Простой модульный вольтметр переменного напряжения на PIC16F676. Простой встраиваемый ампервольтметр на PIC16F676 Сетевой вольтметр на микроконтроллере своими руками

Прошлым летом по просьбе знакомого разработал схему цифрового вольтметра и амперметра. В соответствии с просьбой данный измерительный прибор должен быть экономичный. Поэтому в качестве индикаторов для вывода информации был выбран однострочный жидкокристаллический дисплей. Вообще этот ампервольтметр предназначался для контроля разрядки автомобильного аккумулятора. А разряжался аккумулятор на двигатель небольшого водяного насоса. Насос качал воду через фильтр и опять возвращал ее по камушкам в небольшой прудик на даче.

Вообще в подробности этой причуды я не вникал. Не так давно этот вольтметр опять попал ко мне у руки для доработки программы. Все работает как положено, но есть еще одна просьба, чтобы установить светодиод индикации работы микроконтроллера. Дело в том, что однажды, из-за дефекта печатной платы, пропало питание микроконтроллера, естественно функционировать он перестал, а так как ЖК-дисплей имеет свой контроллер, то данные, загруженные в него ранее, напряжение на аккумуляторной батарее и ток, потребляемый насосом, так и остались на экране индикатора. Ранее я не задумывался о таком неприятном инциденте, теперь надо будет это дело учитывать в программе устройств и их схемах. А то будешь любоваться красивыми циферками на экране дисплея, а на самом деле все уже давно сгорело. В общем, батарея разрядилась полностью, что для знакомого, как он сказал, тогда было очень плохо.
Схема прибора с индикаторным светодиодом показана на рисунке.

Основой схемы являются микроконтроллер PIC16F676 и индикатор ЖКИ. Так, как все это работает исключительно в теплое время года, то индикатор и контроллер можно приобрести самые дешевые. Операционный усилитель выбран тоже соответствующий – LM358N, дешевый и имеющий диапазон рабочих температур от 0 до +70.
Для преобразования аналоговых величин (оцифровки) напряжения и тока выбрано стабилизированное напряжение питания микроконтроллера величиной +5В. А это значит, что при десятиразрядной оцифровке аналогового сигнала каждому разряду будет соответствовать – 5В = 5000 мВ = 5000/1024 = 4,8828125 мВ. Эта величина в программе умножается на 2, и получаем — 9,765625мВ на один разряд двоичного кода. А нам надо для корректного вывода информации на экран ЖКИ, чтобы один разряд был равен 10 мВ или 0,01 В. Поэтому в схеме предусмотрены масштабирующие цепи. Для напряжения, это регулируемый делитель, состоящий из резисторов R5 и R7. Для коррекции показаний величины тока служит масштабирующий усилитель, собранный на одном из операционных усилителей микросхемы DA1 – DA1.2. Регулировка коэффициента передачи этого усилителя осуществляется с помощью резистора R3 величиной 33к. Лучше, если оба подстроечных резистора будут многооборотными. Таким образом, при использование для оцифровки напряжения величиной ровно +5 В, прямое подключение сигналов на входы микроконтроллера запрещено. Оставшийся ОУ, включенный между R5 и R7 и входом RA1, микросхемы DD1, является повторителем. Служит для уменьшения влияния на оцифровку шумов и импульсных помех, за счет стопроцентной, отрицательной, частотно независимой обратной связи. Для уменьшения шумов и помех при преобразовании величины тока, служит П образный фильтр, состоящий из С1,С2 и R4. В большинстве случаев С2 можно не устанавливать.

В качестве датчика тока, резистор R2, используется отечественный заводской шунт на 20А – 75ШСУ3-20-0,5. При токе, протекающем через шунт в 20А, на нем упадет напряжение величиной 0,075 В (по паспорту на шунт). Значит, для того, чтобы на входе контроллера было два вольта, коэффициент усиления усилителя должен быть примерно 2В/0,075 = 26. Примерно — это потому, что у нас дискретность оцифровки не 0,01 В, а 0,09765625 В. Конечно, можно применить и самодельные шунты, откорректировав коэффициент усиления усилителя DA1.2. Коэффициент усиления данного усилителя равен отношению величин резисторов R1 и R3, Кус = R3/R1.
И так, исходя из выше сказанного, вольтметр имеет верхний предел – 50 вольт, а амперметр – 20 ампер, хотя при шунте, рассчитанном на 50 ампер, он будет измерять 50А. Так, что его можно с успехом установить в других устройствах.
Теперь о доработке, включающей в себя добавление индикаторного светодиода. В программу были внесены небольшие изменения и теперь, пока контроллер работает, светодиод моргает с частотой примерно 2 Гц. Время свечения светодиода выбрано 25мсек, для экономии. Можно было бы вывести на дисплей моргающий курсор, но сказали, что со светодиодом нагляднее и эффектнее. Вроде все. Успехов. К.В.Ю.

.

Один из вариантов готового устройства, реализованного Алексеем. К сожалению фамилии не знаю. Спасибо ему за работу и фото.

Данное устройство реализовано на PIC16F676 с использованием встроенного десятиразрядного АЦП. Вольтметр позволяет измерять напряжение до 30В постоянного тока и может использоваться в настольных источниках питания либо различных приборных панелях.
Для отображения напряжения используется три семисигментный индикатора с общим анодом. Вывод информации на индикаторы осуществляется динамически(мультиплексированием), частота обновления составляет около 50 Гц.

Схема вольтметра:

Напряжение на выходе делителя
По умолчанию у PIC микроконтроллера, источник опорного напряжения АЦП установлен на VCC (+5 В в данном случае).
Необходимо сделать такой делитель напряжения, который снизит напряжение 30В до 5В. Несложно рассчитать Vin / 6 ==> 30/6 = 5, коэффициент деления равен 6. Так же делитель должен обладать большим сопротивлением, чтобы как можно меньше влиять на измеряемое напряжение.

Расчет
АЦП - 10bit значит максимальное количество отсчётов 1023.
Максимальное значение напряжения 5В, тогда получаем 5/1023 = 0,0048878 В/Отсчёт. В таком случае, если количество точек АЦП составляет 188, то напряжение на входе 188 * 0.0048878 = 0.918 вольт

С использованием делителя напряжения, максимальное напряжение 30В, тогда 30/1023 = 0,02932 В/Отсчёт.
И если количество точек АЦП составляет 188, то напряжение на входе 188 * 0,02932 = 5,5 В.

Конденсатор 0.1uF делает АЦП более стабильным, так как десятиразрядные АЦП достаточно чувствительны.
Стабилитрон на 5,1В предназначен для защиты АЦП от превышения допустимого напряжения.

Печатная плата:

Фото готового устройства:

Точность и калибровка
Общая точность схемы достаточно велика, она полностью зависит от значений сопротивлений резисторов 47кОм и 10кОм, следовательно чем точнее будут выбраны комплектующие, тем точнее будут показания.
Калибровка вольтметра осуществляется подстроечным резистором 10кОм, установите сопротивление около 7,5кОм и контролируйте показания другим прибором.
Также для настройки можно использовать любой стабилизированный источник на 5 или 12 вольт, в этом случае вращайте подстроечный резистор до тех пор, пока не получите правильное значение на дисплее.

Проект в Proteus:

Вольтамперметр на PIC16F676

Этот проект - ампервольтметр (или вольтамперметр, если хотите) постоянного тока. Диапазон - до 99.9В и 9.9А (или 99.9А, зависит от прошивки).

Особенность его состоит в том, что он построен на распространённом микроконтроллере PIC16F676, однако, несмотря на это, имеет возможность одновременного отображения измеряемых напряжения и силы тока на четырёхсимвольных (или трёхсимвольных) семисегментных индикаторах, как с общим анодом, так и с общим катодом (задаётся одним резистором). При использовании четырёхсимвольного индикатора, последний сегмент отображает символ "U" для напряжения и "A" для тока. Ампервольтметр может работать и с одним индикатором, при этом кнопкой "B" можно выбирать, что будет на нём отображаться - напряжение или сила тока. В том случае, если установлены оба индикатора, этой кнопкой можно поменять местами их назначение. Кнопка "H" служит для коррекции показаний амперметра и выравнивания линейности этих показаний, если это необходимо.

up feb 2014: сейчас разработку можно найти по адресу:

Схема вольтамперметра приведена ниже. Как уже было сказано, он построен на распространённом микроконтроллере PIC16F676, на котором, в частности, собирают простые вольтметры и амперметры.

Нажмите на схему для увеличения
В виду ограниченного количества пинов у данного МК, применён регистр 74HC595. Аналогов с совпадающей цоколёвкой у этой микросхемы нет, но она недефицитна и часто применяется в подобных схемах для подключения индикаторов к МК. Для защиты выходов МК от перегрузки и повышения яркости индикаторов применены ключи на транзисторах. При использовании индикаторов с общим катодом, необходимо использовать транзисторы другой структуры, соединив их коллекторы не с +5В, а с массой, при этом резистор на 11 выводе микроконтроллера нужно переставить в другое положение. Возможно, Вам потребуется подобрать резисторы на выходе регистра и в базах транзисторов под свои индикаторы и транзисторы.

Как уже говорилось ранее, кнопка "B" позволяет поменять местами назначение индикаторов в случае, если их два. Если индикатор один, то этой кнопкой можно чередовать отображение напряжения и тока. При нажатии кнопки "H" индикаторы начнут мигать. Пока они мигают, кнопками "B" и "H" можно корректировать показания амперметра. После корректировки мигание прекратится и коэффициент корректировки будет записан в энергонезависимую память. Режим отображения, установленный кнопкой "B", также хранится в энергонезависимой памяти.

После включения индикаторы начинают светиться не сразу, а с задержкой в несколько секунд. Частота изменения показаний - около 9Гц.

Один из вариантов печатной платы для четырёх индикаторов с общим анодом. На рисунке кружками обведены необходимые исправления: нужно убрать перемычку, идущую на массу, и добавить одну маленькую перемычку.

Файлы к проекту.

Продолжаем разбираться с вариантами реализации вольтметра - амперметра на базе микропроцессора.
Не забудьте архив с файлами, они нам сегодня потребуются.

При желании поставить крупные индикаторы, придется решать вопрос ограничения тока потребления через порты МК. В данном случае необходимо ставить буферные транзисторы на каждый разряд индикатора.

Индикаторы больших размеров

Итак, рассмотренная ранее схема примет вид, показанный на рис. 2. Добавилось три транзистора VT1-VT3 буферного каскада на каждый разряд индикатора. Установленный буферный каскад инвертирует выходной сигнал МК. По сему, входное напряжение на базе VT2 инверсно относительно коллектора указанного транзистора, а значит подходит для подачи на вывод формирования запятой. Это дает возможность убрать транзистор VT1, который был ранее в схеме на рис. 1, заменив последний развязывающим резистором R12. Не забудьте, что изменились и номиналы резисторов в цепях базы транзисторов VT1-VT3.
Если желаете поставить индикаторы с нетрадиционно большими габаритами, то придется в цепи коллекторов указанных транзисторов поставить низкоомные (1 – 10 Ом) резисторы для ограничения бросков тока при их включении.

Логика работы МК для этого варианта нуждается только в небольшом изменении программы в части инверсии выходного сигнала управления разрядами, а именно портов RA0, RA1, RA5.
Рассмотрим только то, что изменится, а именно подпрограмму, уже известную нам под условным названием «Функция формирования динамической индикации» в Листинге №2 (смотрите папку «тр_ОЕ_30V» в архиве или первую часть статьи):

16. void Indicator (){ 17. while (show_digit < 3) { 18. portc = 0b111111; // 1 -> C 19. if (show_digit == 2){ delay_ms(1); } 20. porta = 0b100111; 21. show_digit = show_digit + 1; 22. switch (show_digit) { 23. case 1: { 24. if (digit1 == 0) { } else { 25. Cod_to_PORT(DIGIT1); 26. PORTA &= (~(1<<0)); //0 -> A0 27. } break;} 28. case 2: { 29. Cod_to_PORT(DIGIT2); 30. PORTA &= (~(1<<1)); //0 -> A1 31. break;} 32. case 3: { 33. Cod_to_PORT(DIGIT3); 34. PORTA &= (~(1<<5)); //0 -> A5 35. break;} } 36. Delay_ms(6); 37. if (RA2_bit==0) {PORTA |= (1<<2);// 1 -> A2 38. Delay_ms(1);} 39. if ((show_digit >= 3)!= 0) break; 40. } show_digit = 0;}

Сравните оба варианта. Инверсия сигнала по порту RA (строка 20 Листинга №2) легко читается, поскольку записано в двоичной форме. Достаточно совместить выводы МК и двоичное число. В строках 19 и 37 появились немного странные условия, которых не было вначале. В первом случае: «задержать сигнал логического нуля на порту RA1 во время индикации второго разряда». Во втором: «в случае если на порте RA2 логический нуль, инверсия». Когда будете компилировать финальную версию программы можете их удалить, а вот для симуляции в PROTEUSе они нужны. Без них не будет нормально индицироваться запятая и сегмент «G».
Почему? - спросите Вы, ведь первый вариант прекрасно работал.

В завершение, вспомните слова кузнеца из фильма «Формула Любви»: «…если один человек построил, другой завсегда разобрать может!».
Удачи!

Читательское голосование

Статью одобрили 27 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.

Представленное здесь устройство пригодится, если у Вас есть блок питания с выходным напряжение 0-10 В. Именно такие пределы измерения "заложены" в схему представленную на рисунке. В ее основе - микроконтроллер Atmega8 (U1) в стандартном корпусе DIP. Он может показаться громоздким, но был выбран из-за широкой популярности, а также по причине того, что программаторы, для данного микроконтроллера очень распространены. Atmega8 используют большинство радиолюбителей и в Интернете можно найти немало схем с этим микроконтроллером. Поэтому, если Вам не понравится данный вольтметр, Atmega8 не останется лежать без дела.

Цифровой вольтметр на Atmega8. Схема принципиальная.

Показатели измерения вольтметра будут отображаться на цифровом семисегментном трехзначном индикаторе (DISP1). Дам немного информации по поводу него.

7-сегментный цифровой LED индикатор - это индикатор, состоящий из семи светодиодов, установленных в форме цифры 8. Зажигая или выключая соответствующие LED-ы (сегменты) можно отображать цифры от нуля до девяти, а так же некоторые буквы. Обычно используется несколько цифровых индикаторов, чтобы создать многозначные цифры - для этого индикаторы снабжены сегментом в виде запятой (точки) - dp. В итоге, у одного индикатора 8 сегментов, хотя называют их по числу цифровых сегментов 7-сегментным.

Каждый сегмент индикатора представляет собой отдельный светодиод, который может быть включен (светиться) или выключен (не светиться) в зависимости от полярности подаваемого на них напряжения. Индикаторы бывают как с общим катодом, так и с общим анодом. Речь идет об общем соединении всех светодиодов (сегментов). Кроме этого, индикаторы могут содержать несколько цифр, в таком случаем каждая цифра называется разрядом или знаком. Например, трехразрядный (трехзначный) семисегментный индикатор содержит три цифры. Именно такой индикатор и понадобится для этого устройства.

В конструкции используется индикатор красного свечения GNT-2831BD-11 с общим анодом. Резисторы R1-R8 определяют ток в индикаторе и, следовательно, его яркость. Их сопротивление не должно превышать максимальный выходной ток (40 мА), даже когда все 8 светодиодов горят сразу. В схеме используется несимметричный 10-битный АЦП (аналого-цифровой преобразователь), находящийся в AVR. Диапазон выходного значения составляет 0-999. Когда будет достигнут предел этих значений, появится символ "---".

На входе вольтметра (in) установлен делитель напряжения из резисторов R9, R10 и R11, обеспечивая диапазон измерения до 10 В с погрешностью 0,01 В. На выводе 23 микроконтроллера U1 делитель формирует напряжение, которое не должно превышать 2,5 В. Входное сопротивление вольтметра близко к 1мОм. Для калибровки вольтметра подайте на его вход точно известное напряжение и, перемещая подстроечный резистор R11, добейтесь на индикаторе таких же показаний.

Частота обновления вольтметра составляет около 4 Гц. Схема питается от стабилизированного источника напряжением 5 В. Потребляемый ток устройства составляет около 25 мА (большая часть потребления приходится на индикатор). Компоненты C1 и C2 расположите как можно ближе к микроконтроллеру.

Правильно выставленные биты представлены на рисунке ниже.

Если Вам необходимы пределы измерения до 100 В, измените значение R10 на 9,1мОм и R11 на 2,2 мОм. Тогда Вы получите желаемый диапазон измерения с погрешностью 0,1 В и входным сопротивлением около 10мОм. В этом случае придется изменить и место точки индикатора, чтобы она отображалась за двумя символами, а не за первым, как на схеме. Для этого вывод 28 микросхемы U1 оставьте свободным, а к общему проводу подключите вывод 27. Теперь вместо символов в виде 0.00 будут отображаться 00.0.