de una cara con unas dimensiones de aproximadamente 87 mm x 74 mm. Su diagrama de ensamblaje se muestra en la Figura 3. Primero, se debe soldar el conector para la pantalla LCD. Está ubicado, a diferencia del resto de componentes, en el lateral de las vías. Para evitar una posible fusión del marco de plástico dorado, puede colocarle un conector hembra análogo mientras suelda. Los pines deben insertarse en la placa a la profundidad conveniente para soldar, luego suelde uno en el medio, luego nivele los pines, luego suelde los siguientes, comenzando por los extremos. El conector soldado se muestra en la foto 4.
El ensamblaje adicional se realiza típicamente desde los elementos más bajos hasta los más altos, recordando los dos puentes ubicados debajo del zócalo del microcontrolador. También debe encargarse de soldar los valores apropiados de las resistencias que participan en las mediciones de antemano. Después de ensamblar, insertar el microcontrolador ATmega8 en el zócalo y programarlo, configure el contraste de la pantalla con el potenciómetro P1. Así llamado Los fusibles vienen configurados de fábrica y no es necesario cambiarlos.
El siguiente paso es informar al sistema programable sobre los rangos de medición seleccionados por nosotros, de acuerdo con la Tabla 1. Esto se hace colocando o quitando puentes de los pines dorados JP1 ... JP4.
Se proponen los valores de las resistencias en los divisores de resistencia; también puede elegirlos usted mismo. Solo tiene que recordar hacer coincidir los voltajes de entrada, es decir, 10 V o 100 V, con el voltaje de referencia aplicado, es decir, 2,5 V. Cuanto más precisas se utilicen las resistencias y más correspondan las relaciones de sus valores al calculado , mejor se puede esperar la precisión de la medición. Por supuesto, no existen contraindicaciones para instalar un potenciómetro y calibrar en lugar de una de las resistencias en el divisor.
Con un voltaje de suministro superior a 15 V, vale la pena instalar un pequeño disipador de calor en el chip US1, especialmente cuando la pantalla tiene luz de fondo. Las resistencias R7 y R8, especialmente cuando se miden corrientes cercanas al máximo, deben soldarse unos milímetros por encima de la PCB para garantizar una refrigeración suficiente. Se recomienda el uso de resistencias de 5 vatios debido a la capacidad de sobretensión.
La pantalla del sistema de medición de trabajo se muestra en la foto 5. La línea superior contiene los resultados de las mediciones sucesivamente U1 e I1; inferior - U2 e I2.
Es posible que el valor medido exceda el rango establecido. El convertidor A / D no puede ampliar los límites de su funcionamiento; 1023 es el número máximo que se puede leer. Por lo tanto, su ocurrencia es tratada por el sistema como una supuesta superación del rango. Para informarle, aparecerá la palabra "¡OVER!" En su lugar en la pantalla. Esto se hace a costa de su ligero estrechamiento, en un bit menos significativo.
Lista de artículos
Resistencias :
R1, R4, R7, R9: 47 kΩ
R2, R5: 40,2 kΩ / 0,6 W 1% (descripción en el texto)
R3, R6: 121 kΩ / 0,6 W 1% (descripción en el texto)
R8, R10: 0,1 Ω / 5 W (descripción en el texto)
R11, R12: 4,7 kΩ
R13: 47 Ω
RN1, RN2: escalera 8 × 4,7 kΩ
P1: 47 kΩ (posición de montaje, horizontal)
Condensadores :
C1: 470 µF / 35 V
C2, C3, C5 ... C9, C11: 100 nF
C4, C10: 100 µF / 16 V
Semiconductores :
D1 ... D8: 1N4148
US1: 7805
US2: LM385-2.5V
US3: ATMEGA8
Otros :
J1 ... J7: ARK2 / 5 mm
J8: goldpin de 5 pines
J9: goldpin de 16 pines macho + hembra
JP1 ... JP4: goldpin de 2 pines + puente si es necesario Toma
DIP-28
Pantalla LCD 2 × 16 compatible con HD44780
Sobre la incertidumbre de la medición
La naturaleza está construida de tal manera que no puede medir ningún valor continuo (voltaje, temperatura) con sistemas digitales sin equivocarse. Además, existe la tolerancia de los componentes utilizados. Analicemos los componentes que influyen en el resultado de la medición
La empresa Atmel afirma que no es peor que ± 2LSB, que para un convertidor de 10 bits el error de cuantificación. El resultado de la medición es el intervalo en el que se encuentra el valor medido; cuanto mayor es la resolución, más estrechos son estos intervalos. Suponiendo el peor caso posible, es decir, el valor real está en el medio del rango designado.
La nota del catálogo LM385 indica 1,5% o 3%, según la versión.
Error resultante de la tolerancia de las resistencias utilizadas. En el caso de la medición de corriente, la cosa es simple: el 5% de la tolerancia de fabricación de la resistencia (como se usa en el modelo) da un 5% del error de resultado. Se vuelve más complicado cuando se mide voltaje, donde está involucrado un divisor de resistencia. La fórmula para expresar el error relativo de la división de voltaje es la siguiente:
(para el divisor en la entrada U1). Después de sustituir valores y tolerancias del esquema, el resultado es aproximadamente 1,5%.
Resumiendo los componentes anteriores, la incertidumbre de la medición de corriente no supera el 8,3% y la tensión no supera el 4,8%. Estos son valores extremos ya que se consideró el peor de los casos.
La incertidumbre se puede reducir utilizando una fuente de voltaje de referencia con mejor precisión y resistencias con tolerancias más estrictas. Se omitieron los errores resultantes del redondeo de las operaciones de punto flotante, la variación de temperatura, etc.
volt_amp.hex
Código: Seleccionar todo
:1000000012C02CC02BC02AC029C028C027C026C0BF
:1000100025C024C023C022C021C020C01FC01EC0D4
:100020001DC01CC01BC011241FBECFE5D4E0DEBF25
:10003000CDBF10E0A0E6B0E0E6EFF9E002C0059029
:100040000D92A636B107D9F710E0A6E6B0E001C0E0
:100050001D92A437B107E1F79DD1CBC4D1CFDF9377
:10006000CF93CDB7DEB727970FB6F894DEBF0FBE9C
:10007000CDBF19821A821B8280917300813021F0DA
:1000800080917300823061F5609167007091680023
:100090008091690090916A0020E030E040E251E4F4
:1000A00063D318166CF060916700709168008091BE
:1000B000690090916A0020E030E048EC52E40CC006
:1000C00060916700709168008091690090916A006A
:1000D00020E030E040E251E401D44AD37D836C83D8
:1000E0008C819D819F838E83809173008130D9F5AF
:1000F00009C089818F5F89838C819D81845690405E
:100100009D838C838C819D818436910590F78981B4
:10011000805D80936B008EE280936C0008C08A81C2
:100120008F5F8A838C819D810A979D838C838C81CC
:100130009D810A97A0F78A81805D80936D0008C039
:100140008B818F5F8B838C819D8101979D838C83B5
:100150008C819D81892BA1F78B81805D80936E00BE
:1001600086E580936F0080917300823009F040C073
:1001700009C089818F5F89838C819D8184569040DD
:100180009D838C838C819D818436910590F7898134
:10019000882311F480E102C08981805D80936B0027
:1001A00008C08A818F5F8A838C819D810A979D8395
:1001B0008C838C819D810A97A0F78A81805D8093D2
:1001C0006C008EE280936D0008C08B818F5F8B8303
:1001D0008C819D8101979D838C838C819D81892B4E
:1001E000A1F78B81805D80936E0086E580936F0020
:1001F00080917300833021F0809173008430A1F4EA
:1002000060916700709168008091690090916A0028
:1002100020E030E04AE754E461D3AAD27D836C83C6
:100220008C819D819F838E8380917300833009F040
:1002300048C009C089818F5F89838C819D818456E4
:1002400090409D838C838C819D818436910590F7AD
:100250008981882311F480E102C08981805D8093C7
:100260006B0008C08A818F5F8A838C819D810A9789
:100270009D838C838C819D810A97A0F78981882337
:1002800029F48A81882311F480E102C08A81805D8B
:1002900080936C0008C08B818F5F8B838C819D81E4
:1002A00001979D838C838C819D81892BA1F78B8104
:1002B000805D80936D008DE680936E0081E4809375
:1002C0006F00809173008430D9F509C089818F5FF8
:1002D00089838C819D81845690409D838C838C8101
:1002E0009D818436910590F78981805D80936B00B4
:1002F0008EE280936C0008C08A818F5F8A838C8134
:100300009D810A979D838C838C819D810A97A0F79C
:100310008A81805D80936D0008C08B818F5F8B83A5
:100320008C819D8101979D838C838C819D81892BFC
:10033000A1F78B81805D80936E0081E480936F00D4
:100340008E819F81875E934078F08FE480936B006D
:1003500086E580936C0085E480936D0082E5809350
:100360006E0081E280936F0027960FB6F894DEBF8F
:100370000FBECDBFCF91DF91089560E080E0A7D19F
:1003800080E690E098D161E080E0A1D183E690E042
:1003900092D10895BF92CF92DF92EF92FF920F9386
:1003A0001F93CF93DF938FE787BB90EF94BB8FE1D1
:1003B00081BB8FEF88BB95BB82BB17B883EE86B934
:1003C0009DD18ED1DADF28EAE22E21E6F22E92E0EC
:1003D000D92EBB24B39404E083E0C82E86B1836E8B
:1003E00086B980916600813049F0813028F08230F2
:1003F00029F0833021F402C017B801C087B9C701C2
:100400000197F1F784B125B1D22FC0E090E08C2B99
:100410009D2B909372008093710060917100709198
:10042000720080E090E0D0D120E030E040E250E483
:1004300055D220E030E040E85AE350D260936700A4
:10044000709368008093690090936A0080916600C1
:100450008823C9F4B79B17C060916700709168004A
:100460008091690090916A0020E030E040E252E41F
:1004700035D2609367007093680080936900909311
:100480006A00D0927300809166008823C9F4B799FE
:1004900017C0609167007091680080916900909129
:1004A0006A0020E030E040E850E418D26093670032
:1004B000709368008093690090936A00B092730013
:1004C000809166008130C9F4879B17C060916700F6
:1004D000709168008091690090916A0020E030E09E
:1004E00040E252E4FBD16093670070936800809310
:1004F000690090936A00D0927300109166001130E9
:10050000C9F4879917C06091670070916800809165
:10051000690090916A0020E030E040E850E4DED1CC
:1005200060936700709368008093690090936A00FD
:1005300010937300809166008230A1F4859B12C0F5
:100540008091670090916800A0916900B0916A0065
:100550008093670090936800A0936900B0936A004D
:1005600000937300809166008230A1F4859912C0D7
:100570008091670090916800A0916900B0916A0035
:100580008093670090936800A0936900B0936A001D
:10059000C0927300809166008330A1F4869B12C0E4
:1005A0008091670090916800A0916900B0916A0005
:1005B0008093670090936800A0936900B0936A00ED
:1005C00000937300209166002330A1F4869912C035
:1005D0008091670090916800A0916900B0916A00D5
:1005E0008093670090936800A0936900B0936A00BD
:1005F0002093730034DD80916600882331F460E03D
:1006000083E065D08BE690E056D080916600813023
:1006100031F461E083E05BD08BE690E04CD08091D8
:100620006600823031F460E08AE051D08BE690E0E1
:1006300042D080916600833031F461E08AE047D097
:100640008BE690E038D0809166008F5F80936600E3
:1006500080916600843008F4C1CE10926600BECE50
:1006600080FF02C0929A01C0929881FF02C0939AC3
:1006700001C0939882FF02C0949A01C0949883FFAE
:1006800002C0C69A0895C69808951F93182F919A8C
:1006900082958F70E5DF9198919A812FE1DF919893
:1006A00080E18A95F1F71F9108959098EEDF089503
:1006B000909AEBDF0895CF93DF93EC0102C021966F
:1006C000F7DF88818823D9F7DF91CF91089562956C
:1006D000660F660F607C680F862F8068E6DF0895DE
:1006E00081E0E3DF84EF91E00197F1F7089582E084
:1006F000DCDF84EF91E00197F1F708951F93CF932A
:10070000DF938A9A8B9A8C9ABE9A899A889A86EAFB
:100710009EE00197F1F79098919810E0C2EED4E036
:10072000919A83E09DDF9198CE010197F1F71F5FC9
:100730001330B1F7919A82E093DF91988AEF90E0BD
:100740000197F1F788E2B1DF88E0AFDF81E0ADDF4C
:1007500084EF91E00197F1F786E0A7DF8CE0A5DF59
:10076000DF91CF911F9108956CD008F481E0089536
:1007700094D088F09F5790F0B92F9927B751A0F0E7
:10078000D1F0660F771F881F991F1AF0BA95C9F725
:1007900012C0B13081F09BD0B1E0089598C0672FAE
:1007A000782F8827B85F39F0B93FCCF386957795D5
:1007B0006795B395D9F73EF49095809570956195BE
:1007C0007F4F8F4F9F4F0895E89409C097FB3EF4E9
:1007D00090958095709561957F4F8F4F9F4F99238E
:1007E000A9F0F92F96E9BB279395F695879577950C
:1007F0006795B795F111F8CFFAF4BB0F11F460FFCC
:100800001BC06F5F7F4F8F4F9F4F16C0882311F023
:1008100096E911C0772321F09EE8872F762F05C037
:10082000662371F096E8862F70E060E02AF09A95D2
:10083000660F771F881FDAF7880F9695879597F9C7
:100840000895990F0008550FAA0BE0E8FEEF161661
:100850001706E807F907C0F012161306E407F507B4
:1008600098F0621B730B840B950B39F40A2661F028
:10087000232B242B252B21F408950A2609F4A140CB
:10088000A6958FEF811D811D089557FD9058440F47
:10089000551F59F05F3F71F04795880F97FB991FDF
:1008A00061F09F3F79F0879508951216130614069C
:1008B000551FF2CF4695F1DF08C016161706180629
:1008C000991FF1CF86957105610508940895E89404
:1008D000BB2766277727CB0197F908950BD078C0FF
:1008E00069D028F06ED018F0952309F05AC05FC087
:1008F0001124EECFCADFA0F3959FD1F3950F50E0FE
:10090000551F629FF001729FBB27F00DB11D639FC1
:10091000AA27F00DB11DAA1F649F6627B00DA11D67
:10092000661F829F2227B00DA11D621F739FB00D0D
:10093000A11D621F839FA00D611D221F749F33277D
:10094000A00D611D231F849F600D211D822F762F16
:100950006A2F11249F5750408AF0E1F088234AF013
:10096000EE0FFF1FBB1F661F771F881F915050405F
:10097000A9F79E3F510570F014C0AACF5F3FECF37A
:10098000983EDCF3869577956795B795F795E7954B
:100990009F5FC1F7FE2B880F911D9695879597F95C
:1009A000089597F99F6780E870E060E008959FEFF1
:1009B00080EC089500240A941616170618060906F6
:1009C000089500240A9412161306140605060895C5
:1009D000092E0394000C11F4882352F0BB0F40F44D
:1009E000BF2B11F460FF04C06F5F7F4F8F4F9F4F8D
:0609F0000895F894FFCF0A
:0609F600313A00323A0024
:00000001FF