Принципиальная схема и описание самодельного цифрового амперметра, выполненного на микроконтроллере ATtiny13, программа и печатная плата.

Как-то раз в руки к автору этих строк попало весьма интересное устройство,рожденное в СССР, в далеком 1976 году -его просто отдали за ненадобностью. Звали это устройство АДЗ-101У2, и оно представляло собой типичный образчик советского конструктивизма: тяжелый двадцатикилограммовый "чемодан", с ручкой для переноски в верхней части и мощным однофазным трансформатором внутри.

Но самое интересное, что у этого "чемодана" напрочь отсутствовала задняя панель - и вовсе не потому, что прибор успел ее "посеять", нет. А дело здесь было в том, что обе его панели являлись... передними! С одной своей стороны "чемодан" представлял собой сварочный аппарат, а с другой - зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов.

И если как "сварочник" он особых эмоций не вызвал - еще бы, ведь всего-то 50 А переменного тока; то вот "зарядник" - вещь в хозяйстве, безусловно, нужная. Испытания прибора подтвердили его полную боеспособность (даже сварка работала!), но без недостатков, разумеется, не обошлось.

Суть проблемы состояла в том, что штатный амперметр "зарядника" скрылся в неизвестном направлении, и предыдущий владелец аппарата подыскал ему вполне "равноценную" замену - автомобильный амперметр, скрученный с какого-то военного грузовика, и имеющий очень "информативную" шкалу в ±30 А!

Понятно, что следить за зарядом аккумулятора (а ток зарядки - всего лишь 3-6 А!) при помощи такого вот прибора, мягко говоря, проблематично - как будто и нет его вовсе...

Поэтому решено было заменить "грузовиковый показометр" на какой-либо более или менее адекватный прибор, с внятной шкалой на 0-10 А. Идеальным кандидатом на эту роль представлялся стрелочный щитовой амперметр со встроенным шунтом - один из тех, которые раньше использовались практически во всех "зарядниках" советского производства, да и много где еще.

Однако, первая же прогулка по электромагазинам и "развалам" принесла разочарование: оказывается, ничего, хотя бы отдаленно напоминающего искомый прибор, уже давным-давно в продаже нет...

А так-так в то время автор еще не был знаком с бескрайними просторами китайских чудосайтов, то руки вновь потянулись к паяльнику, в результате чего и было разработано устройство, схема которого приведена на рис.1, а характеристики - в табл.1:

Таблица 1. Характеристики устройства.

Принципиальная схема

Для вывода результатов измерения в данном амперметре решено было использовать пару 7-сегментых LED-индикаторов. Такие индикаторы, несмотря на некоторую свою архаичность по сравнению с новомодными LCD-модулями типа 16хх, обладают также и рядом неоспоримых преимуществ: они гораздо надежнее и прочнее; не портятся и не мутнеют от контакта с нефтепродуктами (а замасленные руки в гараже - дело обычное, цифры на LED-индикаторах ярче и гораздо "читабельнее" - особенно издали; и к тому же, никакой холод в гараже светодиодам не страшен - в отличие от ЖК, который на морозе попросту "слепнет".

Ну а последним доводом в пользу светодиодной матрицы - в контексте данной разработки - стал тот факт, что длинный 1602 просто-напросто не вписывался по размерам в штатное отверстие для амперметра (круглое и очень небольшое!) на корпусе ЗУ. Определившись с типом индикатора, встал другой вопрос - какой же микроконтроллер использовать в качестве основы для данного устройства.

В том, что эту схему нужно строить именно на МК, сомнений никаких не возникало -делая амперметр на "КМОП-россыпи", можно повредиться рассудком. На первый взгляд, самым очевидным решением является "рабочая лошадка" ATtiny2313 -этот МК имеет достаточно развитую архитектуру, и вполне подходящее для подключения LED-матрицы количество линий ввода-вывода.

Однако, здесь все оказалось не так уж и просто - ведь для измерения тока в состав МК обязательно должен входить аналогово-цифровой преобразователь, но инженеры фирмы Atmel почему-то не оснастили "2313-й" данной функцией... Другое дело семейство Меда: эти чипы обязательно имеют "на борту" модуль АЦП.

Но, с другой стороны, даже ATMega8в - как самый простой представитель "старшего" семейства - обладает гораздо большей функциональностью, чем того требует построение простого амперметра. А это уже не самое лучшее решение с точки зрения классического подхода к проектированию!

Под "классическим подходом к проектированию" здесь подразумевается так называемый "принцип необходимого минимума" (горячим приверженцем которого, в пику новомодным "Ардуинам", является и автор этих строк), согласно которому любую систему следует проектировать с использованием минимально возможного количества ресурсов; а окончательный результат должен содержать в себе как можно меньше незадействованных элементов. Поэтому, в соответствии с этим принципом - простому прибору -простой микроконтроллер, и никак иначе!

Правда, и не все простые МК подойдут для поставленной задачи. Взять, к примеру, ATtinyl3 - в нем есть АЦП, он прост и недорог; да вот только линий ввода-вывода - для подключения матрицы из двух "семисегментников" - у него явно маловато...

Хотя, если немного пофантазировать, то такая проблема вполне разрешима - при помощи копеечного счетчика К176ИЕ4 и несложного алгоритма, этим счетчиком управляющего.

Вдобавок, у такого подхода есть даже положительные стороны - во-первых, отпадает необходимость "навешивать" на каждый сегмент индикатора по токоограничительному резистору (генераторы тока уже имеются в выходных каскадах счетчика); а во-вторых, в данной схеме можно использовать индикатор как с общим катодом, так и с общим анодом - для перехода на "общий анод" нужно изменить подключение транзисторов VT1 и VT2, выв. 6 DD2 подключить к линии +9 В через резистор 1 кОм, а левый вывод R3 соединить с "землей".

Рис. 1. Принципиальная схема самодельного амперметра (до 10А) на микроконтроллере ATtiny13.

Для того, чтобы управлять счетчиком при помощи МК, нужно задействовать всего две линии: одну - для сигнала счета (С), а другую -для сигнала сброса (R).

Причем, в ходе испытания устройства выяснилось, что КМОП-микросхема К176ИЕ4, будучи подключенной напрямую к линиям МК, вполне надежно работает с его ТТЛ-уровнями - без какого-либо дополнительного согласования.

А еще две линии МК управляют ключами VТ1-VТ2, создавая динамическую индикацию. Фрагмент исходного кода, где реализована процедура управления счетчиком DD2, приведен в листинге:

Рис. 2. Процедура управления К176ИЕ4.

Процедура написана на низкоуровневом языке AVR-Assembler; однако, она легко может быть переведена и на любой язык высокого уровня. В регистре Temp процедура получает число, которое необходимо отправить в счетчик К176ИЕ4 для отображения на индикаторе; линия 1 порта В микроконтроллера подключена ко входу сброса счетчика (R), а линия 2 - к его счетному входу (С).

Чтобы избежать мерцания чисел в момент переключения счетчика, перед вызовом данной процедуры необходимо погасить оба разряда, закрыв транзисторы VT1 и VT2 подачей лог.О на линии 0 и 4 порта В МК; ну а после того, как процедура отработает, уже можно зажигать тот или иной разряд индикатора. Кстати, благодаря счетчику К176ИЕ4, к любому МК можно подключить индикаторную матрицу 7x4, задействовав для этого только 6 линий ввода-вывода (две - для управления счетчиком, и еще четыре - для динамического переключения разрядов).

А если в "напарники" к К176ИЕ4 добавить еще один счетчик -декадный К176ИЕ8 - чтобы использовать его для "сканирования" разрядов; то появится возможность подключить к МК индикаторную матрицу величиной до 10 знакомест, выделив для этого всего лишь 5 линий ввода-вывода (две - для управления К176ИЕ8; две - для К176ИЕ4; и еще одна - для гашения индикатора в момент счета К176ИЕ4)!

В подобном случае алгоритм динамической индикации будет сводиться к управлению счетчиком К176ИЕ8, что во многом аналогично алгоритму передачи цифры в счетчик К176ИЕ4, приведенному в листинге выше.

К недостаткам же такого подключения индикаторной матрицы - помимо использования "лишней" микросхемы - можно отнести необходимость введения в схему дополнительного питания +9 В, т.к. попытки запитать КМОП-счетчики от +5 В, увы, не увенчались успехом...

В качестве индикатора в данном устройстве применим практически любой сдвоенный "семисегментник" с общими катодами, предназначенный для работы в схемах с динамической индикацией. Допустимо использовать и четырехразрядную матрицу, задействовав у нее только два из четырех имеющихся разрядов.

Правда, в процессе работы над схемой амперметра всплыла небольшая проблема - с подключением десятичной запятой: ведь она должна светиться в старшем разряде, и не гореть - в младшем.

И если все делать "по уму", то неплохо было бы выделить - для динамического управления этой самой запятой - еще одну ножку МК (т.к. в К176ИЕ4 никаких средств для управления запятыми не предусмотрено) - чтобы на нее "повесить" вывод индикатора, отвечающий за запятые.

Но, поскольку все линии ввода-вывода МК уже были заняты, то бороться с этой проблемой пришлось отнюдь не самым изящным способом: обе запятые решено было оставить постоянно зажженными, запитав соответствующий вывод индикаторной "матрицы" от линии +9 В через токоограничительный резистор R3 (подбирая его сопротивление, можно выровнять яркость свечения запятой относительно остальных сегментов); а лишнюю запятую в младшем разряде (крайнюю правую) просто замазать каплей черной нитрокраски.

С технической точки зрения такое решение сложно назвать идеальным; но в глаза "загримированная" подобным образом запятая совершенно никак не бросается...

В качестве датчика тока используются два параллельно соединенных резистора R1 и R2, мощностью по 5 Вт каждый. Вместо пары R1 и R2 вполне можно установить и один резистор сопротивлением 0,05 Ом - в таком случае его мощность должна быть не менее 7 Вт.

Более того, в "прошивке" микроконтроллера предусмотрена возможность выбора сопротивления измерительного шунта - в данной схеме может быть применен как 0,05-омный, так и 0,1-омный датчик тока.

Для того, чтобы задать микроконтроллеру сопротивление шунта, использующегося в конкретном случае, необходимо записать определенное значение в ячейку памяти EEPROM, расположенную по адресу 0x00 - для сопротивления 0,1 Ом это может быть любое число меньше 128 (в таком случае МК, будет делить результат измерений на 2); а при использовании шунта сопротивлением 0,05 Ом в эту ячейку, соответственно, следует записать число больше 128.

И если планируется эксплуатировать устройство с приведенным на схеме 0,05-омным шунтом, то о записи указанной ячейки можно и вовсе не беспокоиться, т.к. у нового (или "стертого в ноль") МК во всех ячейках памяти итак будет число 255 (0xFF).

Питать прибор можно как от отдельного источника - напряжением не менее 12 В, так и от силового трансформатора самого зарядного устройства. Если питание будет производиться от трансформатора ЗУ, то желательно задействовать для этого отдельную обмотку, никак не связанную с зарядной цепью; однако, допускается питать амперметр и от одной из зарядных обмоток.

В этом случае напряжение питания нужно брать до выпрямительного моста "зарядника" (т.е., непосредственно с обмотки), а в разрыв обоих проводов питания амперметра включить по резистору 75 Ом/1 Вт. Резисторы необходимы для зашиты "отрицательных" диодов моста VD1-4 от прохождения через них части зарядного тока.

Дело в том, что если подключить прибор к зарядной обмотке, не установив этих резисторов то, учитывая общую "землю" у моста VD1-4 и диодного моста зарядного устройства, около половины зарядного тока аккумулятора будет возвращаться в обмотку не через мощные диоды выпрямителя ЗУ, а через "отрицательное" плечо моста VD1-4, вызывая сильный нагрев маломощных 1N4007.

Установка же этих резисторов ограничит ток питания прибора и оградит диодный мост VD1-4 от протекания зарядного тока, который теперь, практически полностью, будет течь по "правильной" цепи - через мощные диоды выпрямителя ЗУ.

Принципиальная схема

Печатная плата для данного амперметра разрабатывалась под конкретные посадочные места в корпусе конкретного ЗУ; ее чертеж приведен на рис.3.

Индикаторная матрица устанавливается отдельно - на небольшой платке (отрезке "макетки" 30x40), которая крепится к основной плате болтами М2,5 через дистанционные втулки, со стороны монтажа; и соединяется с ней 10-жильным шлейфом.

Еще одной частью получившегося "бутерброда" является декоративная передняя панель из оргстекла, покрашенная с обратной стороны нитрокраской из баллончика (незакрашенным должен остаться только небольшой прямоугольник - "окошко" для индикатора).

Передняя панель также крепится к основной плате со стороны монтажа (болтами М3 с дистанционными втулками - ими же прибор крепится и к корпусу ЗУ). Печатные дорожки сильноточной цепи, идущие к резисторам R1 и R2, следует выполнить как можно более широкими, и припаять к ним выводы резисторов на всю длину, заодно усилив монтаж толстым слоем припоя.

В качестве выводов для подключения прибора к ЗУ желательно использовать два болта М3, припаяв их головки к плате, и закрепив с другой стороны гайками.

Рис. 3. Печатная плата для схемы цифрового амперметра на микроконтроллере.

Программа

При записи "прошивки" в МК его необходимо настроить для работы на частоте 1,2 МГц, от внутреннего тактового генератора. Для этого частоту тактирования следует выбрать равной 9,6 МГц, и включить внутренний делитель такта на 8.

Для увеличения надежности работы также желательно активировать внутренний супервайзор питания (модуль BOD), настроив его на сброс МК при "просадке" питающего напряжения ниже 2,7 В.

Все настройки производятся при помощи записи соответствующих значений в конфигурационные Fuse-ячейки: SUT1=1, SUT0=0, CKDIV8=0, BODLEVEL1 =0, BODLEVELO=1, WDTON=1. Остальные "фъюзы" можно оставить по умолчанию.

Прошивка для микроконтроллера и печатная плата формата Sprint Layout - Скачать .

Рис. 3. Плата амперметра на Attiny13 в сборе.

Рис. 4. Плата амперметра на Attiny13 в сборе (вид с обратной стороны).

Ампервольтметр предназначен для измерения тока 0-9,99А и напряжения 0-100В с разрешением 0,01А и 0,1В соответственно.

Операционный усилитель можно заменить на LM2904, LCD дисплей должен быть на контроллере HD44780. Количество символов 2х8... Так же можно применить 2х16 символьный дисплей, но в таком случае останется незадействованной бОльшая часть дисплея. В такой ситуации в устройстве, куда будет встраиваться ампервольтметр рекомендуется вырезать окошко только под рабочую часть дисплея на которой будет выводиться информация. Важно! Непосредственно на дисплеях, как правило, установлен токоограничительный резистор в цепи питания подсветки. Если резистора нет, то его необходимо установить самостоятельно в разрыв цепи идущей на LED +. Сопротивление резистора 6...100 Ом в зависимости от желаемой яркости подсветки...

Настройка устройства проста: сначала резистором "контрастность" устанавливаем необходимую контрастность дисплея, а резисторами "уст U" и "уст I" регулируем точность показаний вольтметра и амперметра. Регулировку желательно производить на верхних пределах показаний вольтметра и амперметра. Если после регулировки амперметр без нагрузки отображает какое-либо значение тока - подбираем операционный усилитель чтобы без нагрузки значение тока было 0,00А!

Фото устройства!

Подключение ампервольтметра к блоку питания.

Список радиоэлементов

Простой вольтметр переменного напряжения с частотой 50 Гц, выполнен в виде встраиваемого модуля, который может использоваться как отдельно, так и быть встроен в готовое устройство.
Вольтметр собран на микроконтроллере PIC16F676 и 3-разрядном индикаторе и содержит не очень много деталей.

Основные характеристики вольтметра:
Форма измеряемого напряжения - синусоидальная
Максимальное значение измеряемого напряжения - 250 В;
Частота измеряемого напряжения - 40…60 Гц;
Дискретность отображения результата измерения - 1 В;
Напряжение питание вольтметра - 7…15 В.
Средний ток потребления - 20 мА
Два варианта конструкции: с БП на борту и без
Односторонняя печатная плата
Компактная конструкция
Отображение измеряемых величин на 3-разрядном LED-индикаторе

Принципиальная схема вольтметра для измерения переменного напряжения

Резисторы R6 и R7 создают на входе АЦП напряжение 2,5 вольта (половина питания). Конденсатор C5, относительно малой ёмкости, шунтирует вход АЦП и способствует уменьшению ошибки измерения. Микроконтроллер организует работу индикатора в динамическом режиме по прерываниям от таймера.

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!

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.

Сегодня расскажу как сделать универсальный несложный измерительный прибор с возможностью измерения напряжения, тока, потребляемой мощности и ампер-часов на дешёвом микроконтроллере PIC16F676 по следующей схеме.

Схема принципиальная вольтамперваттметра

Печатная плата на DIP деталях получилась 45х50 мм. Также в архиве есть печатная плата для SMD деталей.

Для микроконтроллера PIC16F676 имеются две прошивки : в первой - возможность измерения напряжения, тока и мощности - vapDC.hex , а во второй - тоже, что и в первой, только добавлена возможность измерения ампер/часов (не всегда нужна) - vapcDC.hex .

Резистор, обозначенный серым на печатной плате, подключается в зависимости от индикатора: если используем индикатор с общими катодами, то резистор (1К), идущий от 11-ой ноги МК, подключается к +5, а если индикатор с общим анодом, то резистор подключаем к общему проводу.

В моём случае индикатор и общим катодом, резистор расположил под платой, от 11-ой ноги МК к +5.

Кратковременное нажатие кнопки "В " активизирует индикацию режима работы: напряжение «-U-», ток «-I-», мощность «-P-», счетчик ампер/часов «-C-». Некоторые экземпляры ОУ LM358 имеют положительное смещение на выходе, его можно компенсировать цифровой коррекцией измерителя. Для этого необходимо перейти в режим измерения тока, «-I-». Удерживать 7-8 сек кнопку "Н " до появления на индикаторе надписи «-S.-». Затем кнопками «В » и «Н » корректируем смещение «0». Если кнопки нажаты, на индикаторе непосредственно константа, отжаты - откорректированные показания тока. Выход из режима - одновременное нажатие клавиш "В " и "Н ". Результат - индикация «-3-», то есть запись в энергонезависимую память. Счетчик ампер/часов обнуляется удержанием кнопки "Н " 3-4 сек.

В своём случае ставлю только кнопку "В ", для переключения режима работы. Кнопку "Н " не ставлю, так как коррекция тока не требуется, если ОУ LM358 новый, то он практически не имеет смещения, а если и имеет, то незначительное. Сегментный индикатор ставлю не отдельной плате, которую можно легко прикрепить к корпусу устройства, например, встроить в переделанный БП ATX .

К собранному устройству подключаем питание, подаём измеряемое напряжение и ток, корректируя подстроечными резисторами показания вольтметра и амперметра по показаниями мультиметра.

В итоге вся конструкция вольтамперватметра обошлась в 150 рублей, без фольгированного стеклотекстолита. С вами был Пономарёв Артём (stalker68 ), до новых встреч на страницах сайта Радиосхемы !

Обсудить статью ВОЛЬТАМПЕРВАТТМЕТР