Budowa panelu pomiarowego - układ do mierzenia napięcia i prądu

Panel pomiarowy - właściwości przyrządu:

1. Mierzy i wyświetla na wyświetlaczu LCD 2×16 znaków, napięcie stałe do 25V i prąd stały do 2000mA.
2. Ma regulowany bezpiecznik elektroniczny z wyświetlaniem nastawionej wartości pradu zadziaania.
3. Czerwona dioda LED sygnalizuje zadziałanie bezpiecznika, a przycisk pozwala ponownie włączyć napięcie.
4. Żółta dioda LED sygnalizuje pracę z elektronicznym bezpiecznikiem lub bez tego bezpiecznika.
5. Komunikat: POZA ZAKRESEM sygnalizuje przekroczenie zakresów pomiarowych napięcia i prądu.
6. Wejście pomiaru napięcia jest zabezpieczone przed uszkodzeniem napięciem podwyższonym (ponad 50V).

Panel do mierzenia napięcia i prądu - opis układu

Pomysł zaprojektowania takiego urządzenia pojawił się pod wpływem kursu Arduino, jaki jest w EdW. W jednym z pierwszych odcinków były omawiane proste termometry, które w istocie są woltomierzami. Mając Arduino UNO oraz miniaturowy wyświetlacz LCD 2×16 znaków, napisałem program dla woltomierza mierzącego nie więcej niż 5V. Następnie powstał woltomierz mierzący w zakresie do 25V.

Należało rozbudować program i sprzętową elektronikę. Kolejny krok to dalszy kawałek programu i kilka elementów elektronicznych. A mój panel wzbogacił się o pomiar prądu i bezpiecznik elektroniczny. Ale uwaga, bezpiecznik w panelu nie jest autonomiczny – wyłącza współpracujący zasilacz w sposób wybrany i zrealizowany przez użytkownika.

Fot.1 Panel pomiarowy z zastosowaniem Arduino UNO

Całe oprogramowanie powstało w środowisku Arduino IDE. Panel pomiarowy został złożony i długo testowany na płytce stykowej. Fotografia 1 pokazuje Panel Pomiarowy z zastosowaniem Arduino UNO. Rysunek 1 w sposób poglądowy przedstawia, jak panel można wykorzystać jako moduł do pomiaru napięcia i prądu wypływającego z zasilacza, zaznaczonego kolorem żółtym. Panel zasilany jest napięciem Uz w zakresie +8...12V. Stabilizator U3 przetwarza je na napięcie zasilania, Vc = +5V, a U2 na napięcie referencyjne VREF, konieczne do pomiaru przez przetwornik zawarty w mikroprocesorze.

Do płytki Arduino dołączony jest moduł wyświetlacza LCD 2x16. Potencjometr P1, którego suwak dołączony jest do wejścia analogowego A2, służy do nastawy prądu wyłączenia przez programowy bezpiecznik elektroniczny. Prąd nastawy jest wyświetlany w drugiej linijce wyświetlacza jako „Ib”. Dalej jest wyświetlana jednostka mierzonego prądu, a następnie wartość zmierzonego prądu „I”. W górnej linijce LCD mamy napięcie mierzone „U:” oraz jednostka V, lub mV w zakresie pomiaru napięć do 1000 mV.

Rys.1 Panel jako moduł do pomiaru napięcia i prądu wypływającego z zasilacza

Jeśli wartość mierzonego prądu „I” przekroczy nastawiony przez P1 prąd bezpiecznika „Ib”, to wyjście cyfrowe ~9 zmieni stan z niskiego na wysoki, a wyjście ~10 z wysokiego na niski. Zmianę tę można wykorzystać do wyłączenia napięcia współpracującego zasilacza. Zmiana stanów powoduje zaświecenie czerwonej diody LC jako sygnalizację zadziałania bezpiecznika. Jeśli usuniemy powód przeciążenia lub zwiększymy „Ib” i wciśniemy przycisk KAS, który podaje stan niski na wejście ~3, wtedy pin ~9 wchodzi w stan niski, a pin ~10 w wysoki, dioda LC gaśnie. Działanie bezpiecznika jest skasowane.

Przycisk KAS służy również do wyboru jednej z opcji działania/wyświetlania panelu pomiarowego. Wciskając go, wybieramy drugą opcję, panel tylko pomiarowy bez bezpiecznika. W górnej linijce LCD mamy mierzone „U:” V lub mV, a w dolnej tylko mierzony prąd „I:” w mA. W tej opcji świeci dioda żółta LZ. Sygnalizuje ona brak bezpiecznika elektronicznego. Oczywiście jeśli w opcji z bezpiecznikiem zaświeci dioda LC, to wciśnięcie KAS w pierwszej kolejności kasuje bezpiecznik, dopiero drugie wciśnięcie zmienia opcje panelu.

Każde użycie KAS na przemian wybiera jedną z opcji. Panel bez bezpiecznika może być używany wszędzie tam, gdzie jest potrzebny tylko pomiar, wtedy dane na LCD są bardziej czytelne. Oprócz części mikroprocesorowej z programem o nazwie: Panel_Pomiarowy_program.ino, panel ma również część analogową, sterowaną z programu.

Po zakończeniu wszelkich testów przyszedł czas, aby uwolnić się od dużej płytki Arduino UNO. Już wcześniej miałem zakupioną płytkę Arduino Pro Mini. Ta płytka nie ma pinu zewnętrznego napięcia referencyjnego. Za to ma pin o nazwie REW, na który można podać napięcie zasilania od 5 do 12 V, zasilające stabilizator.

Arduino Pro Mini ma oczywiście pin zasilania napięciem +5V, oznaczony jako VCC. Na płytce Pro Mini nóżka procesora ATmega328 o numerze 20 to właśnie wejście AREF; łączy się ona z kondensatorem. Pin REW łączy się ze stabilizatorem poprzez rezystor 0Ω, który usunąłem i tak otrzymałem odseparowany pin REW, który przemianowałem na AREF. W tym celu cieniutkim drucikiem nawojowym połączyłem ten pin z okładką kondensatora połączonego z pinem 20. Fotografia 2 pokazuje płytkę po modyfikacji.

Fot.2 Płytka Arduino Pro Mini po modyfikacji

Rysunek 2 przedstawia panel pomiarowy z zastosowaniem Arduino Pro Mini. Program jest ten sam co dla UNO, tylko przy programowaniu w środowisku Arduino IDE, w zakładce Narzędzia, należy wybrać Arduino Pro Mini z odpowiednim zasilaniem i zegarem. W Elportalu dostępne są też schematy wersji z użyciem Arduino Uno oraz mikroprocesora ATmega 16.

Przy programowaniu ze środowiska Arduino IDE, w zakładce Narzędzia wybieramy odpowiedni procesor z typem jego wyprowadzeń i zegar. Wsad programowy jest bez zmian. Do zmontowania wersji z procesorem ATmega 16 potrzebny będzie pinout (rozkłąd wyprowadzeń) tego procesora. Jest dostępny w Internecie. Ten pinout pokazuje, jakie są odpowiedniki między pinami Arduino UNO a procesorem ATmega16. Jest to niezbędne, aby wykonać połączenia z mikroprocesorem tak jak na schemacie.

Rys.2 Panel pomiarowy z zastosowaniem Arduino Pro Mini

Aby zmierzyć napięcie powyżej +5V, nie możemy bezpośrednio podać go na wejście analogowe A0 – potrzebny jest prosty dzielnik rezystancyjny R1 i R2, który zmniejsza napięcie do dozwolonego poziomu. Z tego dzielnika napięcie przez rezystor R3 trafia na diodę Zenera D1, która skutecznie ochroni wejście A0. Napięcie z A0 przetwornik ADC w procesorze przetwarza na wartość liczbową zgodnie ze wzorem: ADC = U/VREF*1023.

Jeśli na dzielnik R1/R2 podamy bardzo małe napięcie, na poziomie kilkunastu, kilkudziesięciu mV, to na wejście A0 trafi jeszcze mniejsze, dla przetwornika praktycznie niemierzalne. Wszelkie moje próby pomiaru mV wykazały, że panel raczej mierzy napięcie przelatującej fali radiowej niż przyłożone napięcie. Pomiary nie były wiarygodne.

Problem rozwiązałem programowo i sprzętowo. Część programu do pomiaru napięcia jest podzielona na trzy zakresy: 0…1000mV, 1…2V oraz 2…25V. Każdy z tych zakresów podzielony jest na wiele podzakresów, a wszystko po to, jak wykazały wielokrotne testy, aby osiągnąć jak największą dokładność porównywalną z pomiarem moim multimetrem.

Na samym początku programu wyjście cyfrowe ~12 jest w stanie wysokim, a więc tranzystor Q1 przewodzi i podaje potencjał masy GND na wejście „+” wzmacniacza operacyjnego U1.1. Na jego wyjściu mamy bardzo małe napięcie, mniejsze niż napięcie progowe diody D2. Przetwornik ADC mierzy napięcie z wejścia A0 i zapisuje do zmiennej adc, jeśli wartość jest większa niż 154, to stan wysoki na pinie ~12 nadal jest bez zmian, a to dla programu oznacza, że napięcie, jakie trafia na dzielnik R1/R2, jest większe niż 1000mV.

Jeśli wartość w zmiennej adc jest mniejsza/równa liczbie 154, to oznacza, że na dzielnik R1/ R2 podano napięcie w najniższym zakresie, czyli /0…1000/mV. Wtedy program na wyjściu ~12 ustawia stan niski, wyłączając tranzystor Q1. Wzmacniacz U1.1 ma tak dobrane wzmocnienie, aby przy napięciu 1000mV nie wszedł w nasycenie. Również w tym zakresie napięcie z dzielnika R1/R2 trafia na katodę diody D1, ale ono jest zawsze niższe niż napięcie na katodzie diody separacyjnej D2. Dzielnik R5/R6 podaje napięcie na wejście „+” wzmacniacza; jest to rodzaj napięcia odniesienia, potrzebny również do programowego pomiaru tak, aby przygotować całe napięcie do pomiaru, używając tylko jednego wzmacniacza.

Dioda D3 jest bardzo ważna, zabezpiecza wejście „–” U1.1 przed zbyt wysokim napięciem. Kondensator C3 to filtr napięcia mierzonego. Wracając jeszcze do wartości progowej, czyli liczby 154, to z prostego rachunku wynika, że bardziej odpowiada ona napięciu ok. 750mV niż 1000mV. Wynika ona z praktycznych prób. Zauważyłem, że przetwornik w procesorze nie jest liniowy w całym zakresie działania, a i moje napięcie referencyjne VREF, jak wynika z moich notatek, jest dość dobre, ale potrafi się zmieniać od 4,9755 V do 4,9806V.

Pomiary te wykonywałem przez kilka dni, po kilku, kilkunastu minutach od chwili włączenia napięcia Uz. Jeśli chodzi o dokładność pomiaru w porównaniu z moim multimetrem, to w zakresie 0…1000mV różnice wskazań są na poziomie 2…5mV.

Dla wyższych napięć nie przekraczają 5…8mV, a dla większych niż 22V: 10…25 mV. Minimalne napięcie, jakie zmierzył panel, to około 45 mV z płytką Pro Mini. Aby zmierzyć prąd wypływający na przykład z zasilacza, musimy go przepuścić przez rezystor pomiarowy. Do tej roli w panelu pomiarowym jest przeznaczony rezystor R16. Odłożony na nim spadek napięcia jest zawsze wzmacniany we wzmacniaczu U1.2 o progowo wybieranym wzmocnieniu. Programowo pomiar prądu jest podzielony na dwa zakresy, 0…300mA i 300…2000mA, a każdy z zakresów na kilka podzakresów.

Zasada działania jest taka sama jak przy pomiarze napięcia. Napięcie proporcjonalne do prądu po wzmocnieniu trafia na wejście analogowe A1. Tam przez przetwornik ADC jest zamieniane na liczbę umieszczoną w zmiennej adcp. Wartość progową dla tej zmiennej ustaliłem na 185. Jeśli dana mierzona jest mniejsza/równa tej liczbie, to mamy do zmierzenia małe prądy, do 300mA. Wtedy na wyjściu cyfrowym ~13 pojawia się stan wysoki, zatykając tranzystor Q2. To oznacza, że U1.2 działa z maksymalnym wzmocnieniem tak, aby pomierzyć prądy na poziomie kilku mA.

Dla prądów mierzonych, które powodują, że dana w adcp jest większa niż 185, program ogranicza wzmocnienie tak, aby wzmacniacz nie wszedł w stan nasycenia przy maksymalnym prądzie z drugiego zakresu. Mamy wtedy do pomiaru prąd z wyższego zakresu, a tranzystor Q2 jest wysterowany stanem niskim i przewodzi. Dokładność pomiaru również porównywałem z moim multimetrem. I tak dla niższego zakresu pomiarowego wskazania mojego panelu były wyższe niż amperomierza w multimetrze o 1…3 mA. Natomiast dla wyższego zakresu różnica nie przekraczała 5mA. Moim panelem udało się zmierzyć prąd poniżej 10mA.

Rys.3 Projekt płytki dla schematu z rysunku 2

Montaż i uruchomienie układu do mierzenia napięcia i prądu

Panel pomiarowy powstał w trzech wersjach tylko na płytce stykowej i w takich warunkach został przetestowany. Fotografie wszystkich wersji dostępne są w Elportalu. Zdecydowałem się wykonać panel z użyciem Arduino Pro Mini. Rysunek 3 przedstawia projekt płytki dla schematu z rysunku 2. W Elportalu można znaleźć szereg dodatkowych rysunków i fotografii oraz projekty płytek (Dip- Trace).

Płytki są dostosowane do miniaturowego wyświetlacza o wymiarach 53×20mm, który może być zamontowany pod kątem prostym do płytki za pomocą wkrętów M3 i elementów w kształcie kątownika. Oczywiście można zastosować inny większy ze sterownikiem HD 44780. Montaż elementów na płytkach nie powinien sprawić kłopotów. Panel pomiarowy, poza regulacją kontrastu wyświetlacza, nie wymaga żadnego uruchamiania czy dostrajania.

Fot.3 Układ służący do pomiaru oraz wyświetlania mierzonego napięcia i prądu

Jedyne zmiany, jakie można wprowadzić, to zmiany w programie. Program, aby zmierzyć napięcie, wykonuje 25 pomiarów co 10ms, potem oblicza średnią. To zajmuje mu 250ms. To samo z pomiarem prądu, kolejne 250ms. Jeśli w tym czasie „I” przekroczy „Ib”, to stan pinów ~9 i ~10 może się zmienić nawet po czasie 500ms, zależy to od tego, w którym miejscu procesor czyta program i jak daleko ma do części programu, gdzie porównywane są prądy „I” i „Ib”. To czas dość długi.

Można to zmienić, modyfikując program. Zdarzenie polegające na tym, że prąd mierzony „I” > „Ib” można opisać programowo jako procedurę przerwania z najwyższym priorytetem. I wtedy zwłoka czasowa będzie bardzo krótka. Mój program wykorzystuje procedurę przerwania, ale tylko dla przycisku KAS tak, aby jego działanie było niezwłoczne przy przełączaniu opcji. Zwłoka czasowa do 500ms ma taką zaletę, że bezpiecznik nie działa zbyt „nerwowo”. O tym, czy warto robić taką modyfikacje, czy nie, pewnie zadecydowałoby dłuższe używanie panelu pomiarowego w praktyce.