Меню

Arduino измерить напряжение питания

Вольтметр переменного тока на Arduino Uno

В этом проекте мы рассмотрим создание вольтметра переменного тока на основе платы Arduino Uno, которым можно будет измерять напряжение переменного тока в вашей квартире. Выводить измеренное напряжение мы будем в окне монитора последовательной связи (serial monitor) Arduino IDE.

Создание цифрового вольтметра значительно проще создания аналогового вольтметра поскольку в случае аналогового вольтметра нам будут необходимы уверенные знания в таких физических параметрах как крутящий момент, потери на трение и т.д. В то время как для создания цифрового вольтметра нам будет нужен просто ЖК дисплей или даже экран вашего компьютера (в нашем рассматриваемом случае) чтобы вывести измеренное значение напряжения. Также на нашем сайте вы можете посмотреть проект цифрового вольтметра от 0 до 25 В на микроконтроллере AVR.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
  2. Трансформатор 12-0-12.
  3. Диод 1N4007 (купить на AliExpress).
  4. Конденсатор 1 мкФ (купить на AliExpress).
  5. Резисторы 10 кОм, 4,7 кОм (купить на AliExpress).
  6. Полупроводниковый стабилитрон 5v (диод Зенера — Zener diode) (купить на AliExpress).
  7. Соединительные провода.

Работа схемы

Схема рассматриваемого нами цифрового вольтметра на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

В схеме необходимо сделать следующие соединения:

  1. Соедините высоковольтную часть трансформатора (220V) с источником напряжения, а его низковольтную часть (12v) — с делителем напряжения в схеме.
  2. Соедините резистор 10 кОм последовательно с резистором 4,7 кОм. Убедитесь в том, что на вход схемы напряжение будет поступать с именно с резистора 4,7 кОм (не перепутайте резисторы).
  3. Соедините диод как показано на схеме.
  4. Подсоедините конденсатор и стабилитрон как показано на схеме.
  5. Соедините отрицательный вывод диода с контактом A0 платы Arduino.

Примечание : обязательно соедините землю Arduino с точкой, показанной на рисунке, иначе схема не будет работать.

Зачем нужен делитель напряжения

Поскольку мы используем трансформатор 220/12 это значит что на его низковольтной стороне будет напряжение 12 В, которое не подходит для питания платы Arduino (не подходит в качестве ее входного напряжения). Поэтому мы и используем делитель напряжения чтобы получить подходящее напряжение для платы Arduino.

Зачем нужны диод и конденсатор

Поскольку плата Arduino не может работать с отрицательными значениями напряжения мы должны удалить отрицательные циклы напряжения из поступающего напряжения переменного тока, чтобы остались только положительные циклы. Поэтому для выпрямления поступающего входного напряжения и используется диод.

Но напряжение на выходе диода не будет “гладким” (ровным) и будет содержать большие пульсации, которые нежелательно (в нашем случае) подавать на аналоговый вход платы Arduino. Поэтому в схему и включен конденсатор чтобы сглаживать пульсации напряжения на выходе диода.

Назначение стабилитрона

Можно повредить плату Arduino если на ее контакт подать напряжение более 5 В. Поэтому, чтобы напряжение на контакте Arduino не превысило 5 В, в схеме и используется стабилитрон.

Принцип работы вольтметра переменного тока на основе Arduino

Принцип работы нашего проекта составляют следующие действия:

  1. Входное высоковольтное напряжение понижается до напряжения примерно 12 В, приемлемого для работы низковольтных схем.
  2. С выхода делителя напряжения на резисторах мы получаем напряжение, пригодное (по номиналу) для подачи на контакт платы Arduino. Максимальное измеряемое схемой напряжение мы получим с помощью ее симуляции (см. ниже).
  3. Поступающее напряжение (аналоговое) поступает на аналоговый контакт A0 платы Arduino. С помощью аналогово-цифрового преобразования (АЦП), доступного на контакте A0, это входное напряжение преобразуется в число от 0 до 1023. 0 В будет соответствовать 0, а 5 В – 1023.
  4. Плата Arduino конвертирует это значение с выхода АЦП в соответствующее значение напряжения на входе схемы (формула приведена ниже в статье).

Симуляция работы схемы

Моделирование работы схемы было произведено в симуляторе Proteus.

Нахождение максимального входного напряжения осуществлялось методом проб.

При пиковом максимальном переменном напряжении равном 440 В (311 r.m.s, Rated Maximum Sinusoidal — Максимальная (предельная) синусоидальная мощность) напряжение на входе контакта A0 было равно 5 Вольтам, то есть максимуму. То есть наша схема может измерять максимум 311 r.m.s напряжения (440 В пикового напряжения).

Моделирование производилось для различных величин входного напряжения – от 220 r.m.s до 440v.

Исходный код программы

Значение, получаемое с контакта A0, мы будем записывать в переменную m:

m=pinMode (A0,INPUT) ; // режим работы контакта a0 – на ввод данных

Как следует из результатов симуляции схемы, максимальное напряжение 5 В на контакте A0 (1023 после преобразования) достигается при напряжении на входе схемы равном 311 В. То есть значение с выхода АЦП 1023 будет соответствовать 311 Вольтам на входе схемы. Следовательно, чтобы рассчитать значение напряжения на входе схемы, можно использовать формулу:

n=(311/1023)*m Вольт или n=(m*0.304177).

Далее вычисленное по этой схеме измеренное значение напряжения на входе схемы мы будем выводить в окне монитора последовательной связи (serial monitor). Более подробно все эти процессы показаны на видео, приведенном в конце статьи.

Читайте также:  Порядка работы напряжения до 1000в

Serial.print(» analog input «) ; // выводим строку “analog input” в окно монитора последовательной связи
Serial.print(m);// выводим значение напряжения на входе контакта A0

Далее выводим измеренное значение переменного напряжения на входе схемы.

Serial.print(» ac voltage «) ; // выводим строку “ac voltage” в окно монитора последовательной связи
Serial.print(n) ; // выводим значение напряжения на входе схемы

Вместо вывода значений напряжения в окно монитора последовательной связи можно использовать их вывод на экран ЖК дисплея, который в этом случае необходимо добавить в схему.

Источник

Arduino AREF пин: измеряем точное напряжение

В этом материале мы рассмотрим, как можно с большей точностью измерять меньшие напряжения, используя аналоговые выводы Arduino или совместимой плате вместе с выводом AREF.

Обзор

Вы можете вспомнить, что вы можете использовать функцию Arduino analogRead() для измерения напряжения электрического тока от датчиков и т.п., используя один из выводов аналогового входа. Значение, возвращаемое функцией analogRead(), должно быть в диапазоне от 0 до 1023, где ноль представляет собой ноль вольт, а 1023 представляет рабочее напряжение используемой платы Arduino.

И когда мы говорим, рабочее напряжение — это напряжение, доступное Arduino после схемы питания. Например, если у вас есть типичная плата Arduino Uno и вы запускаете ее через разъем USB (для платы есть доступные 5 В через разъем USB на вашем компьютере), то напряжение немного уменьшается, поскольку ток идет через всю схему к микроконтроллеру или USB-источник может не давать абсолютное значение.

Это можно легко продемонстрировать, подключив Arduino Uno к USB и установив мультиметр для измерения напряжения на контактах 5В и GND. Некоторые платы возвращают напряжение до 4,8 В, некоторые показывают значения выше 4,8 В, ниже 5 В. Поэтому, если вы стремитесь к точности, питайте вашу плату от внешнего источника питания через разъем постоянного тока или Vin-контакт, например, 9 В постоянного тока. Затем, после этого, пройдя через цепь регулятора мощности, вы получите хорошее напряжение 5 В.

Это важно, поскольку точность любых значений analogRead() будет зависеть от отсутствия истинных 5 В. Если у вас нет никакой опции, вы можете использовать некоторые математические расчеты в своем эскизе, чтобы компенсировать падение напряжения. Например, если ваше напряжение равно 4,8 В — диапазон analogRead() от 0 до 1023 будет относиться к 0

5 В. Это может звучать тривиально, однако, если вы используете датчик, который возвращает значение в виде напряжения (например, датчик температуры TMP36) — рассчитанное значение будет неверным. Поэтому в интересах точности используйте внешний источник питания.

Почему analogRead() возвращает значение от 0 до 1023?

Это связано с разрешением АЦП. Разрешение (в рамках этой статьи) — это степень, в которой что-то может быть представлено численно. Чем выше разрешение, тем выше точность, с которой что-то можно представить. Мы измеряем разрешение в терминах количества бит разрешения.

Например, 1-битное разрешение позволит использовать только два (два в степени одного) значения — ноль и единицу. 2-битное разрешение позволило бы получить четыре (два в степени двух) значения — ноль, один, два и три. Если мы попытаемся измерить диапазон в пять вольт с двухбитным разрешением, а измеренное напряжение будет равно четырем вольтам, наш АЦП вернет числовое значение 3 — при падении четырех вольт между 3,75 и 5В. Проще представить это с изображением выше.

Таким образом, в нашем примере АЦП с 2-битным разрешением может представлять напряжение только с четырьмя возможными результирующими значениями. Если входное напряжение падает между 0 и 1,25, АЦП возвращает цифру 0; если напряжение падает между 1,25 и 2,5, АЦП возвращает числовое значение 1. И так далее. С диапазоном АЦП нашего Arduino от 0 до 1023 — у нас есть 1024 возможных значения — или от 2 до 10, поэтому у наших Arduino есть АЦП с 10-битным разрешением.

Что такое AREF?

Когда ваш Arduino берет аналоговое показание, он сравнивает напряжение, измеренное на используемом аналоговом выводе, с так называемым опорным напряжением. При обычном использовании аналогового чтения эталонное напряжение — это рабочее напряжение платы.

Для более популярных плат Arduino, таких как платы Uno, Mega, Duemilanove и Leonardo / Yún, рабочее напряжение 5В. Если у вас есть плата Arduino Due, рабочее напряжение составляет 3,3 В. Таким образом, если у Вас есть опорное напряжение 5 В, каждый блок, возвращаемого analogRead() оценивается в 0.00488 В. (Это рассчитывается путем деления 1024 на 5В). Что если мы хотим измерить напряжения между 0 и 2 или 0 и 4,6? Как АЦП узнает, что составляет 100% от нашего диапазона напряжений?

Читайте также:  Что такое уровни электрических напряжений

И в этом заключается причина существования вывода AREF. AREF означает Analog Reference. Это позволяет нам «скормить» Arduino опорное напряжение от внешнего источника питания. Например, если мы хотим измерить напряжения с максимальным диапазоном 3,3 В, мы бы подали хорошие плавные 3,3 В на вывод AREF, например, от ИС регулятора напряжения.

Тогда каждый шаг АЦП будет представлять около 3,22 милливольт (разделить 1024 на 3,3В). Обратите внимание, что самое низкое опорное напряжение вы можете иметь 1.1В. Существует две формы AREF — внутренняя и внешняя, поэтому давайте их проверим.

Внешний AREF

Внешний AREF тот, куда направляется внешний источник опорного напряжения на плате Arduino. Это может происходить от регулируемого источника питания, или, если вам нужно 3,3 В, вы можете получить его от 3,3 В вывода Arduino. Если вы используете внешний источник питания, обязательно подключите GND к выводу GND Arduino. Или, если вы используете источник 3,3 В Arduno — просто установите перемычку с контакта 3,3 В на контакт AREF.

Чтобы активировать внешний AREF, используйте следующее в void setup ():

Это устанавливает опорное напряжение на то, что вы подключили к пину AREF, что, конечно, будет иметь напряжение между 1,1В и напряжением работы платы.

Очень важное примечание — при использовании внешнего опорного напряжения вы должны установить analogReference() на EXTERNAL (внешнее), прежде чем использовать analogRead(). Это предотвратит вас от короткого замыкания активного внутреннего опорного напряжения и вывода AREF, которое может повредить микроконтроллер на плате. При необходимости вы можете вернуться к рабочему напряжению платы для AREF (то есть — вернуться в нормальное состояние) с помощью следующей команды:

Как нам продемонстрировать внешний AREF в работе? Используя AREF 3,3 В, следующий скетч измеряет напряжение от A0 и отображает процентная доля всего AREF и рассчитанного напряжения:

Результаты скетча показаны на видео выше.

Внутренний AREF

Микроконтроллеры на наших платах Arduino также могут генерировать внутреннее опорное напряжение 1.1В, и мы можем использовать это для работы AREF. Просто используйте строку:

Для плат Arduino Mega в void setup() используйте:

Для Arduino Mega есть также опорное напряжение 2.56В, которое активируется так:

Наконец, прежде чем останавливаться на результатах, полученных на вашем выводе AREF, всегда откалибруйте показания по известному исправному мультиметру. Функция AREF дает вам больше гибкости при измерении аналоговых сигналов.

Источник

Ваттметр на Arduino – измерение напряжения, тока и мощности

У инженеров и просто энтузиастов в мире электроники достаточно часто возникает необходимость в проведении каких-либо измерений, одним из которых является измерение мощности. Поэтому в данной статье мы рассмотрим создание самодельного ваттметра на основе платы Arduino, с помощью которого можно будет измерять напряжение, ток и мощность электрического сигнала.

Некоторые могут сказать зачем делать такой прибор если его можно сейчас сравнительно недорого купить. Да, это так. Но ведь наверняка некоторым из вас хочется сделать более продвинутый ваттметр чем тот, который можно просто купить. Используя плату Arduino для создания ваттметра мы можем выводить измеряемые значения на экран компьютера, строить их график, сохранять их значения на SD карту когда их значения находятся в заданных интервалах и многое другое.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
  2. Операционный усилитель LM358 (купить на AliExpress).
  3. Регулятор напряжения LM7805 (купить на AliExpress).
  4. ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
  5. Шунтирующий резистор 0.22 ohm 2Watt (купить на AliExpress).
  6. Подстроечный потенциометр 10 кОм (Trimmer pot) (купить на AliExpress).
  7. Резисторы 10 кОм, 20 кОм, 2,2 кОм, 1 кОм (купить на AliExpress).
  8. Конденсаторы 0,1 мкФ (купить на AliExpress).
  9. Тестируемая нагрузка.
  10. Перфорированная или макетная плата.

Работа схемы

Схема ваттметра на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Для облегчения понимания схема разделена на 2 части. Верхняя часть схемы – это ее измерительная часть, а нижняя часть схемы служит для проведения вычислений и отображения их результатов. Места соединения обоих частей схемы обозначены с помощью меток.

Схема спроектирована для работы с напряжением в диапазоне 0-24V с током 0-1A – эти параметры специально подобраны для работы с Solar PV (солнечная фотоэлектрическая система). Но если вы поймете принципы работы этой схемы вы легко можете расширить диапазоны ее работы до необходимых вам. Основополагающий принцип работы этой схемы заключается в измерении напряжения и тока в нагрузке чтобы затем рассчитать потребляемую нагрузкой мощность. Значения всех измеряемых параметров будут отображаться на экране ЖК дисплея 16х2.

Далее рассмотрим работу по отдельности небольших элементов представленной схемы чтобы лучше понять ее работу.

Измерительный блок

Измерительный блок схемы состоит из делителя напряжения на двух резисторах для измерения значения напряжения и шунтирующего резистора с неинвертированным операционным усилителем для измерения силы тока. Делитель напряжения показан на следующем рисунке:

Читайте также:  Схема прибора для измерения напряжения сети

Входное напряжение на этой схеме обозначено как Vcc. Как мы говорили ранее, схема спроектирована для измерения напряжений от 0V до 24V. Но плата Arduino не может измерять такие большие напряжения – она может измерять напряжения только в диапазоне 0-5V. Соответственно, мы должны преобразовать измеряемое напряжение в диапазоне 0-24V в диапазон 0-5V. Это преобразование как раз и осуществляется с помощью представленного делителя напряжения. Соответственно, и номиналы резисторов в схеме этого делителя (10 кОм и 2,2 кОм) как раз подобраны таким образом, чтобы преобразовывать диапазон 0-24V в диапазон 0-5V. Если вам нужно изменить диапазон измеряемых схемой напряжений вам всего лишь нужно изменить значения номиналов резисторов в представленной схеме делителя напряжения. Значение напряжение на выходе делителя напряжения можно рассчитать по хорошо известной формуле:

Преобразованное к диапазону 0-5V напряжение со средней точки делителя напряжения у нас на схеме обозначено меткой Voltage. В дальнейшем это преобразованное значение напряжения подается на аналоговый вход платы Arduino.

Далее мы должны измерять ток через нагрузку (LOAD). Поскольку микроконтроллеры могут считывать только аналоговые значения напряжения нам необходимо преобразовать значение тока в значение напряжения. Это можно сделать при помощи добавления шунтирующего резистора – в соответствии с законом Ома падение напряжения на нем будет пропорционально протекающему по нему току. Поскольку на шунтирующем резисторе падение напряжения будет очень маленькое мы будем использовать операционный усилитель чтобы усилить его. Схема для осуществления этого процесса показана на следующем рисунке:

Значение сопротивления шунтирующего резистора (SR1) в нашем случае равно 0.22 Ом. Как было указано ранее, наша схема спроектирована для измерения силы тока в диапазоне 0-1A, поэтому в соответствии с законом Ома при максимальном токе через нагрузку 1 А падение напряжения на нашем шунтирующем резисторе будет примерно 0.2V. Это напряжение мало для считывания микроконтроллером, поэтому мы используем операционный усилитель в неинвертированном усилительном режиме чтобы усилить это напряжение до значения, которое можно комфортно считать с помощью платы Arduino.

Операционный усилитель в неинвертированном режиме показан на вышеприведенной схеме. Усилитель спроектирован таким образом чтобы его коэффициент усиления составлял значение 21, итого получаем 0.2*21 = 4.2V. Формула для расчета коэффициента усиления представленного операционного усилителя выглядит следующим образом:

Gain = Vout / Vin = 1 + (Rf / Rin)

Если вам нужно изменить диапазон измеряемых схемой значений тока вам необходимо изменить значение сопротивления шунтирующего резистора, а также значения сопротивлений резисторов, влияющих на коэффициент усиления операционного усилителя.

В нашем случае значение сопротивления резистора Rf равно 20 кОм, а значение сопротивления резистора Rin равно 1 кОм, что обеспечивает коэффициент усиления 21 для операционного усилителя. Далее напряжение с выхода операционного усилителя подается на RC фильтр, состоящий из резистора 1 кОм и конденсатора 0,1 мкФ. Данный фильтр предназначен для фильтрации нежелательных шумов. Далее отфильтрованное напряжение подается на аналоговый вход платы Arduino.

И, наконец, последний компонент который нам необходимо рассмотреть в блоке измерений нашей схемы – это регулятор напряжения. Поскольку мы подаем на вход схемы изменяемое напряжение нам необходимо стабилизированное напряжение +5V для питания платы Arduino и операционного усилителя. Это регулированное (стабилизированное) напряжение в нашей схеме обеспечивается с помощью регулятора напряжения 7805. Конденсатор добавлен на выход схемы регулятора для фильтрации шума.

Блок вычислений и отображения информации

В блоке измерений мы спроектировали схему чтобы конвертировать измеряемые значения и тока в диапазон напряжений 0-5V, которые непосредственно подаются на аналоговые входы Arduino. В этой же части схемы мы подсоединяем эти провода с напряжениями к плате Arduino, а также подключаем к плате Arduino алфавитно-цифровой ЖК дисплей для отображения результатов измерений. Схема этого блока представлена на следующем рисунке.

Как вы можете видеть из схемы, контакт с значением напряжения подключается к аналоговому контакту A3, а контакт со значением тока – к аналоговому контакту A4 платы Arduino. ЖК дисплей запитывается от напряжения +5V с регулятора 7805 и подключен к цифровым контактам платы Arduino в 4-битном режиме. Мы также используем потенциометр 10 кОм, подключенный к контакту Con ЖК дисплея чтобы регулировать его контрастность.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы рассмотрим его основные фрагменты.

Цель функционирования программы – считать значения аналогового напряжения с контактов A3 и A4 и рассчитать напряжение, ток и мощность, а потом отобразить все это на экране ЖК дисплея.

Вначале программы нам необходимо инициализировать используемые контакты: A3 и A4 для измерения напряжения и тока соответственно, и цифровые контакты 3, 4, 8, 9, 10 и 11 для подключения ЖК дисплея.

Источник

Adblock
detector