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.
Кнопка S1 – сброс/установка параметров.
Для входа в режим установки параметров вольамперметра необходимо, удерживая кнопку нажатой, подать питание на схему. На дисплее появится надпись «www.elfly.pl», что означает вход в режим установки.
Первый параметр для настройки – опорное напряжение для АЦП микроконтроллера. Опорное напряжение является основным фактором погрешности измерений. Пользователь должен измерить опорное напряжение на выводе 20 микроконтроллера (для микроконтроллера в корпусе PDIP – вывод 21). Измеренное значение вы и должны прописать в этом «сервисном меню» при помощи этой же кнопки S1, иначе, по умолчанию, принимается значение опорного напряжения Vref = 2.56 В (соответственно техническому описанию на микроконтроллер).
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:
- Вывод 1 – подключается к клемме «+» блока питания;
- Вывод 2 – подключается к клемме «–» блока питания;
- Вывод 3 – «общий»
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
Выводы
ЖК модуля
Сигнал
Выводы
микроконтроллера
Выводы
программатора
Этот прибор был разработан для измерения выходного напряжения и тока в блоке питания. Для измерения тока используется специальный шунтирующий резистор. Прибор может включать и выключать вентилятор, для обдува радиатора, при достижении определённого тока и напряжения. Уровень тока и напряжения, при котором вентилятор включается можно настроить при помощи специальной кнопки.
Технические характеристики
- Микроконтроллер ATmega8 в качестве основы прибора
- Дисплей на контроллере HD44780
- Диапазон измеряемого напряжения 0-30В
- Точность измерения напряжения 10 мВ
- Точность измерения тока 10 мА
- Оносторонняя печатная плата
- Совместимость с другими LCD-дисплеями на контроллере HD44780
Схема
В списке деталей, приведённом ниже, есть элементы с пометкой "не используется". Их не требуется устанавливать, т.к. они были необходимы предыдущей версии прибора. Возможно, схема и печатная плата будут исправлены позже.
Печатная плата
В архиве по ссылке есть две версии платы отзеркаленная и не отзеркаленная. Для разных способов изготовления печатной платы нужна та или иная версия для получения правильной платы. При монтаже печатной платы не забудьте припаять две перемычки и расположить микросхему U2 на радиаторе.
После того, как на плату запаяете все детали, необходимо:
— поставить 2 перемычки на плате
— поставить перемычку вместо L1
— посадить на радиатор элемент U2
— обратить внимание на полярность элементов D1 и D2
Список элементов
Прошивка
При использовании микроконтроллера в TQFP корпусе, его проще прошить после монтажа на плату. Я сделал так, что микроконтроллер можно прошить через разъем для подключения ЖК дисплея. В качестве кабеля для прошивки микроконтроллера я использую кабель от старого жесткого диска. Помните, что при прошивке на схему необходимо подавать +5V питания. В зависимости от конструкции вашего программатора, он сам подаст это напряжение, или его придется брать с дополнительного блока питания.
После подключения к микроконтроллеру программатора, проверьте, распознает – ли программатор микроконтроллер. Если все в порядке, вы можете прошивать микроконтроллер. FUSE-биты необходимо выставить на работу микроконтроллера от встроенного RC генератора с частотой 1 МГц. Если микроконтроллер новый, этого делать не требуется. Поле прошивки микроконтроллера вы можете подключать ЖК-дисплей. Рекомендуется подключать его при помощи разъёма, для возможности обновления прошивки в будущем.
| LCD Pin number | LCD signal | ΅C signal/Pin | Prog signal |
| 1 | GND | GND | GND |
| 2 | VCC | VCC | VCC |
| 4 | RS | SCK / PB.5 | SCK |
| 5 | RW | MISO / PB.4 | MISO |
| 6 | EN | MOSI / PB.3 | MOSI |
| 10 | D3 | RESET | RESET |
Подключение
Разъемы и элементы регулировки прибора
S1 – Кнопка настройки
При нажатии этой кнопки на дисплей выводятся значения шунтирующего резистора. Если номинал резистора известен, то нажимайте кнопку до появления на дисплее соответствующего значения. Если номинал резистора неизвестен, то установите на него точный мультиметр, и подбирайте значения резистора до тех пор, пока показания прибора и мультиметра не совпадут. После установки значения резистора, кнопка не должна быть нажата в течение 5 секунд. После этого необходимо назначить ток, при котором вентилятор будет включаться.
R9 – настройка точности в точном поддиапазоне измерений
Чтобы уменьшить ошибки АЦП ошибки, диапазон измерения разделен на два поддиапазона 0-10V и 10-30V. Для подбора точного значения резистора подключите вольтметр к выходу блока питания с напряжением 9V, и меняйте значение резистора до тех пор, пока показания вольтметра и прибора будут равны.
R10 – настройка точности в грубом поддиапазоне измерений
Примерно тоже самое что R9, но для диапазона измерений 10-30V. На выходе блока питания необходимо напряжение около 19V.
R3 – настройка контрастности ЖК-дисплея
Проворачивайте потенциометр до тех пор, пока на ЖК-дисплее не появится четкое изображение.
J1 – подключение вентилятора
Прикрепите + вентилятора к 1 выводу разъема, — ко второму.
J2 – +12V
Если у вас в блоке питания есть постоянная линия +12 В, подключите её эти к контактам. В этом случае вы не должны монтировать U2 на печатной плате. Это хорошо, т.к. вы убираете лишний источник тепла. Если у вас нет постоянной линии +12 В, то оставьте контакты неподключенными.
J3 – +35V
Напряжение с диодного моста, которое идет на U2. Возможно, на этот контакт нужно подавать меньшее напряжение – всё зависит от типа использованной вами U2. Этот вывод должен быть подключен, даже если +12V уже подключено к J2.
J4 – сигнал для измерения напряжения и тока
Прибор предназначен для измерения тока и напряжения в блоке питания. Значение тока вычисляется из падения напряжения на шунтирующем резисторе.
Контакт 1 — измерение напряжения — подключается к + блока питания.
Контакт 2 — измерение тока – подключается к — блока питания.
Контакт 3 — GND – подключается к выводу шунтирующего резистора, противоположному подключенному к блоку питания.
Дата публикации: 15 января 2010 .
Это мультиметр предназначен для измерения напряжения и тока в блоках питания. Шунт от 0,05 Ома до 2 Ом должен быть включен последовательно с нагрузкой. Может питаться от измеряемого напряжения основного блока питания в пределах 12-30 Вольт.
Одна из дополнительных функций мультиметра является то, что он может контролировать (включение и выключение) вентилятора для охлаждения основного радиатора. Мощностной порог, при котором включается вентилятор можно настроить с помощью кнопки One Touch (на схеме SB1).
Технические характеристики
— собран на микроконтроллере ATmega8 фирмы ATMEL , он используется для обработки всех функций мультиметра;
— измеряемое напряжение 0-30V;
— дискретность измеряемого напряжения 10mВ;
— измеряемый ток тока 0-99А;
— дискретность измеряемого тока 10mA (в зависимости от текущего значения резистора*);
— одностороняя печатная плата;
— взаимодействие со стандартными ЖК на основе контроллера HD44780.(Можно подключить дисплеи с количеством знакомест:8х2 , 16х1, 16х2)
* Внутренняя дискретность тока вычисляеися по формуле:
дискретность [мА] = 1 / (R [ом] * 3,2)
Если внутренняя дискретность хуже, чем 10mA, мультиметр отображает текущую внутреннюю дискретность, если он лучше — с одной 10mA. Кроме того падение напряжения на шунте резистора не должно превышать 2.4V, так R [ом] должно быть меньше, чем 2.4/Imax [A]
Программирование
Микроконтроллер Atmega8 программируется одной из нескольких прошивок исходя из-за параметров: тип дисплея, возможность индикации сопротивления нагрузки и емкости заряжаемого аккумулятора. Контроллер программируется для работы от внутреннего генератора частотой 1MHz, также рекомендуется выставить пороговое отключение микроконтроллера на 4 Вольта.
Установка fuse-битов
Таблица прошивок
 |
ЖК-16×1 |
| АмперВольтметр на Atmega8 LCD 1×16 | |
| Описание: | |
| Размер файла: 6.2 KB Количество загрузок: 6 495 | Скачать |
показывает сопротивление нагрузки
Емкость в мАч при зарядке Li-Pol аккумуляторов
ЖК-16×2
показывает сопротивление нагрузки и емкость в мАч при зарядке Li-Pol аккумуляторов
Настройка
При нормальной работе нажатие на кнопку SB1 не дает никакой реакции. Чтобы войти в режим программирования на выключенном приборе нажмите и удерживайте кнопку S1, подайте питание и через 2 с. отпустите кнопку, на дисплее высветиться www.elfly.pl — Вы вошли в режим программирования.
1. Первый параметр это опорное напряжение, оно является основным фактором влияющим на погрешность измерения поэтому Vref варьируется в довольно широком диапазоне. По умолчанию Vref=2,56V, вы можете измерить опорное напряжение между землей и 21 выводом контроллера(Aref) и потом записать этот параметр в настройки. После не нажимайте кнопку в течение 5-8 с. при этом будет выведен следующий параметр.
2. Введите сопротивление шунта если оно известно.
3. Порог автоматического включения вентилятора охлаждения если он подключен.
Зарядное устройство — пример использования ампервольтметра
