Схема высокочастотный вольтметр на ардуино. Исходные данные и доработка. Измерение среднего значения сигнала

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:

long readVcc() { // Read 1.1V reference against AVcc // set the reference to Vcc and the measurement to the internal 1.1V reference #if defined(__AVR_ATmega32U4__) || defined(__AVR_ATmega1280__) || defined(__AVR_ATmega2560__) ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX4) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1); #elif defined (__AVR_ATtiny24__) || defined(__AVR_ATtiny44__) || defined(__AVR_ATtiny84__) ADMUX = _BV(MUX5) | _BV(MUX0); #elif defined (__AVR_ATtiny25__) || defined(__AVR_ATtiny45__) || defined(__AVR_ATtiny85__) ADMUX = _BV(MUX3) | _BV(MUX2); #else ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1); #endif delay(75); // Wait for Vref to settle ADCSRA |= _BV(ADSC); // Start conversion while (bit_is_set(ADCSRA,ADSC)); // measuring uint8_t low = ADCL; // must read ADCL first - it then locks ADCH uint8_t high = ADCH; // unlocks both long result = (high<<8) | low; result = 1125300L / result; // Calculate Vcc (in mV); 1125300 = 1.1*1023*1000 return result; // Vcc in millivolts }

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.

Исходные данные и доработка

Итак к этому момент у нас есть вольтметр постоянного напряжения с пределом 0..20в (смотрите предыдущую часть). Теперь мы добавляем к нему амперметр 0..5а. Для этого немного модифицируем схему - она станет проходной, то есть имеет как вход так и выход.

Часть касающуюся отображения на LCD я убрал - она не будет меняться. Впринципе основной новый элемент - шунт Rx на 0.1 Ом. Цепочка R1-C1-VD1 служит для защиты аналогового входа. Такую же имеет смысл поставить и по входу A0. Поскольку мы предполагаем достаточно большие токи, есть требования к монтажу - силовые линии должны быть выполнены достаточно толстым проводом и соединяться с выводами шунта непосредственно (проще говоря, припаяны), иначе показания будут далеки от реальности. Есть так же замечание по току - впринципе опорное напряжение 1.1в позволяет регистрировать на шунте 0.1 Ом ток до 11 ампер с точностью немного хуже 0.01а, но при падении на Rх такого напряжения выделяемая мощность превысит 10 Вт, что совсем не весело. Для решения проблемы можно было бы использовать усилитель с коэффициентом усиления 11 на качественном ОУ и шунт на 10 мОм (0.01Ом). Но пока мы не будем усложнять себе жизнь и просто ограничимся в токе до 5а (при этом мощность Rx можно выбрать порядка 3-5 Вт).

На этом этапе меня ждал сюрприз - оказалось что АЦП контроллера имеет достаточно большое смешение нуля - около -3мВ. То есть АЦП просто не видит сигналы менее 3мВ, а сигналы чуть большего уровня видны с характерной неточностью -3мВ, что портит линейность в начале диапазона. Беглый поиск не дал явных ссылок на такую проблему (смещение нуля это нормально, но оно должно быть существенно меньше), поэтому вполне возможно это проблема конкретного экземпляра Atmega 328. Решение я выбрал двоякое - по напряжению - программную ступеньку в начале диапазона (отображение начинается с 0.06 вольт), по току - подтягивающий резистор на шину 5в. Резистор обозначен пунктиром.

Исходный код

Полную версию этого вольт-ампер-метра (в варианте с I2C) можно скачать по ссылке в конце статье. Далее я покажу изменения в исходном коде. Добавилось чтение аналогового входа A1 с таким же усреднением как и для вольтметра. По сути это тот же вольтметр, только без делителя, а амперы мы получаем по формуле Ома: I = U/Rx (например, если падение напряжения на Rx = 0.01 В, то ток равен 0.1А). Также я ввел константу усиления по току AmpMult - на будущее. Константу AmpRx с сопротивлением шунта вероятно придется подобрать - учесть неточность резистора шунта. Ну и раз уже это это вольт-ампер-метр и на дисплее 1602 еще осталось место, то осталось вывести текущую потребляемую мощность в ваттах, получив не сложный дополнительный функционал.

.... // Аналоговый вход #define PIN_VOLT A0 #define PIN_AMP A1 // Внутреннее опорное напряжение (подобрать) const float VRef = 1.10; // Коэффициент входного резистивного делителя (Rh + Rl) / Rl. IN 0.2) InVolt += 3; // Перевод в вольты (In: 0..1023 -> (0..VRef) scaled by Mult) float Volt = InVolt * VoltMult * VRef / 1023; float Amp = InAmp * VRef / AmpMult / AmpRx / 1023 ; // Для учета падения на шунте раскомментировать 2 строки //float RxVolt = InAmp * VRef / 1023 / AmpMult; // Volt -= RxVolt; float Watt = Volt * Amp; // Вывод данных lcd.setCursor (8, 0); lcd.print(Watt); lcd.print("W "); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print(Volt); lcd.print("V "); lcd.setCursor (8, 1); lcd.print(Amp); lcd.print("A "); }

Ссылки

• Библиотека LiquidCrystal_I2C , позволяющая задать распиновку

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.

Схема подключения Areduino через делитель напряжения

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

Внешний USB-разъем в автомагнитоле

Привет, Хабр! Сегодня хочу продолжить тему «скрещивания» arduino и android. В предыдущей публикации я рассказал про , а сегодня речь пойдет про DIY bluetooth вольтметр. Еще такой девайс можно назвать смарт вольтметр, «умный» вольтметр или просто умный вольтметр, без кавычек. Последнее название является неправильным с точки зрения грамматики русского языка, тем не менее частенько встречается в СМИ. Голосование на эту тему будет в конце статьи, а начать предлагаю с демонстрации работы устройства, чтобы понять о чем же пойдет речь в статье.

Disclaimer: статья рассчитана на среднестатистического любителя arduino, который обычно не знаком с программированием под android, поэтому как и в прошлой статье, приложение для смартфона мы будем делать, используя среду визуальной разработки android-приложений App Inventor 2.
Чтобы сделать DIY bluetooth вольтметр нам нужно написать две относительно независимых друг от друга программы: скетч для ардуино и приложение для андроид.Пожалуй начнем со скетча.
Для начала следует знать, что существует три основных варианта измерения напряжения при помощи ардуино, не зависимо от того куда нужно выводить информацию: в com-порт, на подключенный к ардуино экранчик, или на смартфон.
Первый случай: измерения напряжения до 5 вольт. Здесь достаточно одной-двух строк кода, а напряжение подается напрямую на пин А0:
int value = analogRead(0);// читаем показания с А0
voltage = (value / 1023.0) * 5; // верно только если Vcc = 5.0 вольт
Второй случай: для измерения напряжения более 5 вольт используется делитель напряжения. Схема очень простая, код тоже.

Скетч

int analogInput = A0;
float val = 0.0;
float voltage = 0.0;
float R1 = 100000.0; //Battery Vin-> 100K -> A0
float R2 = 10000.0; //Battery Gnd -> Arduino Gnd and Arduino Gnd -> 10K -> A0
int value = 0;

Void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(analogInput, INPUT);
}

Void loop() {
value = analogRead(analogInput);
val = (value * 4.7) / 1024.0;
voltage = val / (R2/(R1+R2));
Serial.println(voltage);
delay(500);
}

Arduino Uno
Блютуз модуль
Третий случай. Когда нужно получить более точные о напряжении в качестве опорного напряжения нужно использовать не напряжение питания, которое может немного меняться при питании от акб, например, а напряжение внутренного стабилизатора ардуино 1.1 вольт.Тут схема такая же, но код чуть длиннее. Подробно этот вариант разбирать не буду, так как он и так хорошо описан в тематических статьях, а мне вполне и достаточно второго способа, поскольку питание у меня стабильное, от usb-порта ноутбука.
Итак с измерением напряжения мы разобрались, теперь перейдем ко второй половине проекта: созданию андроид-приложения. Приложение будем делать прямо из браузера в среде визуальной разработки android-приложений App Inventor 2. Заходим на сайт appinventor.mit.edu/explore , авторизуемся с помощью гугл-аккаунта, нажимаем кнопку create, new project, и путем простого перетаскивания элементов создаем примерно такой дизайн:

Я сделал графику очень простой, если кому-то захочется более интересной графики, напомню, что для этого нужно использовать вместо.jpeg файлов, файлы формата.png с прозрачным фоном.
Теперь переходим во вкладку Blocks и создаем там логику работы приложения примерно так:


Если все получилось можно нажимать кнопку Build и save .apk to my computer, а затем уже скачиваем и устанавливаем приложение на смартфон, хотя есть и другие способы заливки приложения. тут уж кому как удобнее. В итоге у меня получилось вот такое приложение:


Понимаю, что мало кто использует среду визуальной разработки android-приложений App Inventor 2 в своих проектах, поэтому может возникнуть много вопросов по поводу работы в ней. Чтобы снять часть таких вопросов, я сделал подробное видео, о том как сделать такое приложение «с нуля»(для просмотра нужно перейти на ютуб):

P.S. Сборник из более 100 обучающих материалов по ардуино для начинающих и профи

Привет, Хабр! Сегодня хочу продолжить тему «скрещивания» arduino и android. В предыдущей публикации я рассказал про bluetooth машинку , а сегодня речь пойдет про DIY bluetooth вольтметр. Еще такой девайс можно назвать смарт вольтметр, «умный» вольтметр или просто умный вольтметр, без кавычек. Последнее название является неправильным с точки зрения грамматики русского языка, тем не менее частенько встречается в СМИ. Голосование на эту тему будет в конце статьи, а начать предлагаю с демонстрации работы устройства, чтобы понять о чем же пойдет речь в статье.

Disclaimer: статья рассчитана на среднестатистического любителя arduino, который обычно не знаком с программированием под android, поэтому как и в прошлой статье, приложение для смартфона мы будем делать, используя среду визуальной разработки android-приложений App Inventor 2.
Чтобы сделать DIY bluetooth вольтметр нам нужно написать две относительно независимых друг от друга программы: скетч для ардуино и приложение для андроид.Пожалуй начнем со скетча.
Для начала следует знать, что существует три основных варианта измерения напряжения при помощи ардуино, не зависимо от того куда нужно выводить информацию: в com-порт, на подключенный к ардуино экранчик, или на смартфон.
Первый случай: измерения напряжения до 5 вольт. Здесь достаточно одной-двух строк кода, а напряжение подается напрямую на пин А0:
int value = analogRead(0);// читаем показания с А0
voltage = (value / 1023.0) * 5; // верно только если Vcc = 5.0 вольт
Второй случай: для измерения напряжения более 5 вольт используется делитель напряжения. Схема очень простая, код тоже.

Скетч

int analogInput = A0;
float val = 0.0;
float voltage = 0.0;
float R1 = 100000.0; //Battery Vin-> 100K -> A0
float R2 = 10000.0; //Battery Gnd -> Arduino Gnd and Arduino Gnd -> 10K -> A0
int value = 0;

Void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(analogInput, INPUT);
}

Void loop() {
value = analogRead(analogInput);
val = (value * 4.7) / 1024.0;
voltage = val / (R2/(R1+R2));
Serial.println(voltage);
delay(500);
}

Arduino Uno
Блютуз модуль
Третий случай. Когда нужно получить более точные о напряжении в качестве опорного напряжения нужно использовать не напряжение питания, которое может немного меняться при питании от акб, например, а напряжение внутренного стабилизатора ардуино 1.1 вольт.Тут схема такая же, но код чуть длиннее. Подробно этот вариант разбирать не буду, так как он и так хорошо описан в тематических статьях, а мне вполне и достаточно второго способа, поскольку питание у меня стабильное, от usb-порта ноутбука.
Итак с измерением напряжения мы разобрались, теперь перейдем ко второй половине проекта: созданию андроид-приложения. Приложение будем делать прямо из браузера в среде визуальной разработки android-приложений App Inventor 2. Заходим на сайт appinventor.mit.edu/explore , авторизуемся с помощью гугл-аккаунта, нажимаем кнопку create, new project, и путем простого перетаскивания элементов создаем примерно такой дизайн:

Я сделал графику очень простой, если кому-то захочется более интересной графики, напомню, что для этого нужно использовать вместо.jpeg файлов, файлы формата.png с прозрачным фоном.
Теперь переходим во вкладку Blocks и создаем там логику работы приложения примерно так:


Если все получилось можно нажимать кнопку Build и save .apk to my computer, а затем уже скачиваем и устанавливаем приложение на смартфон, хотя есть и другие способы заливки приложения. тут уж кому как удобнее. В итоге у меня получилось вот такое приложение:


Понимаю, что мало кто использует среду визуальной разработки android-приложений App Inventor 2 в своих проектах, поэтому может возникнуть много вопросов по поводу работы в ней. Чтобы снять часть таких вопросов, я сделал подробное видео, о том как сделать такое приложение «с нуля»(для просмотра нужно перейти на ютуб):

P.S. Сборник из более 100 обучающих материалов по ардуино для начинающих и профи