Вольтметр, амперметр и измеритель ёмкости аккумуляторов на микроконтроллере

Для недавно собранного лабораторного блока питания, который показал очень достойную работу, решил сделать не менее достойный и качественный цифровой вольтамперметр на микроконтроллере, по совместительству оснащённый омметром нагрузки и ёмкостеметром заряжаемых аккумуляторов. Имеется два варианта схемы вольтамперметра:





Несколько вариантов печатных плат можно скачать тут .

Характеристики измерителя А/В

• измеряемое напряжение: 0 В – 30 В, шаг 10 мВ;
  
  
• измеряемый ток: 0 А – 99 А, шаг 10 мА;
  
  
• возможно отображение измеряемых величин на LCD дисплее (однострочном или двухстрочном).
  

Схема подключения этого универсального измерителя производится согласно рисунка:


Измерение тока проводится с использованием шунта, который подключен последовательно с нагрузкой в цепи отрицательной (общей) клеммы блока питания. Устройство запитывается от основного БП. Дополнительной функцией, которую выполняет микроконтроллер, является управление вентилятором охлаждения радиатора выходного транзистора блока питания.




При использовании двухстрочного дисплея имеется возможность отображения значения сопротивления подключенной нагрузки. А при использовании блока питания для зарядки литий-ионных аккумуляторов имеется функция отображения емкости АКБ, что дает возможность оценить их уровень разряда.

Внутреннее разрешение вольтамперметра по диапазону измерения тока рассчитывается согласно выражения:

Разрешение [мА] = 1/(R[Ом]х3.2)

Падение напряжения на шунте не должно превышать 2.4 В, поэтому значение сопротивления шунта должно быть меньше 2.4/Imax[A].




При программировании и установке Fuse-битов необходимо учитывать, что микроконтроллер должен быть настроен на работу от внутреннего RC генератора 1 МГц, а также необходимо установить бит BODEN. Прошивки для контроллера .

Настройка цифрового вольтамперметра

Кнопка S1 – сброс/установка параметров. Для входа в режим установки измерителя надо удерживая кнопку нажатой, подать питание на схему. Первый параметр для настройки – опорное напряжение для АЦП МК. Оно является основным фактором погрешности измерений. Необходимо измерить опорное напряжение на выводе 20 микроконтроллера (для микроконтроллера в корпусе PDIP – вывод 21). Измеренное значение надо 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).

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 БП 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. Для сохранения параметров кнопку не нажимать в течении 5 секунд. Также S1 используется для сброса значения электрической емкости при зарядке Li аккумуляторов.

Сопротивление R9 – точная настройка поддиапазона делителя напряжения. Для устранения 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.

Сопротивление 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.

Сопротивление R1 – регулировка контрастности LCD. Если после сборки устройства на дисплее ничего не отображается, то сперва необходимо отрегулировать контрастность дисплея.

Разъём 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.

Разъём J3 – питание модуля вольтамперметра. 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.

Разъём J4 – подключение линий измерения напряжения и тока.




Выводы коннектора подключаются:

1. – подключается к клемме «+» блока питания;
   
2. – подключается к клемме «–» блока питания;
   
3. – «общий»
   

Вольтамперметр работает корректно с однострочным LCD. Дисплей необходимо использовать со светодиодной подсветкой.



Данный самодельный вольт-амперметр успешно собран и давно работает в составе мощного блока питания.