Миллиамперметр цифровой своими руками

Обновлено: 06.07.2024

Цифровой вольтамперметр предназначенный для установки в блок питания для отображения выходного напряжения, тока и некоторых дополнительных параметров, выполнен в виде встраиваемого модуля.

Основные характеристики устройства:

основа устройства – микроконтроллер AVR ATmega8 компании Atmel;
диапазон измеряемого напряжения: 0 В – 30 В, шаг 10 мВ;
диапазон измеряемого тока: 0 А – 99 А, шаг 10 мА (шаг зависит от значения сопротивления шунта);
два вариатна конструкции: с микроконтроллером в TQFP и PDIP корпусе;
односторонняя печатная плата;
компактная конструкция;
отображение измеряемых величин на ЖК дисплее (однострочном или двухстрочном) на базе контроллера HD44780.

Измерение тока проводится с использованием шунта, который подключен последовательно с нагрузкой в цепи отрицательной (общей) клеммы блока питания. Питание устройство получает от основного блока питания (т.е. от блока питания который вы модернизируете). Дополнительной функцией, которую выполняет микроконтроллер, является управление вентилятором охлаждения радиатора выходного транзистора (транзисторов) блока питания.

При использовании двухстрочного дисплея (и соответствующего ПО для микроконтроллера) имеется возможность отображения значения сопротивления подключенной нагрузки. А при использовании блока питания для зарядки Li-Pol аккумуляторов имеется функция отображения электрической емкости аккумуляторов, что дает возможность оценить их состояние и уровень разряда.

Внутреннее разрешение вольтамперметра по диапазону измерения тока рассчитывается согласно выражения:

Разрешение[мА] = 1/(R[Ом]×3.2)

Кроме того, падение напряжения на шунте не должно превышать 2.4 В, поэтому значение сопротивления шунта должно быть меньше 2.4/Imax[A]

Автором было разработано два варианта вольтамперметра:

вариант №1: применен микроконтроллер ATmega8 в корпусе TQFP32;
вариант №2: применен микроконтроллер ATmega8 в корпусе PDIP.

Принципиальная схема вольтамперметра (вариант №1)

Список электронных компонентов (вариант №1)

Обозначение в схеме

Номинал

Корпус

Примечание

C4, C5, C6, C7, C8, C9

Данные конденсаторы, указанные на схеме,
устанавливать на плату не нужно.
Они были необходимы для прежней версии
ПО для микроконтроллера.

Опционально. Для защиты транзистора
от помехи по напряжению при включении
вентилятора.

На плату не устанавливается

Опционально. Для защиты транзистора
от помехи по напряжению при включении
вентилятора.

Регулятор напряжения +5 В

Регулятор напряжения +12 В

N-канальный MOSFET
(ток вентилятора менее 200 мА)

Принципиальная схема вольтамперметра (вариант №2)

Ниже представлена схема подключения модуля в блоке питания.

Рассмотрим подробно процесс настройки вольтамперметра.

После изменения значения опорного напряжения для сохранения параметра никаких манипуляций с кнопкой S1не должно проводится в течении 5 с.

Следующий параметр – установка значения сопротивления резистора-шунта.
Если номинал шунта известен, то нажатиями на кнопку S1 необходимо добиться отображения на дисплее соответствующего значения и затем не нажимать кнопку в течении 5 с для сохранения значения.

Если значение сопротивления шунта неизвестно, то необходимо на выход блока питания подключить амперметр, выставить некоторый ток при помощи регулятора ограничения тока блока питания и нажать кнопку S1. Кнопку необходимо нажимать пока показания амперметра и нашего устройства (с правой стороны на дисплее, с левой стороны отображается значение шунта) не станут равными.

После проведения этой процедуры для сохранения параметров кнопку не нажимать в течении 5 с.

Кроме того кнопка S1 используется для сброса значения электрической емкости при зарядке Li-Pol аккумуляторов.

Резистор R9 – точная настройка поддиапазона делителя напряжения.
Чтобы исключить ошибки преобразования АЦП диапазон измерений разбит на два поддиапазона 0 В – 10 В и 10 В – 30 В. Для настройки необходимо на выход блока питания подключить вольтметр и установить выходное напряжение на уровне около 9 В, и регулируя R9 добиться одинаковых показаний вольтметра и нашего устройства.

Резистор R10 – грубая настройка поддиапазона делителя напряжения.
Процедура аналогичная точной настройке, но необходимо установить выходное напряжение блока питания около 19 В, и регулируя резистор R10 добиться совпадения показаний.

Резистор R1 – регулировка контрастности LCD.
Если после сборки устройства на дисплее ничего не отображается, то сперва необходимо отрегулировать контрастность дисплея.

Коннектор J1 – подключение вентилятора.

Коннектор J2 – питание модуля вольтамперметра (+12 В)
Если ваш блок питания имеет выход стабилизированного напряжения +12 В, то его можно подключить к этому коннектору, и в таком случае можно не использовать в схеме регулятор напряжения U2. Такое решение имеет свои плюсы т.к. возможно подключить более мощный вентилятор охлаждения.

Если выхода +12 В у вашего блока питания нет, то этот коннектор необходимо оставить не подключенным.

Примечание. Во втором варианте схемы (PDIP) данный коннектор отсутствует.

Коннектор J3 – питание модуля вольтамперметра (+35 В)
Напряжение питания +35 В подается с диодного моста блока питания. Перед подключением необходимо уточнить параметры используемого регулятора напряжения U2 и уровень напряжения с диодного моста, чтобы не повредить регулятор U2. Но с другой стороны, минимальное напряжение, подаваемое на этот коннектор, не должно быть ниже 9 В или 6.5 В, если используются регуляторы с низким падением напряжения (LDO).

Данный коннектор должен быть подключен независимо от того, подключен ли коннектор J2 к питанию +12 В.

Коннектор J4 – подключение линий измерения напряжения и тока.
Выводы коннектора подключаются:

Коннектор LCD – подключение индикатора
Вольтамперметр работает корректно с однострочным LCD. Дисплей необходимо использовать со светодиодной подсветкой (ток потребления до 15 мА).

Программирование микроконтроллера

Микроконтроллер может быть запрограммирован с помощью отдельного программатора или же в внутрисхемно с помощью переходника, который подключается к коннектору LCD. Примерный внешний вид переходника изготовленного автором из кабеля IDE:

Помните, что при программировании микроконтроллера в схеме, необходимо подать напряжение питания +5 В. В зависимости от используемого программатора, напряжение питания может подаваться от самого программатора, либо от внешнего источника.

Соответствие сигналов переходника, коннектора LCD, микроконтроллера и программатора

UPD. заметил сразу несколько минусов своей конструкции.
Вроде все поправил, кто надумает повторять отпишитесь.

И снова простейшая в изготовлении вещица, встречайте!
Миниатюрный вольтметр-амперметр на Тини13 и дисплее от Nokia1110i
Собирается буквально на коленке из подручных материалов)
Самым долгим было систематизировать информацию и собрать все варианты в кучу, из этой кучи родилась своя печатная плата и через день сам приборчик)
Автора прошивки ищем на сайте хотя можете все для изготовления взять у меня в архиве, тем более внятной и нормальной печатки я там так и не нашел)
Измеряет постоянное напряжение до от 2,5в-100В, ток до 10А. Максимальные значения доступны при использовании токового шунта на подходящий ток и отдельном питании мозгов вольтметра.
ВНИМАНИЕ при напряжении питания более 20в вольтметру требуется отдельный стабилизатор напряжения для питания самой схемы и дисплея.
Попутно показывает потребляемую мощность.
Для изготовления смотрим список деталей, печатаем плату, паяем и прошиваем.
В ближайших планах сделать вольтметр и двухзонный термометр в автомобиль, на таком-же дисплее.
Исходники по ссылке

Ардуино – это система с поистине безграничным потенциалом. Микроконтроллеры используются как для автоматизации различных процессов, так и в качестве базы под интересные проекты и задумки. С помощью десятков датчиков и вспомогательных модулей для системы спаять можно что угодно, было бы желание. И незаменимая вещь в инвентаре каждого инженера – это амперметр.

Но если вы не хотите покупать брендовые устройства и тратить лишние деньги, давайте разберём, как сделать амперметр на Ардуино, и что вам для этого понадобится. А также, с какими трудностями вы можете столкнуться.

Введение

Амперметр используется для измерения тока через любую нагрузку или устройство. Здесь, мы объясним про измерение тока, используя закон ома. Это будет довольно интересно, а также хорошее применение фундаментальной науки, которую мы изучали в наши школьные годы.

V = IR

V = напряжение на проводнике в вольтах (v),
I = ток проходит через проводник в амперах (А),
R = постоянная сопротивления в Ом (Ω).

Чтобы найти текущий ток через устройство, мы просто переставляем уравнение, как показано ниже, или мы можем вычислить с помощью калькулятора закона Ома.

I = V / R

Поэтому, чтобы узнать ток, нам нужны некоторые данные:

Мы собираемся построить последовательное сопротивление вместе с устройством. Поскольку нам нужно найти падение напряжения на устройстве, для этого нам нужны показания напряжения до и после падения напряжения, что возможно в сопротивлении из-за отсутствия полярности.

Как и на приведенном выше рисунке, мы должны найти два напряжения, протекающие через резистор. Разница между напряжениями (V1-V2) на двух концах резисторов дает нам падение напряжения на резисторе (R), и мы делим падение напряжения на величину резистора, мы получаем ток (I) через устройство. Вот как мы можем вычислить текущее значение, проходящее через него.

Естественно, сам микроконтроллер послужит лишь базой, чтобы сделать амперметр Ардуино вам потребуется куда больше периферий. Давайте рассуждать логически, что необходимо в простом амперметре:

База, в которой будет находиться весь программный код. Ею выступит стандартная Arduino nano (можно и Uno), выбранная, не в последнюю очередь, благодаря своему размеру. Раз уж мы создаём что-то своё, почему не собрать измеритель силы тока, который вы не найдёте в магазине. Останется лишь подобрать соответствующий корпус.
Оболочка, в которую конечный результат будет всунут. Здесь всё зависит исключительно от вас. Кому-то привычнее видеть голые провода и платы, а кто-то хочет эстетики. Использовать можно как уже готовые квадратные боксы, в которых останется пропаять пару дырочек, так и специальные, вырезанные на 3-д принтере корпуса, если он у вас есть. Всё зависит исключительно от вашей фантазии.
Чтобы амперметр на Аrduino не был бесполезным набором проводов и выводил какую-то информацию, нам потребуется экран. Можете взять любой простой LCD экранный шилд, который найдёте у себя на балконе. А для особо заинтересованных в программной части подойдёт набор диодов, которые необходимо будет подключить комбинированным способом. Мы рассмотрим вариант с шилдом, так как он проще в реализации.
Несколько резисторов, один на 56 Ом, второй на 100 кОм, ведь нам нужно быть готовым к любому току, который подадут на наше устройство. Вместе с ними стоит прикупить и конденсатор на 10 мКф.
В зависимости от ваших потребностей, подберите датчик тока. Они бывают под различные номинальные и максимальные измерения, мы же возьмём простейший CT – Talema AC103, на 30 и 75 А соответственно. Его достоинством является небольшая стоимость и испытанное не одним проектом качество.

Здесь у любого инженера закрадётся вопрос, а что же собой представляет этот датчик тока? На деле, такой модуль – это просто магнитопровод с небольшим зазором и обмоткой для компенсации. Всё это можно было бы собрать самостоятельно, если бы не встроенные датчики Холла и плата для управления.

Выше обозначенный датчик размещают в зазорах магнитопровода. Он реагирует на создаваемое электромагнитное поле, которое образуется вследствие протекания тока по катушке. В зависимости от напряжения и напряжённости поля, датчик подаёт различные сигналы, усиливаемые микроконтроллером внутри него. Датчик стоит подбирать отдельно под переменный или постоянный ток. Бывают также и комбинированные, но в нашем случае мы выбрали универсальный вариант – модуль для измерения переменного тока.
Помимо периферии, вам также потребуется иметь при себе:

Место или специальный стол для пайки.
Припой и олово.
Паяльник.
Плоскогубцы.

Всё это – стандартный набор инструментов для соединения Ардуино со вспомогательными модулями и датчиками.

Если это ваш первый проект, стоит быть крайне осторожным, и придерживаться правил пожарной безопасности, особенно, если вы никогда ранее не паяли. Первым мы подключим LCD шилд, благо на нём уже расположены выходы для аналогового порта под измерение сигнала. Такое удобство позволит вам сэкономить немало времени.

А вот сквозь датчик необходимо провести кабель фазы, ведь нулевой провод нам здесь не подходит. Дело в том, что часть напряжения, приходящегося на ноль, может уходить в заземление, из-за чего показания бывают крайне неточными. А мы ведь хотим собрать не только маленький, но и практичный амперметр, которым вы сможете затем пользоваться в других своих проектах.

Также не забудьте откалибровать нагрузочный резистор, для этого подойдёт специальная формула расчёта:

R=N/I ,

в которой N – является опорным напряжением платы, а силу тока мы подставляем такую, какую потребляет ваша плата в активном режиме работы. Это позволит скомпенсировать все возможные отклонения и добиться максимально точных показаний, что полезно при измерении мощностей аккумуляторов и различных устройств.

Ближе всего при подстановке чисел, в нашем случае, окажется резистор на 56 Ом, его мы и возьмём. А вот, чтобы делить основное напряжение, подаваемое на питание платы, необходимо будет поставить пару одинаковых резисторов.

Кодирование МК Arduino для работы амперметра

Это самый важный момент, ведь без программного кода собранная конструкция останется просто грудой металлолома. Вы можете воспользоваться уже готовыми библиотеками, но в них есть весомый недостаток – придётся долго искать ПО, подходящее под ваши модули и резисторы. С другой стороны, для тех, кто никогда не занимался программированием и не знает даже основ алгоритмизации – это оптимальное решение.

Но можно и самостоятельно написать небольшую программку на С++, в ней будет пара функций для вывода на экран силы тока и вспомогательных параметров. Вам потребуется подключить библиотеку LiquidCrystal.h к проекту, чтобы код смог обрабатывать сигналы, поступающие с датчика тока.

После написания кода остаётся лишь калибровка получившейся установки, и здесь всё лучше делать при известной заранее нагрузке и мощности тока. Можете воспользоваться заготовленным амперметром или использовать простые лампы накаливания. Достаточно взять лампочку на 100 Ватт и воспользоваться школьной программой физики, чтобы рассчитать необходимую силу тока.

Или же взглянуть на упаковку, где она должна быть указана. Вам необходимо высчитать поправочный коэффициент, который вы затем вставите в уже написанный алгоритм, чтобы значения не искажались из-за сопротивления и напряжения на самой плате. В нашей конструкции он получился 11.8337.

В результате всех ваших трудов должен получиться компактный и практичный амперметр, подходящий для повседневного использования. Естественно, модули и резисторы можно комбинировать различными способами, чтобы на выходе получать показания, которые вам необходимы.

Например, если в выбранном нами датчике тока слишком малый диапазон измерений для вашего случая, то подыщите подходящий конкретно под ваши запросы. Также хорошим выбором станут комбинированные датчики, но они стоят недёшево из-за особенностей своей конструкции, и потому мы решили их не брать в тестовый проект, дабы лишний раз не тратиться.
Вы же вольны выбирать любые доступные на рынке устройства, главное, чтобы они удовлетворяли вашим требованиям.

Цифровой амперметр на светодиодах – удобный способ отображения информации, при котором имеет значение не только модуль измеряемой величины (что, кстати, значительно удобнее определять не по отклонению стрелочного индикатора, а по величине столбчатой диаграммы, или при помощи мини-дисплея), но и частоту изменения этого параметра.

Описание схемы

Светодиоды не отличаются большой мощностью, но использовать их в слаботочных электрических цепях допустимо и целесообразно. В качестве примера можно рассмотреть схему получения цифрового амперметра для определения силы тока в аккумуляторной батарее автомобиля, при номинальном диапазоне значений в 40…60 мА.

Количество использованных светодиодов определит пороговое значение тока, при котором в работу будет включаться один из светодиодов. В качестве операционного усилителя можно использовать LM3915, либо подходящий по параметрам микроконтроллер. На вход будет подаваться напряжение через любой низкоомный резистор.

Удобно отражать результаты измерения в виде столбчатой диаграммы, где весь, практически используемый диапазон тока будет разделяться на несколько сегментов по 5…10 мА. Плюсом LED является то, что в схеме можно использовать элементы разного цвета – красного, зелёного, синего и т.д.

Для работы цифрового амперметра потребуются следующие компоненты:

Микроконтроллер типа PIC16F686 с АЦП на 16 бит.
Настраиваемые джамперы для выхода конечного сигнала. Можно, как альтернативу, применить DIP-переключатели, которые используются в качестве электронных шунтов или сигнальных замыканий в обычных электронных цепях.
Источник питания постоянного тока, который рассчитан на рабочее напряжение от 5 до 15 В (при наличии стабильного напряжения, что контролируется вольтметром, подойдёт и 6 В).
Контактная плата, где можно разместить до 20 светодиодов типа SMD.

Последовательность размещения и монтажа амперметра

Монтаж платы с SMD-компонентами, по желанию пользователя, можно размещать либо горизонтально, либо вертикально. Смотровое окошко перед началом тарировки необходимо перекрывать тёмным стеклом (подойдёт фильтр с кратностью 6…10 х от обычной сварочной маски).

Тарировка цифрового амперметра состоит в подборе минимального значения нагрузки по току, при которой светодиод будет светиться. Варьирование настройки производится экспериментально, для чего в схеме предусматривается резистор с небольшим (до 100 мОм) сопротивлением. Погрешность показаний такого амперметра обычно не превышает нескольких процентов.

Вы знали, что можно переделать старый вольтметр в амперметр? Как это сделать — смотрите видео:

Как настраивать регулировочный резистор

Для этого последовательно устанавливают силу тока, которая проходит через определённый светодиод. В качестве контрольного прибора можно использовать обычный тестер. Вольтметр включается в схему перед микроконтроллером, а амперметр – после него. Для исключения влияния случайных пульсаций подключается также сглаживающий конденсатор.

Практическим плюсом изготовления прибора своими руками (светодиодов не должно быть менее четырёх) является устойчивость схемы при значительных изменениях первоначально заданного диапазона силы тока. В отличие от обычных диодов, которые при коротком замыкании выйдут из строя, светодиоды просто не загораются.

Св-диоды как измерители тока в аккумуляторной батарее автомобиля, не только экономят заряд и сохраняют аккумуляторы, но и позволяют более удобным способом считывать показания.

Аналогичным образом можно построить и цифровой вольтметр. В качестве источников света для такого варианта применения подойдут элементы на 12 В, а наличие дополнительного шунта в схеме вольтметра позволит более рационально использовать всю высоту столбчатой диаграммы.

Читайте также: