MULTIMETR - ATMEGA8. Pomiar: U,I, P,Ah,kWh,t

Transkrypt

1 MULTIMETR - ATMEGA8. Pomiar: U,I, P,Ah,kWh,t opr. Piotr Bryl SP2DMB Projekt dotyczy budowy prostego multimetru opartego na mikroprocesorze jednoukładowym ATMEGA8. Płytka umożliwia budowę miernika do pomiaru napięcia, prądu, mocy, amperogodzin, kilowatogodzin i temperatury. Ponadto na płytce znajdują się wolne piny, które mogą być wykorzystane do sterowania np. przekaźników, przycisków. W ten sposób można wykorzystać płytkę do innych własnych projektów! Montaż miernika oparty o elementy tradycyjne przewlekane THT. Zastosowano tani mikroprocesor ATMEGA8 w obudowie DIL28. Wzmacniacz operacyjny to popularny LM358 lub lepszy MCP607. Ich opis znajduje się w dalszej części niniejszej dokumentacji. Samą płytkę można wykorzystać do nauki programowania oraz budowy przyrządów pomiarowych o innym przeznaczeniu. Do tego potrzebny będzie programator np. STK200 oraz oprogramowanie np. BASCOM AVR. DANE TECHNICZNE MULTIMETRA (wartości maksymalne): Zakres napięć mierzonych 0 30V Zakres prądów mierzonych 0 25A* Pomiar mocy max 750W Licznik Ah 0 99Ah Pomiar temperatury DS18B20-55d o120c Napięcie zasilania układu +8 do 30V względem masy Pobór prądu miernika ok. 20mA Wymiar płytki 50x80mm Płytka jest jednostronna, cynowana, z soldermaską oraz rysunek montażowy elementów *UWAGA: dokładnośc pomiaru prądu zależy od up oraz zastosowanego wzmacniacza operacyjnego i rezystora pomiarowego i wynosi ~2%.

2 OPIS 1. Zasilanie Zasilanie oparte jest na regulatorze 7805 (TO220) Podyktowane jest to tym, że napięcie wejściowe zasilające układ, może wynosić maksymalnie 35V. Na początku toru znajduje się dioda 1N4148, która chroni układ przed odwrotnym podłączeniem zasilania. Minimalne napięcie zasilające wynosi 8V. Płytka może być zasilana na dwa sposoby. Z zewnętrznego zasilacza, wtedy przełącznik SW1 jest w pozycji 1. Drugi sposób polega na pobieraniu napięcia zasilania ze źródła napięcia zasilającego urządzenie tzw. zasilania wspólne. Przełącznik SW1 jest wtedy w pozycji 2. W przypadku pomiarów poniżej 7,5V, należy stosować zasilanie zewnętrzne (poz. 1 SW1) 2. Procesor W mierniku użyto procesor ATMEGA8-16PU. Pracuje on wraz z zewnętrzym kwarcem 8MHz. Na płytce znajdują się dodatkowe piny, które służą do programowania (1-RST, 7- +5V, 17-MOSI, 18-MISO, 19-SCK, minus do masy). Wolne piny to: PD0, PD1, PC5, PC4, PC3 i PC2. Napięcie referencyjne wynosi 5V i jest podawane na procesor przez dławik 100uH. Procesor montowany jest w podstawkę DIL28. Ustawienia fuse bitów: CKSEL: 1111:1111, 0CKOPT: 0 3. Wyświetlacz Zastosowano typowy wyświetlacz LCD 2x16 znaków. Ta ilość wystarcza do pokazania rożnego rodzaju mierzonych wartości. Sterownik wyświetlacza musi być zgodny z HD Na schemacie podano do celów projektowych, konfigurację pinów do wyświetlacza. Rezystor R10 ogranicza prąd zasilający podświetlenie wyświetlacza. Potencjometrem P3-10k ustawiamy kontrast. Przed podłączeniem napięcia ustawiamy suwak na środku. Po podłączeniu regulujemy w celu uzyskania wyraźnej widoczności znaków. Wymiary zewnętrzne wyświetlacza: 80 x 36mm. 4. Pomiar napięcia. Napięcie mierzone trafia na dzielnik R3, P2, R4. Potencjometr typu helipot służy do regulacji prawidłowo wyświetlanej wartości napięcia. Do kalibracji należy wykorzystać inny miernik cyfrowy. Pokazywana wartość powinna być identyczna na obu miernikach. Na procesor nie można podać napięcia większego od 5V. Dlatego w torze pomiaru napięcia znajduje się dioda zenera 5V1. Obcina napięcia większe od tej wartości. Wynik z tego, że wraz z tym dzielnikiem można mierzyć maksymalnie 50V. Nie można jednak wtedy zasilać układu z poz. 2 włącznika SW1, ponieważ na stabilizator trafi napięcie większe od 35V! Mierzone napięcie trafia na wejście ADC pin Pomiar prądu Do pomiaru prądu wykorzystano zjawisko spadku napięcia na rezystorze, przez który płynie prąd. Pomiar dokonywany jest w torze masy zasilającej urządzenie. Rezystory pomiarowe R11 i R12 są typu SMD i lutowane są od strony ścieżek (linia przerywana na schemacie montażowym).

3 Spadek napięcia jest podany przez rezystor R6 na wejście wzmacniacza operacyjnego LM358 lub MCP607. Wzmocnienie układu znajduje się w granicach G = 6 do15. Wzmocnione napięcie trafia na wejście ADC procesora PC1 pin Schemat ideowy miernika

4 7. Schemat montażowy MULTIMETRA: 8. Podłączanie MULTIMETRA do źródła pomiarowego. Mierzone napięcie i prąd podłączamy od strony ścieżek. Na rysunku powyżej znajdziemy pady podłączeniowe linia przerywana (są od spodu). +INP tu podłączymy plus z zasilacza. Przechodzi ono przez bezpiecznik F1 do punktu +OUT i dalej do odbiornika -INP to podajemy minus z zasilacza jest on na masie. -OUT wyjście minus z zasilacza do odbiornika W przypadku zasilania silników, mogą występować zakłócenia w pracy mikroprocesora. 9. Pomiar temperatury Miernikiem możemy dokonać pomiaru temperatury. Na dole z lewej strony (patrz schemat montażowy) znajdują się goldpiny do podłączenia czujnika DS18B20. Sygnał należy podać na wolny port mikroprocesora. Można zastosować inny czujnik, ale należy zwrócic uwagę na prawidłowe podłączenie zasilania i wyjścia sygnału.

5 UWAGI MONTAŻOWE Z uwagi na mały pobór prądu przez MULTIMETR, stabilizator 7805 nie wymaga chłodzenia. Elektrolit C3 100uF montujemy w pozycji poziomej. Na schemacie montażowym pokazano linią przerywaną potencjometr P1. Jeśli nie będziemy mieli go w wersji 3296X (pokrętło z boku), można wlutować wersję 3296W. Nóżki należy odgiąć o 90 stopni i montować poziomo. Nad procesorem znajduje się kros. Podaje on napięcie 5V na wzmacniacz operacyjny i podświetlenie matrycy. Pod układy scalone najlepiej zastosować podstawki. Ułatwi to ich demontaż w przypadku uszkodzenia. Wyświetlacz łączymy z płytką przy pomocy złączki typu GOLDPIN 1x16 wtyk + gniazdo. Ponadto czterema wkrętami łączymy płytkę z wyświetlaczem. Dodatkowo stosujemy tuleki dystansowe o długości 12mm. Na wystający wkręt (przy wyświetlaczu) mocujemy następną tulejkę z gwintem wewnętrznym M3 o długości 6-8mm. Tulejka ta pozwoli nam zamontować miernik do obudowy. Do zasilania, dostępu do wejść mikroprocesora, czujnika temperatury użyto konektorów typu goldpin. W modelowym wykonaniu użyto bezpiecznika samochodowego. Konektory żeńskie lutujemy do płytki. Są to pady +INP oraz +OUT. Konektory należy obciąć i nałożyć na bezpiecznik. Następnie przylutować do płytki. Miernik mieści się w obudowie z tworzywa sztucznego Z7C. DOKŁADNOŚĆ POMIARÓW Dokładność jest uzależniona od zastosowanego prcesora oraz typu wzmacniacza operacyjnego i rezystora pomiarowego. PROCESOR jak każdy AVR wykazuje błędy w obliczeniach i przy pisaniu programu należy to uwzględnić. Testując gotowe urządzenie dokonujemy korekty w programie. Zastosowane napięcie referencyjne w mierniku narzuca nam rozdzielczość pomiarową. 5V = 1024bit, co daje 0,0048V/bit WZMACNIACZ OPERACYJNY pomiar prądu Z powodzeniem można stosować popularny LM358. Musimy jednak pamiętać, że jest on obarczony dużym offsetem na początku charakterystyki. Co to znaczy? Jeśli będziemy mierzyć bardzo małe napiecia, nie będą one wzmocnione jednakowo. Napięcie wyjściowe nie będzie adekwatne do ustawionego wzmocnienia. Praktyka wykazuje, że LM358 zaczyna liniowo pracować od ok.10mv na wejściu wzmacniacza. Czyli napięcia poniżej 10mV wzmocnione np. 10 razy nie pokażą prawidłowej wartości. Ponadto przy zasilaniu wzmacniacza napięciem 5V, można nim wzmocnić napięcie do maksymalnie 3,6V. Oznacza to maksymalne napięcie wejściowe 0,36V. Do obliczeń przyjmiemy 3V. Nieliniowość wzmacniacza można ominąć na dwa sposoby. Programowo - stosujemy wtedy poprawkę do napięcia wyjściowego wzmacniacza oraz sprzętowo. Dokładność pomiarowa tego bloku wpływa na końcowy wynik, nie tylko pokazywanego prądu, ale i mocy doprowadzonej oraz pobranych amperogodzin!

6 Korekta sprzętowa. Budując miernik musimy założyc zakres jego stosowania. Ze wzmacniaczem operacyjnym współpracuje rezystor pomiarowy R11 (R12). Poniżej znajduje się przykład jak poprawnie dobrać rezystor pomiarowy do wymaganego zakresu pomiarowego, a tym samym maksymalne wykorzystanie dokładności pomiarów (rozdzielczości przetwornika ADC, gdy Vref=5V). Założenia: Pomiar prądu do 3A. Maksymalne napięcie wejściowe na wzmacniacz 0,3V (Uwyj. = 3V, G = 10) Z prawa Ohma wynika: U = R x I R = U / I to R = 0,1om Moc opornika wynosi: P = R x I^2 P = 0,1 x 9 = 0,9W Wydzielane ciepło wpływa na dokładność pomiaru i musimy zapewnić stabilną pracę rezystora pomiarowego. W tym celu trzeba zastosować opornik o większej mocy. Dostępne w wersji SMD mają 3W i taki należy użyć w mierniku. Wzmacniacz MCP607 ma o rząd wielkości lepsze parametry i pracuje poprawnie z mniejszymi napięciami wejściowymi. Niemniej trzeba zawsze dążyć do maksymalnego wykorzystania rozdzielczości przetwornika ADC w ATMEGA8. UWAGI DO PROGRAMOWANIA Poniższy listing musi zawierać pisany program. Jest w nim zawarta konfiguracja sterowania wyświetlaczem LCD zastosowana na płytce: Config Lcd = 16 * 2 Config Lcdpin = Pin, Db4 = Portd.5, Db5 = Portd.6, Db6 = Portd.7, Db7 = Portb.0, E = Portd.3, Rs = Portd.2 Film na You Tube:

7 INSTRUKCJA MONTAŻOWA Integralną częścią miernika jest procesor ATMEGA8 oraz wzmacniacz operacyjny LM358. Program w procesorze jest skonfigurowany do otrzymanego wzmacniacza. Montaż i uruchomienie Montaż elementów należy wykonać według schematu montażowego. Przed włożeniem w podstawki układów scalonych i wyświetlacza, podłącz napięcie do goldpinów PLUS i MINUS. Zakres zasilania: +7,5 30V względem masy. Styki SW1, standardowo są ustawione na zasilanie dodatkowe zewnętrzne. Sprawdź napięcie na nóżce 7 ATMEG-i oraz nóżce 8 wzmacniacza operacyjnego. Powinno wynosić ok. 5V. Odłącz napięcie i włóż układy scalone zgodnie z wyprowadzeniami. Zamontuj wyświetlacz. Podłącz ponownie napięcie. Potencjometrem P3 10k ustaw kontrast na wyświetlaczu. Podłącz źródło napięcia, które będziemy mierzyć. Na wyświetlaczu powinno pojawić się wskazanie napięcia U. Innym miernikiem mierzymy napięcie źródła. Wzkazania na mierniku regulujemy potencjometrem P2 - helipot. Bez obciążenia wskazania prądu powinno wynosić 0,00A. Potencjometrem P1 helipot (pod wyświetlaczem) regulujemy wskazania do tej wartości. Dokładną korektę pomiaru prądu dokonujemy w następujący sposób. Do wyjścia miernika podłączamy szeregowo: żarówkę i amperomierz. Potencjometrem P2 robimy korektę wskazań prądu. Muszą być jednakowe na wyświetlaczu LCD 2x16 oraz amperomierzu. Najlepiej regulację robić na połowie zakresu pomiarowego. Na przykład: zakres pomiarowy 3A regulacja na poziomie 1,5A, zakres 8A regulacja na 4A itd. Z uwagi na nieliniowość pracy procesora (rozdzielczość) i wzmacniacza, wskazania mogą mieć drobne odchyłki w odczycie. Dokładne ustawienie wskazań prądu i napięcia ma zasadniczy wpływ na wskazania pomiaru mocy doprowadzonej oraz ilości amperogodzin pobranych przez odbiornik. Odwrotne podłączenie napięcia pomiarowego może uszkodzić układ! Należy stosować bezpiecznik odpowiedni do zakresu pomiarowego! Wyświetlacz jest montowany na tulejkach dystansowych. Tulejki z gwintem wewnętrzym, pozwalają w prosty sposób na montaż np. w zasilaczu lub prostowniku. Rozdzielczość pomiarowa prądu zakres do: 3A = +/- 10mA, 8A = +/-20mA, 20A = +/-100mA

8 SPIS ELEMENTÓW C1,C2,C7,C8,C9, C10,C11,C12, C13,C14 = 10 x 100n C3,C4 = 2 x 100µ C5,C6 = 2 x 33p D1 = 1 x 1N4148 D2 = 1 x 5,1V Konektory = 2 x 1 IC1 = 1 x ATMEGA8 Podstawka = 1 x Goldpin = 11 x 1 L1 = 1 x 100µH Gniazdo goldpin = 16 x 1 Wtyk goldpin = 16 x 1 LCD 16*2 HD44780= 1 x P1 helip. P2 helip. P3 trym. Q = 1 x 10k = 1 x 5k = 1 x 10K = 1 x 8MHz R2 = 1 x 6,8k R4 = 1 x 8,2k R8 = 1 x 1k R9 = 1 x 27K R10 = 1 x 510 R13 = 1 x 10k R14 = 1 x 4,7k R1,R3 = 2 x 100k R11,R12 = 2 x *patrz dokumentacja R5,R6,R7 = 3 x 47k SW1 = 1 x 1 UM Goldpin = 3 x 1 T sensor1* = 1 x DS18B20 - opcja Goldpin = 4 x 1 U1 Podstawka DIL8 = 1 x LM358, MCP607* - opcja = 1 x VR1 = 1 x 7805 Goldpin zas. = 2 x 1 Tulejka = 4 x 12mm Tulejka z gw. wew. = 4 x 8mm Wkręt M3x20 = 4 x 1