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 |
| R1, R2 | 100 кОм | smd 1206 | |
| R3 | 10 кОм | Потенциометр | |
| R5, R6 | 10 кОм | smd 1206 | |
| R4 | 30 кОм | smd 1206 | |
| R7, R8 | 7.5 кОм | smd 1206 | |
| R9, R10 | 500 Ом | Потенциометр | |
| R11 | 5.1 кОм | smd 1206 | |
| C1, C2, C3 | 100 нФ | smd 1206 | |
| C4, C5, C6, C7, C8, C9 | 100 нФ | smd 1206 | Данные конденсаторы, указанные на схеме, устанавливать на плату не нужно. Они были необходимы для прежней версии ПО для микроконтроллера. |
| C10 | 22 мкФ/6 В | smd A | |
| C11 | 10 нФ | smd 1206 | Опционально. Для защиты транзистора от помехи по напряжению при включении вентилятора. |
| С12 | 10 мкФ/50 В | ||
| L1 | 47 мкГн | smd 1210 | На плату не устанавливается |
| D1 | защитный диод | smd A | Опционально. Для защиты транзистора от помехи по напряжению при включении вентилятора. |
| D2 | SK310A | smd A | Диод Шоттки: 100 В, 3 А |
| U1 | LM7805 | TO252 | Регулятор напряжения +5 В |
| U2 | LM7812 | TO220 | Регулятор напряжения +12 В |
| U3 | ATmega8 | TQFP32 | Микроконтроллер |
| LCD | коннектор 1×16 | ||
| J1 | коннектор 1×2 | ||
| J2, J3 | коннектор 1×1 | ||
| J4 | коннектор 1×3 | ||
| S1 | кнопка | ||
| Q1 | BSS-138 | smd SOT-23 | 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.
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:
Соответствие сигналов переходника, коннектора LCD, микроконтроллера и программатора
| Выводы ЖК модуля |
Сигнал | Выводы микроконтроллера |
Выводы программатора |
| 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 |
После подключения программатора убедитесь, что программатор «видит» микроконтроллер, и после этого можете приступать к программированию, при этом не забывая выбрать нужное, соответствующее собранной версии, программное обеспечение.
При программировании и установке Fuse-битов необходимо учитывать, что микроконтроллер должен быть настроен на работу от внутреннего RC осциллятора 1 МГц, а также необходимо установить бит BODEN. Рекомендуемый порог срабатывания Brown-Out детектора – 4 В.
Программное обеспечение для микроконтроллера (HEX-файлы)
| Описание | Вариант №1 (TQFP) |
Вариант №2 (PDIP) |
|
 |
Дисплей 1×16 | скачать | скачать |
 |
Дисплей 2×16 | скачать | скачать |
 |
Дисплей 2×16 + отображение значения сопротивления нагрузки |
скачать | скачать |
 |
Дисплей 2×16 + отображение емкости в мАч |
скачать | скачать |
 |
Дисплей 2×16 + отображение емкости в мАч + отображение значения сопротивления нагрузки |
скачать | скачать |
Рисунки печатной платы для варианта №1 и для варианта №2 (архивы содержит два изображения – обычное и в зеркальном отражении).