Простой миниатюрный вольтметр на микроконтроллере. Встраиваемый ампер-вольтметр на PIC12F675 и LED-индикаторах. Предосторожности в работе и особенности эксплуатации

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:

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.

Реализация вольтметра от Владимира

Добавлены ключи на аноды индикатора, что повысило яркость дисплея, и позволяет использовать более мощные дисплеи.

Две печатки под DIP14 и SO14

В схеме применены транзисторы BC847 (КТ3102).

Во время обновления основной статьи вольтметра в схеме и печатках от Владимира был заменён делитель напряжения. Прошивки к вольтметру лежат в основной статье .

Реализация сетевого вольтметра от Wali Marat

Печатка отличается от схемы заменой резисторов R2 и R3 на один подстроечный 4,7к и отсутствием стабилитрона VD1.

Также была прислана модифицированная схема сетевого вольтметра, она отличается более качественной схемой стабилизации напряжения питания вольтметра.

Фото сетевого вольтметра

Реализация вольтметра/амперметра от Wali Marat

Во все схемы от Wali Marat был добавлен стабилитрон VD1 на 5,1В(обозначен зелёным цветом), для защиты входа АЦП микроконтроллера от перенапряжения.

Схема на рис.1 - развитие предыдущей идеи конструкции по использованию аналогового входа в микроконтроллере, не имеющего встроенного АЦП, а так же используются технические приемы из другой идеи конструкции по управлению семисегментным светодиодным индикатором без внешних ключевых транзисторов. Данная схема имеет последовательный канал, и нужна только витая пара для передачи измеренных значений на персональный компьютер.

Последовательный канал был протестирован с использованием программы компании Microsoft Hyper Terminal сконфигурированной параметрами 115,200 бод; 8 бит, четность, 1 стоп-бит; без аппаратного контроля.

Коротко, программа управляет одним светодиодным семисегментным индикатором за раз по линиям RA0 и RB7. Установка выхода RA0 в единицу и использование RB7, как входа активизирует индикатор с общим анодом DS3. Установка выхода RA0 в ноль и использование RB7 как входа, активизирует индикатор с общим катодом DS2. Использование RA0 как входа и установка выхода RB7 в единицу активизирует индикатор с общим анодом DS1, а при использовании RA0 как вход и установке выхода RB7 в ноль активизирует индикатор с общим катодом DS0. После успешной активизации одного индикатора, только одна из линий RB0 … RB6, конфигурируется как выход для управления одним светодиодным сегментом. Эта схема больше не имеет ограничения на питающее напряжение VDD - 3В или ниже - так как светодиоды включены встречно-параллельно, таким образом, прямое падение напряжения на одном светодиоде ограничивает обратное напряжение на другом. Использование красных светодиодов требует 1,6 В.

Рис.2 иллюстрирует новые аспекты идеи конструкции. Q1, R5, и R6 работают как эквивалентный переменный резистор, RX, который заряжает конденсатор C3. Вместо подключения RX к земле, просто подключите его к одной линии ввода-вывода - например RB0 - микроконтроллера. Если RB0 включен как выход в нулевом состоянии, значит первый аналоговый канал активизирован и измерительная подпрограмма подсчитывает импульсы заряда до величины 66% от VDD; затем, по таблице полученная величина задержки переводится в величину милливольт из трех цифр. Для увеличения количества аналоговых входов, вы можете подключить до семи цепей переменного резистора в параллель - таким образом, что каждый подключен между C3 и одной линией ввода-вывода, RB1 … RB7. Важно, что линии ввода-вывода подключены к индикаторам и так же активируют или отключают аналоговые каналы. Когда один аналоговый канал активизирован линией ввода-вывода выходом в низком состоянии, другие линии имеют высокое сопротивление и работают как входы, что отключает все остальные каналы. Соответственно, индикаторы отключены.

В схему на рис.1 так же добавлен простейший последовательный канал без добавления внешних компонентов. Если вы подключите две линии ввода-вывода, RA1 и RA2, сконфигурированные как выходы к RXD (Выв 2) и GND (Выв 5) разъема RS 232, вы сможете создавать, с помощью программы, положительное и отрицательное напряжение относительно земли порта RS 232 в ПК. Когда RA1 в единице, а RA2 в ноле, RXD имеет положительный потенциал 5 В относительно земли порта RS 232 в ПК. Когда RA1 в ноле, а RA2 в единице, RXD имеет отрицательный потенциал -5 В относительно земли порта RS 232 в ПК.

Вольтметр на PIC16F676 – статья, в которой расскажу о самостоятельной сборке цифрового вольтметра постоянного тока с пределом 0-50В. В статье приводится схема вольтметра на PIC16F676, а также печатная плата и прошивка. Вольтметр использовал для организации индикации в .

Технические характеристики вольтметра:

• Дискретность отображения результата измерения 0,1В;
• Погрешность 0,1…0,2В;
• Напряжение питание вольтметра 7…20В.
• Средний ток потребления 20мА

За основу конструкции взята схема автора Н.Заец из статьи «Миливольтметр». Сам автор очень щедрый и охотно делится своими разработками, как техническими, так и программными. Однако одним из существенных недостатков его конструкций (на мой взгляд) является морально-устаревшая элементная база. Использование которой, в нынешнее время, не совсем разумно.

На рисунке 1 показана принципиальная схема авторский вариант.

Бегло пробегусь по основным узлам схемы. Микросхема DA1 – регулируемый стабилизатор напряжения, выходное напряжение которого регулируется подстроенным резистором R4. Такое решение не очень хорошее, так как для нормальной работы вольтметра необходим отдельный источник постоянного тока напряжением 8В. И это напряжение должно быть неизменным. Если входное напряжение будет меняться, то и выходное напряжение будет изменяться, а это не допустимо. В моей практике такое изменение привело к перегоранию PIC16F676 - микроконтроллера.

Резисторы R5-R6 – это делитель входного (измеряемого) напряжения. DD1 - микроконтроллер, HG1-HG3 – три отдельных семисегментных индикатора, которые собраны в одну информационную шину. Применение отдельных семисегментных индикаторов сильно усложняют печатную плату. Такое решение тоже не очень хорошее. Да и потребление у АЛС324А приличное.

На рисунке 2 показана переделанная принципиальная схема цифрового вольтметра.

Рисунок 2 – Схема принципиальная вольтметра постоянного тока.

Теперь рассмотрим, какие изменения были внесены в схему.

Вместо регулируемого интегрального стабилизатора КР142ЕН12А было принято решение использовать интегральный стабилизатор LM7805 с постоянным выходным напряжением +5В. Тем самым удалось надежно стабилизировать рабочее напряжение микроконтроллера. Еще один плюс такого решение - это возможность применения входного (измеряемого) напряжения для питания схемы. Если, конечно, это напряжение больше 6В, но меньше 30В. Чтобы подключиться к входному напряжению, достаточно только замкнуть перемычку(jamper). Если сам стабилизатор сильно греется, его необходимо установить на радиатор.

Для защиты входа АЦП от перенапряжения в схему был добавлен стабилитрон VD1.

Резистор R4 совместно с конденсатором С3 - рекомендованы производителем, для надежного сброса микроконтроллера.

Вместо трех отдельных семисегментных индикаторов был применен один общий.

Для разгрузки отдельных ножек микроконтроллера были добавлены три транзистора.

В таблице 1 можно ознакомиться со всем перечнем деталей и возможной их заменой на аналог.

Таблица 1 – Перечень деталей для вольтметра на PIC16F676

Позиционное обозначение	Наименование	Аналог/замена
С1	Конденсатор электролитический - 470мкФх35В
С2	Конденсатор электролитический - 1000мкФх10В
С3	Конденсатор электролитический - 10мкФх25В
С4	Конденсатор керамический - 0,1мкФх50В
DA1	Интегральный стабилизатор L7805
DD1	Микроконтроллер PIC16F676
HG1	7-ми сегментный LED индикатор KEM-5631-ASR (OK)	Любой другой маломощный для динамической индикации и подходящий по подключению.
R1*	Резистор 0,125Вт 91 кОм	SMD типоразмер 0805
R2*	Резистор 0,125Вт 4,7 кОм	SMD типоразмер 0805
R3	Резистор 0,125Вт 5,1 Ом	SMD типоразмер 0805
R4	Резистор 0,125Вт 10 кОм	SMD типоразмер 0805
R5-R12	Резистор 0,125Вт 330 Ом	SMD типоразмер 0805
R13-R15	Резистор 0,125Вт 4,3 кОм	SMD типоразмер 0805
VD1	Стабилитрон BZV85C5V1	1N4733
VT1-VT3	Транзистор BC546B	КТ3102
XP1-XP2	Штыревой разъем на плату
XT1	Клеммник на 4 контакта.

Рисунок 3 – Плата печатная вольтметра на PIC16F676 (сторона проводников).

На рисунке 4 – печатная плата сторона размещения деталей.

Рисунок 4 –Плата печатная сторона размещения деталей (плата на рисунке не в масштабе).

Что касается прошивки, то изменения были внесены не существенные:

• Добавлено отключение незначащего разряда;
• Увеличено время выдачи результата на семисегментный LED индикатор.

Вольтметр, собранный из заведомо рабочих деталей, начинает работать сразу же и в наладке не нуждается. В отдельных случаях возникает необходимость подстроить точность измерения подбором резисторов R1 и R2.

Внешний вид вольтметра показан на рисунках 5-6.

Рисунок 5 – Внешний вид вольтметра.

Рисунок 6 – Внешний вид вольтметра.

Вольтметр, рассматриваемый в статье успешно прошел испытания в домашних условиях, проверялся в автомобиле с питанием от бортовой сети. Сбоев не было. Может отлично подойти для длительного использования.

Интересное видео

Подведу итоги. После всех изменений получился совсем не плохой цифровой вольтметр постоянного тока на микроконтроллере PIC16F676, с пределом измерения 0-50В. Всем кто будет повторять данный вольтметр, желаю исправных компонентов и удачи в изготовлении!