Широкий интерес для любителей самодельных электронно-программируемых устройств представляют многофункциональные сборки Arduino, позволяющие воплощать в жизнь интересные задумки.

Основное преимущество готовых схем Arduino заключается в уникальном блочно-модульном принципе: каждая плата может быть добавлена дополнительными интерфейсами, бесконечно расширяя возможности для создания различных проектов.

Модули Arduino построены на универсальном микроконтроллере с собственным загрузчиком, что позволяет легко прошивать его необходимым программным кодом, без использования дополнительных устройств. Программирование осуществляется на стандартном языке С++.

Одним из простейших примеров использования Arduino может стать реализация на базе этой сборки вольтметра постоянного напряжения повышенной точности с диапазоном измерения от 0 до 30 В.

Аналоговые входы Arduino предназначены для постоянного напряжения не более пяти вольт, поэтому, использование их при превышающих это значение напряжениях возможно с делителем напряжения.

Делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных сопротивлений. Расчет его производится по формуле:

Внешний USB-разъем в автомагнитоле

С некоторыми дополнениями.

Мало известная фишка Ардуино и многих других AVR чипов это возможность измерить внутренний источник опорного напряжения 1.1 В. Эта функция может быть использована для повышения точности функции Arduino — analogRead при использовании стандартного опорного напряжения 5 В (на платформах с напряжением питания 5 В) или 3.3 В (на платформах с напряжением питания 3.3 В). Она также может быть использована для измерения Vcc , поданного на чип , обеспечивая средство контроля напряжения батареи без использования драгоценных аналоговый выводов .

Мотивация

Есть, по крайней мере, две причины для измерения напряжения, питающего наш Arduino (Vcc). Одним из них является наш проект, питающийся от батареи, если мы хотим следить за уровнем напряжения батареи. Кроме того, когда питание от батареи (Vcc) не может быть 5,0 вольт(например питание от 3-х элементов 1.5 В), а мы хотим сделать аналоговые измерения более точными - мы должны использовать либо внутренний источник опорного напряжения 1,1 В либо внешний источник опорного напряжения. Почему?

Обычно предполагают при использовании analogRead () то, что аналоговое напряжение питания контроллера составляет 5.0 вольт, когда в действительности это может быть совсем не так(например питание от 3-х элементов 1.5 В). Официальная документация Arduino даже может привести нас к этому неправильному предположению. Дело в том, что питание не обязательно 5,0 вольт, независимо от текущего уровня это питание подано на Vcc чипа. Если наше питание не стабилизировано или если мы работаем от аккумулятора, это напряжение может меняться совсем немного. Вот пример кода, иллюстрирующий эту проблему:

Double Vcc = 5.0; // не обязательно правда int value = analogRead(0); / читаем показания с А0 double volt = (value / 1023.0) * Vcc; // верно только если Vcc = 5.0 вольт Для того чтобы измерить напряжение точно, необходимо точное опорное напряжение. Большинство чипов AVR обеспечивает три источника опорного напряжения:

• 1,1 в от внутреннего источника, в документации он проходит как bandgap reference (некоторые из них 2,56 В, например ATMega 2560). Выбор осуществляется функцией analogReference() с параметром INTERNAL : analogReference(INTERNAL) ;

• внешний источник опорного наптяжения, на ардуинке подписан AREF. Выбор: analogReference(EXTERNAL);

• Vcc - источник питания самого контроллера. Выбор: analogReference(DEFAULT).

В Arduino нельзя просто взять и подключить Vcc к аналоговому пину напрямую - по умолчанию AREF связан с Vcc и вы всегда будете получать максимальное значение 1023, от какого бы напряжения вы не питались. Спасает подключение к AREF источника напряжения с заранее известным, стабильным напряжением, но это - лишний элемент в схеме.

Еще можно соединить Vcc с AREF через диод : падение напряжение на диоде заранее известно, поэтому вычислить Vcc не составит труда. Однако, при такой схеме через диод постоянно протекает ток , сокращая жизнь батареи, что тоже не очень удачно.

Источник внешнего опорного напряжения является наиболее точным, но требует дополнительных аппаратных средств. Внутренний ИОН стабильным, но не точен + / - 10% отклонение. Vcc является абсолютно ненадежен в большинстве случаев. Выбор внутреннего источника опорного напряжения является недорогим и стабильным, но большую часть времени, мы хотели бы измеряет большее напряжение чем 1.1 В, так что использование Vcc является наиболее практичным, но потенциально наименее точным. В некоторых случаях оно может быть очень ненадежным!

Как это сделать

Многие чипы AVR включая серию ATmega и ATtiny обеспечивают средства для измерения внутреннего опорного напряжения. Зачем это нужно? Причина проста - путем измерения внутреннего напряжения, мы можем определить значение Vcc. Вот как:

1. Установить источник опорного напряжения по умолчанию: analogReference(DEFAULT); . Используем как источник - Vcc.
2. Снять показания АЦП для внутреннего источника 1.1 В.
3. Расчитать значение Vcc основываясь на измерении 1.1 В по формуле:

Vcc * (Показания АЦП) / 1023 = 1.1 В

Из чего следует:

Vcc = 1,1 В * 1023 / (Показания АЦП)

Собираем все вместе и получаем код:

Использование

Проверка напряжения Vcc или батареи

Вы можете назвать эту функцию – readVcc(), если Вы хотите мониторить Vcc. Примером может служить для проверка уровня заряда батареи. Вы также можете использовать её для определения подключены ли Вы к источнику питания или работаете от батареи.

Измерение Vcc для опорного напряжения

Вы также можете использовать её, чтобы получить правильное значение Vcc для использования с analogRead (), когда вы используете опорное напряжение (Vcc). Пока Вы не используете стабилизированный источник питания, Вы не можете быть уверенны, что Vcc = 5.0 вольт. Эта функция позволяет получить правильное значение. Хотя есть один нюанс….

В одной из статей я сделал заявление, что эта функция может использоваться, чтобы улучшить точность аналоговых измерений в тех случаях, когда Vcc было не совсем 5.0 вольт. К сожалению, эта процедура не будет давать точный результат. Почему? Это зависит от точности внутреннего источника опорного напряжения. Спецификация дает номинальное напряжение 1.1 вольт, но говорится, что оно может отличаться до 10%. Такие измерения могут быть менее точными, чем наш источник питания Arduino!

Повышаем точность

Пока большие допуски внутреннего источника питания 1.1 В. значительно ограничивают точность измерений при использовании в серийном производстве, для индивидуальных проэктов мы можем добиться большей точности. Сделать это просто, просто измерив Vcc с помощью вольтметра и нашей функции readVcc(). Далее заменяем константу 1125300L новой переменной:

scale_constant = internal1.1Ref * 1023 * 1000

internal1.1Ref = 1.1 * Vcc1 (показания_вольтметра) / Vcc2 (показания_функции_readVcc())

Это калиброванное значение будет хорошим показателем для измерений AVR чипом, но может зависеть от изменений температуры. Не стесняйтесь экспериментировать с вашим собственным измерениям.

Вывод

С этой маленькой функцией можно сделать многее. Вы можете использовать стабильное опорное напряжение близкое к 5.0 В не имея на самом деле 5.0 В на Vcc. Вы можете измерять напряжение вашей батареи или даже увидеть на каком вы питание от батареи или от стационарного источника питания.

И наконец, код будет поддерживать все Arduino, включая новый Leonardo, а также чипы ATtinyX4 и ATtinyX5 серий.

Описано как собрать самодельный двойной вольтметр на основе платформы Arduino UNO с использованием ЖК-дисплея 1602A. В некоторых случаях необходимо измерять одновременно два постоянныхнапряжения и сравнивать их. Это может потребоваться, например, при ремонте или налаживании стабилизатора постоянного напряжения, чтобы измерять напряжение на его входе и выходе, либо в других случаях.

Принципиальная схема

Используя универсальный микроконтроллерный модуль ARDUINO UNO и двухстрочный ЖК-дисплей типа 1602А (на основе контроллера HD44780) можно легко сделать такой прибор. В одной строке он будет показывать напряжение U1, в другой - напряжение U2.

Рис. 1. Принципиальная схема двойного вольтметра с дисплеем 1602A на Arduino UNO.

Но, прежде всего, хочу напомнить, что ARDUINO UNO это относительно недорогой готовый модуль, - небольшая печатная плата, на которой расположен микроконтроллер ATMEGA328, а так же вся его «обвязка», необходимая для его работы, включая USB-программатор и источник питания.

Тем, кто незнаком с ARDUINO UNO, советую сначала ознакомиться со статьями Л.1 и Л.2. Схема двойного вольтметра показана на рис. 1. Он предназначен для измерения двух напряжений от 0 до 100V (практически, до 90V).

Как видно из схемы, к цифровым портам D2-D7 платы ARDUINO UNO подключен модуль жидкокристаллического индикатора Н1 типа 1602А. Питается ЖК-индикатор от стабилизатора напряжения 5V, имеющегося на плате стабилизатора напряжения 5V.

Измеряемые напряжения поступают на два аналоговых входа А1 и А2. Всего аналоговых входов шесть, - А0-А5, можно было выбрать любые два из них. В данном случае, выбраны А1 и А2. Напряжение на аналоговых портах может быть только положительным и только в пределах от нуля до напряжения питания микроконтроллера, то есть, номинально, до 5V.

Выход аналогового порта преобразуется АЦП микроконтроллера в цифровую форму. Для получения результата в единицах вольт, нужно его умножить на 5 (на опорное напряжение, то есть, на напряжение питания микроконтроллера) и разделить на 1024.

Для того чтобы можно было измерять напряжение более 5V, вернее, более напряжения питания микроконтроллера, потому что реальное напряжение на выходе 5-вольтового стабилизатора на плате ARDUINO UNO может отличаться от 5V, и обычно немного ниже, нужно на входе применить обычные резистивные делители. Здесь это делители напряжения на резисторах R1, R3 и R2, R4.

При этом, для приведения показаний прибора к реальному значению входного напряжения, нужно в программе задать деление результата измерения на коэффициент деления резистивного делителя. А коэффициент деления, обозначим его «К», можно вычислить по такой формуле:

К = R3 / (R1+R3) или К = R4 / (R2+R4),

соответственно для разных входов двойного вольтметра.

Очень любопытно то, что резисторы в делителях совсем не обязательно должны быть высокоточными. Можно взять обычные резисторы, затем измерить их фактическое сопротивление точным омметром, и уже в формулу подставить эти измеренные значения. Получится значение «К» для конкретного делителя, которое и нужно будет подставлять в формулу.

Программа для вольтметра

Программа на языке C++ приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Исходный код программы.

Для управления ЖК-индикатором решено было использовать порты с D2 по D7 платы ARDUINO UNO. В принципе, можно и другие порты, но я вот так, решил использовать именно эти.

Для того чтобы индикатор взаимодействовал с ARDUINO UNO нужно в программу загрузить подпрограмму для его управления. Такие подпрограммы называются «библиотеками», и в программном комплекте для ARDUINO UNO есть много разных «библиотек». Для работы с ЖК-индикатором на основе HD44780 нужна библиотека LiquidCrystal. Поэтому программа (таблица 1) начинается с загрузки этой библиотеки:

Эта строка дает команду загрузить в ARDUINO UNO данную библиотеку. Затем, нужно назначить порты ARDUINO UNO, которые будут работать с ЖК-индикатором. Я выбрал порты с D2 по D7. Можно выбрать другие. Эти порты назначены строкой:

LiquidCrystal led(2, 3, 4, 5, 6, 7);

После чего, программа переходит собственно к работе вольтметра. Для измерения напряжения решено было использовать аналоговые входы А1 и А2. Эти входы заданы в строках:

int analogInput=1;

int analogInput1=2;

Для чтения данных с аналоговых портов используется функция analogRead. Чтение данных с аналоговых портов происходит в строках:

vout=analogRead(analogInput);

voutl=analogRead(analoglnput1);

Затем, производится вычисление фактического напряжения с учетом коэффициента деления делителя входного напряжения:

volt=vout*5.0/1024.0/0.048 ;

volt1=vout1*5.0/1024.0/0.048;

В этих строках число 5.0 - это напряжение на выходе стабилизатора платы ARDUINO UNO. В идеале должно быть 5V, но для точной работы вольтметра это напряжение нужно предварительно измерить. Подключите источник питания и измерьте достаточно точным вольтметром напряжение +5V на разъеме POWER платы. Что будет, то и вводите в эти строки вместо 5.0, например, если будет 4.85V, строки будут выглядеть так:

volt=vout*4.85/1024.0/0.048;

volt1=vout1*4.85/1024.0/0.048;

На следующем этапе нужно будет измерить фактические сопротивления резисторов R1-R4 и определить коэффициенты К (указаны 0.048) для этих строк по формулам:

К1 = R3 / (R1+R3) и К2 = R4 / (R2+R4)

Допустим, К1 = 0.046, а К2 = 0.051, так и пишем:

volt=vout*4.85/1024.0/0.046 ;

volt1=vout1*4.85/1024.0/0.051;

Таким образом, в текст программы нужно внести изменения соответственно фактическому напряжению на выходе 5-воль-тового стабилизатора платы ARDUINO UNO и согласно фактическим коэффициентам деления резистивных делителей. После этого прибор будет работать точно и никакого налаживания или калибровки не потребует.

Изменив коэффициенты деления резистивных делителей (и, соответственно, коэффициенты «К») можно сделать другие пределы измерения, и совсем не обязательно одинаковые для обоих входов.

Каравкин В. РК-2017-01.

Литература:

1. Каравкин В. - Ёлочная мигалка на ARDUINO как средство от боязни микроконтроллеров. РК-11-2016.
2. Каравкин В. - Частотомер на ARDUINO. РК-12-2016.