Цифровой амперметр переменного тока своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 18.09.2024
В этой статье мы рассмотрим низкодиапазонный амперметр на микроконтроллере ATmega8 (семейство AVR). Для реализации этой идеи мы задействуем 10 битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) данного микроконтроллера. Для упрощения схемы используем резистивный метод, являющийся самым простым способом определения нужных нам параметров.
В этом методе мы будем пропускать ток, силу которого необходимо измерить, через резистор с маленьким сопротивлением. Измеряя напряжение на этом резисторе с помощью АЦП микроконтроллера мы сможем определить и интересующую нас силу тока. Измеренное значение тока мы будем показывать на жидкокристаллическом (ЖК) дисплее 16х2.
В схеме мы будем использовать делитель напряжения на резисторах. Измеряемый ток будем пропускать через всю цепочку резисторов, а измерять напряжение будем в средней точке делителя. Напряжение в этой точке будет изменяться по линейному закону в зависимости от величины тока, протекающего через делитель напряжения.
При проектировании схем с делителем напряжения следует принимать во внимание то, что входной ток на АЦП микроконтроллера AVR должен быть не менее 50 мкА. Поэтому следует правильно выбирать резисторы делителя напряжения чтобы минимизировать влияние нагрузки (loading effect) резистора на проходящий через делитель ток.
Работа схемы
Схема устройства приведена на следующем рисунке.
Принципы взаимодействия микроконтроллера AVR с ЖК дисплеем можно изучить в этой статье (или, если в сокращенной форме, то в этой).
Напряжение на резисторах R2 и R4 (точка, где мы измеряем напряжение) не будет полностью линейным, оно будет зашумлено. Для фильтрации этого шума в схему включен конденсатор C6.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера ATmega8 может быть использован на любом из четырех каналов PORTC – мы выберем канал 0 (PIN0) PORTC.
В микроконтроллере ATmega8 АЦП имеет разрешение (разрешающую способность) 10 бит, таким образом микроконтроллер способен реализовать чувствительность равную Vref/2^10, то есть если опорное напряжение (Vref) равно 5В мы получим цифровой инкремент на выходе 5/2^10 = 5мВ. Таким образом, на каждое приращение напряжения на 5 мВ мы будем получать один дополнительный инкремент цифрового выхода АЦП.
Для обеспечения работы схемы мы должны установить значения регистров АЦП следующим образом:
- Сначала мы должны активировать АЦП микроконтроллера.
- Затем необходимо установить максимальное входное напряжение для АЦП равное 5В. Это можно сделать путем установки значения опорного напряжения АЦП равного 5В.
- АЦП микроконтроллера в нашей схеме будет начинать действовать при внешнем воздействии (не от действий пользователя), поэтому нам следует установить его в режим непрерывного преобразования (free running mode): в этом режиме запуск преобразований выполняется непрерывно через определенные интервалы времени.
- В любом АЦП частота преобразования аналогового значения в цифровое и точность цифрового выхода обратно пропорциональны. То есть для лучшей точности цифрового выхода мы должны выбрать меньшую частоту. Для этого мы должны установить коэффициент деления предделителя АЦП в максимальное значение (2). Поскольку мы используем внутреннюю частоту микроконтроллера 1 МГц, то значение частоты преобразования АЦП будет равно 1000000/2.
Четыре основных принципа работы с АЦП микроконтроллера мы рассмотрели, теперь нам нужно установить правильные значения в двух регистрах АЦП.
RED (красный, ADEN): этот бит устанавливается чтобы задействовать функции АЦП в ATmega8.
BLUE (синий, REFS1, REFS0): эти два бита используются для установки опорного напряжения (максимального входного напряжения, которое мы собираемся обрабатывать). Поскольку мы будем использовать опорное напряжение равное 5В, бит REFS0 необходимо выставить в соответствии с приведенной таблицей.
LIGHT GREEN (светло зеленый, ADATE): этот бит должен быть установлен чтобы АЦП работал непрерывно (в режиме непрерывного преобразования).
PINK (розовый, MUX0-MUX4): эти 5 бит используются чтобы задать входной канал. Поскольку мы будем использовать ADC0 (PIN0) то, как следует из ниже приведенной таблицы, нам нет необходимости устанавливать все эти биты.
BROWN (коричневый, ADPS0-ADPS2): эти три бита используются для установки коэффициент деления предделителя АЦП. Поскольку мы используем коэффициент деления предделителя 2, мы должны установить только один из этих битов.
DARK GREEN (темно-зеленый, ADSC): этот бит необходимо установить для того чтобы АЦП начал осуществлять преобразование. Далее в программе мы можем его сбросить (в 0) если нам нужно будет остановить процесс аналого-цифрового преобразования.
Для лучшего понимания этой статьи можно также прочитать статью о цифровом вольтметре на микроконтроллере AVR.
Исходный код программы на языке С (Си) с пояснениями
Программа для рассматриваемой схемы представлена следующим фрагментом кода на языке С (Си). Комментарии к коду программу поясняют принцип работы отдельных команд.
Измерения постоянных напряжений.
двухдиапазонный вольтметр от 0 до 100V
амперметр от 0.00 до 10.00А ( 30.00А)
ваттметр, диапазон от 0.00 до 999.99Watt.
использование регулируемого выхода ШИМ МК
настраиваемый порог защиты по току
Программа рассчитана для измерений постоянного тока, в лабораторном БП.
Свойства программы и характеристики:
- двухдиапазонный вольтметр, общий диапазон измерения от 0 до 100V.
Этотдиапазон разделен на два поддиапазона измерения,
①от 0.00 до 9.99V. дискретность измерения напряжения 0.01V,
②от 10.0 до 100.0V дискретность измерения напряжения 0.1V.
- амперметр от 0.00 до 10.00А дискретность измерения тока 0.01А.
Защита по превышению потребляемых ампер, двух видов:
триггерная и по таймеру от 1 до 99 сек. (вариант выбора производится из пользовательского меню).
- ваттметр, отображает информацию исходя из измерения по собственным данным V и А,
расчет для постоянного тока Ватт = Ампер * Вольт, т.е. — P=I*U, диапазон от 0.00 до 999.99Watt,шаг отображения измерения 0.01 ватт.
- также, в программе используется функция аппаратного ШИМа (PWM)МК, частота 125 kHz ,
коэффициент заполнения импульсами – ШИМа, отображается в основном экране в % исчислении,от 0 до 100% ,
на вывод МК(РВ3) можно подключать любое устройство, в котором вы имеете надобность, будь то паяльник или вентилятор.
Схема состоит из распространенных и доступных деталей,
ЖКИ 16х2 на базе контроллера HD44780 или KS0006, МК ATmega8 с любой буквой, в DIP или TQFP исполнении. А также ОУ Lm328 или Lm2904 .
а хозяин, например,…. как бы не желает пользоваться этим двухдиапазонным вольтметром :-), а желает просто без всяких хитростей, простой до 30.00V, тогда
входим в пользовательское меню и оттуда делаем замену на главном экране,
двухдиапазонного на простой вольтметр с диапазоном от 0.00 до 30.00V (точность измерения будет 0.03V).
(ВНИМАНИЕ. Выбор этих двух опций в рабочей схеме повлечет за собой необходимость подстройки, входных аналоговых цепей V или А).
Еще при необходимости в пользовательском меню вы можете подключать дополнительно, второй независимый вольтметр с диапазоном от 0.00 до 30.00V
(например: это позволит при наладке каких либо схем, производить контроль напряжения сразу в нескольких точках).
Вот несколько фотографий работы вольтамперметра-ваттметра, как видите одной прошивкой по выбору, осуществляется несколько режимов измерения.
На экране отображаются ; вольтметр — — ШИМ, амперметр — — устан. защиты в А
Теперь ; вольтметр — — ваттметр, амперметр — — устан. защиты в А
вольтметр — — вольтметр , амперметр — — ваттметр
В основном режиме экрана, кнопки Кн1, Кн2, Кн3 оперативно реагируют на такие настройки;
Кн2 производит выбор (устанавливается миг. курсор) на регулировку ШИМ или установку порога сработки защиты амперметра
(сброс сработавшей защиты производится по нажатию любой кнопки или по таймеру)
в это время кнопки Кн1, Кн3 выполняют функцию уменьшения или увеличения, порога защиты ампер или значения ШИМ.
Одновременное нажатие кнопок Кн1, Кн2 вход в меню (установки верхней строки), где выставляются отображение функций ШИМ, ваттметр, вольтметр.
Одновременное нажатие кнопок Кн2, Кн3 вход в меню настройки функций амперметра защиты по току (нижняя строка правая часть экрана).
Движение по пунктам меню осуществляется кнопкой Кн2.
Настройка вольтметра: начинаем с первого поддиапазона, подаем на вход любое постоянное напряжение до 9.98V,
и сравнивая с тестовым вольтметром, настраиваем подстроечным резистором R- 2 одинаково видимые показания приборов,
аналогично поступаем и со вторым поддиапазоном,
подаем на вход напряжение от 10.1V и, сравнивая с тестовым вольтметром,
настраиваем подстроечным резистором R- 1 одинаковые показания напряжения.
Если будете использовать доп. вольтметр, настройка доп. вольтметра производится подстроечным резистором R- 3.
FUSE. МК тактируется от внутреннего RS осциллятора, на частоте 8MHz.
Все настройки и параметры устройства, выбранной пользователем конфигурации, сохраняются в памяти МК.
Архив проекта: схема, прошивка, фьюзы, proteus.
версия 1.0 диапазон измерения до 10.00А-20.00А-30.00А , установка защиты с шагом 0,1А
версия 1.1 д. изм. до 10.00А-20.00А-30.00А , уст. защиты шаг0,1А (по молчанию дисплей кириллица , но если ЖКИ латиница то перемычкой РС5 на землю).
версия 1.2 диапазон измерения до 1.000А-2.000А-3.000А , установка защиты с шагом 0,01А
Версия Вольтметр-амперметр-ват Программа для измерений постоянного тока, в лабораторном БП. Дисплей 16х4
-1-й вольтметр двухдиапазонный от 0 до +100V -2-й вольтметр с возможностью измерений от -30V до +30V. -показания в амперметрах от 0.00 до 10.00А ( 30.00А) -настраиваемый порог защиты по току -термостат точность 0.1°C -ваттметр, диапазон от 0.00 до 999.99Watt. -отображение внутреннего сопротивления подключенной нагрузки в оМ -использование регулируемого выхода ШИМ МК
В архиве :прошивка, proteus (отладочная версия) .
Цифровой амперметр (как и любой другой) предназначен для измерения силы тока в электрической цепи. Их включают в цепь, где электрическое поле генерируется источником постоянного или переменного тока последовательно с нагрузкой.
Для безопасного использования амперметра и ради сохранности его устройства необходимо понимать, что любой амперметр рассчитан на определённую силу тока.
Обычно на его корпусе указаны диапазоны, в которых он может работать. Каждому диапазону соответствуют отдельные резисторы, у каждого есть собственное сопротивление. Если включить амперметр в цепь со слишком большим напряжением, резистор может сгореть. В электронике и радиотехнике обычно используются приборы, которые измеряют токи в микроамперах или миллиамперах, реже в амперах.
Устройство и принцип работы
Внутри цифровой амперметр состоит из нескольких главных функциональных узлов. Это компаратор и преобразователь напряжения, а также резисторы, цифровой процессор и устройство вывода данных на дисплей.
Компаратор выполняет функцию аналогово-цифрового преобразователя, конвертируя аналоговые данные о силе тока в цифровой сигнал. После эти данные отображаются на экране.
У амперметров с таким устройством есть ряд преимуществ перед старыми аналоговыми моделями. У последних, использующих традиционный отсчётный механизм со стрелкой, есть неудобная черта – показывать значение силы тока не сразу, а спустя какое-то время после включения в цепь. Цифровое устройство, напротив, выводит информацию без задержки. Его быстродействие зависит от мощности компьютера, который обрабатывает сигнал.
К плюсам цифровых устройств можно отнести также помехоустойчивость и высокую точность. Поскольку амперметры этого типа сейчас пользуются популярностью и устанавливаются во многих типах сетей, разработаны простые, удобные и универсальные схемы их установки.
Отсутствие необходимости калибровать прибор также является важным достоинством устройств на основе микроконтроллеров. Ведь традиционные стрелочные индикаторы, как и любые устройства механического типа, нуждались в периодической проверке шкалы на точность, настройке и калибровке.
По этой причине современные модели, способные выполнять до 1000 операций в секунду, более удобны в эксплуатации и пользуются спросом.
Но их расширенные возможности имеют свою цену – эти амперметры требуют отдельного питания для электронных микросхем и дисплея, и стоят они дороже, чем аналоговые.
Технические характеристики
Цифровые амперметры имеют стандартизированные технические требования. Так, цифровая измерительная головка, используемая в их конструкции, соответствует классу 0,5 точности, то есть имеет максимум относительной погрешности 0,5%. Это относится к универсальным амперметрам и вольтметрам, в конструкцию которых входит компаратор с невысокой чувствительностью, к портативным мини-амперметрам, используемым в цепях с небольшим током. Более точные амперметры имеют порог погрешности до 0,2%.
В качестве АЦП в микроконтроллерах современных амперметров используется высокочувствительный (от 2,2 мк) компаратор. Для амперметров переменного тока рекомендуется использовать компараторы с чувствительностью 3 мк. Устройства постоянного, переменного и импульсного тока (последние, например, применяются при замерах силы тока в цепи электросварки) допускают погрешность в пределах 0,2%.
Разновидности
Существует несколько типов и конструкций амперметров на основе цифровых устройств, которые предназначены для разных целей и обладают соответствующими различными возможностями. Амперметры различаются по конструкции – например, в щитовом исполнении и устанавливаемые на DIN-рейку. Также они бывают адаптированы для работы в разных сетях.
Амперметры постоянного тока могут быть использованы, например, для контроля уровня силы тока в бортовой сети автомобиля и в других подобных сетях. Такие устройства обычно предназначены для определения силы тока в цепи с одной фазой, тогда как амперметры для промышленных сетей часто бывают трёхфазными.
Для определения и отображения на экране величины силы тока в трёхфазной сети обычно используются щитовые амперметры или более компактные и удобные модульные приборы, которые монтируются на DIN-рейку (специальный металлический профиль, предназначенный для крепления на нём таких устройств, как автоматический предохранитель или устройство защитного отключения).
У щитовых амперметров обычно имеется защита от вибраций, которые могут создавать помехи при измерении, от температурного воздействия или влаги.
В их конструкции может предусматриваться включение в цепь посредством трансформатора, если сила тока в сети достаточно большая.
Схема цифрового амперметра
Любая схема цифрового амперметра включает микроконтроллер со встроенным АЦП (аналогово-цифровым преобразователем). Также она подразумевает вывод на светодиодный экран на жидких кристаллах. В конструкции такого амперметра используются резисторы различного сопротивления (в зависимости от диапазона измеряемой силы тока) и стабилизаторы (для селективных устройств). Жидкокристаллический дисплей и микроконтроллер в составе амперметра обычно объединены в так называемую цифровую измерительную головку (ЦИГ).
Сейчас в продаже есть много конструкций такого устройства, на их основе можно собрать собственную схему амперметра или вольтметра.
Такая головка работает на измерение как силы тока, так и уровня напряжения. Их основное преимущество перед традиционными индикаторами, используемыми в старых аналоговых устройствах – высокая точность, хотя цифровая измерительная головка и требует дополнительного источника питания.
Для измерений используются шунты со стандартным номиналом сопротивлений: для обычных амперметров переменного тока и селективных устройств – не более 2 Ом, для универсальных обычно 3 Ом.
К отдельной категории амперметров относится демонстрационный прибор для лабораторий и классов научных заведений, который отличается широким диапазоном измерений (0,01–9,99 А) и обычно имеет режим гальванометра.
Правила подключения
Для получения правильных результатов измерения силы тока необходимо соблюдать определённые правила включения прибора в цепь и, конечно, технику безопасности. Например, ни в коем случае не подключайте амперметр напрямую к клеммам источника питания. Это вызовет короткое замыкание.
Силу тока всегда измеряют через последовательное подключение, причём в сильноточные сети амперметр включают с шунтом, трансформатором или магнитным усилителем.
Общая инструкция включения амперметра в цепь предусматривает установку правильного предела измерения и подбор соответствующего шунта или трансформатора. Номинал шунта должен соответствовать тому пределу измерения, который был выбран, например, посредством ручного селектора (на переносных моделях) или указан в маркировке прибора. Иначе резисторы амперметра могут перегореть (при превышении предела силы тока).
Перед включением прибора в цепь определите, какой в ней может быть максимальный ток.
Это значение можно рассчитать, например, по мощности потребителя или — как чаще всего делают — по закону Ома, имея в качестве исходных данных напряжение на клеммах источника тока и общее сопротивление цепи.
Затем вам нужно установить режим, в котором будет работать прибор. На моделях переносного типа это легко делается соответствующим ручным селектором, на программируемых модулях – с помощью специальных джамперов-перемычек. Суть в том, что в амперметре должны быть задействованы резисторы, способные выдержать соответствующий предел измеряемой силы тока. После этого вы можете подключить устройство к шунту или трансформатору (если измерение не предусматривает включение амперметра в цепь напрямую).
Здесь следует учесть, что использование шунта неверного номинала приведёт к ошибкам в измерениях.
Некоторые модели цифровых амперметров могут подразумевать какой-либо алгоритм настройки для подключения различных типов трансформаторов.
Следующий шаг – подача питания. С этого момента необходимо соблюдать осторожность при выполнении измерений, не прикасаться к любым незаизолированным частям проводников или микросхемы. После этого вы можете считать показания с дисплея.
В следующем видео представлен обзор цифрового амперметра и рассмотрен принцип его работы.
Читайте также: