Как сделать вольтметр из ардуино. Измерение среднего значения сигнала. Программные функции аналогового ввода
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
Аналоговые входы платы Ардуино.
Плата Arduino UNO содержит 6 аналоговых входов предназначенных для измерения напряжения сигналов. Правильнее сказать, что 6 выводов платы могут работать в режиме, как дискретных выводов, так и аналоговых входов.
Эти выводы имеют номера от 14 до 19. Изначально они настроены как аналоговые входы, и обращение к ним можно производить через имена A0-A5. В любой момент их можно настроить на режим дискретных выходов.
pinMode(A3, OUTPUT); // установка режима дискретного вывода для A3
digitalWrite(A3, LOW); // установка низкого состояния на выходе A3
Чтобы вернуть в режим аналогового входа:
pinMode(A3, INPUT); // установка режима аналогового входа для A3
Аналоговые входы и подтягивающие резисторы.
К выводам аналоговых входов, так же как и к дискретным выводам, подключены подтягивающие резисторы. Включение этих резисторов производится командой
digitalWrite(A3, HIGH); // включить подтягивающий резистор к входу A3
Команду необходимо применять к выводу настроенному в режиме входа.
Надо помнить, что резистор может оказать влияние на уровень входного аналогового сигнала. Ток от источника питания 5 В, через подтягивающий резистор, вызовет падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала. Так что лучше резистор отключать.
Аналого-цифровой преобразователь платы Ардуино.
Собственно измерение напряжение на входах производится аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с коммутатором на 6 каналов. АЦП имеет разрешение 10 бит, что соответствует коду на выходе преобразователя 0…1023. Погрешность измерения не более 2 единиц младшего разряда.
Для сохранения максимальной точности (10 разрядов) необходимо, чтобы внутреннее сопротивление источника сигнала не превышало 10 кОм. Это требование особенно важно при использовании резисторных делителей, подключенных к аналоговым входам платы. Сопротивление резисторов делителей не может быть слишком большим.
Программные функции аналогового ввода.
int analogRead(port)
Считывает значение напряжения на указанном аналоговом входе. Входное напряжение диапазона от 0 до уровня источника опорного напряжения (часто 5 В) преобразовывает в код от 0 до 1023.
При опорном напряжении равном 5 В разрешающая способность составляет 5 В / 1024 = 4,88 мВ.
Занимает на преобразование время примерно 100 мкс.
int inputCod; // код входного напряжения
float inputVoltage; // входное напряжение в В
inputCod= analogRead(A3); // чтение напряжения на входе A3
inputVoltage= ((float)inputCod * 5. / 1024.); // пересчет кода в напряжение (В)
void analogReference(type)
Задает опорное напряжение для АЦП. Оно определяет максимальное значение напряжения на аналоговом входе, которое АЦП может корректно преобразовать. Величина опорного напряжения также определяет коэффициент пересчета кода в напряжение:
Напряжение на входе = код АЦП * опорное напряжение / 1024.
Аргумент type может принимать следующие значения:
- DEFAULT – опорное напряжение равно напряжению питания контроллера (5 В или 3,3 В). Для Arduino UNO R3 – 5 В.
- INTERNAL – внутреннее опорное напряжение 1,1 В для плат с контроллерами ATmega168 и ATmega328, для ATmega8 – 2,56 В.
- INTERNAL1V1 – внутреннее опорное напряжение 1,1 В для контроллеров Arduino Mega.
- INTERNAL2V56 – внутреннее опорное напряжение 2,56 В для контроллеров Arduino Mega.
- EXTERNAL – внешний источник опорного напряжения, подключается к входу AREF.
analogReference(INTERNAL); // опорное напряжение равно 1,1 В
Двухканальный вольтметр на Ардуино.
В качестве примера использования функций аналогового ввода создадим проект простого цифрового вольтметра на Ардуино. Устройство должно измерять напряжения на двух аналоговых входах платы, и передавать измеренные значения на компьютер по последовательному порту. На примере этого проекта я покажу принципы создания простых систем измерения и сбора информации.
Решим, что вольтметр должен измерять напряжение в пределах не меньше 0…20 В и разработаем схему подключения входов вольтметра к плате Arduino UNO.
Если мы зададим опорное напряжение равным 5 В, то аналоговые входы платы будут измерять напряжение в пределах 0…5 В. А нам надо как минимум 0…20 В. Значит надо использовать делитель напряжения.
Напряжение на входе и выходе делителя связаны соотношением:
Uвыхода = (Uвхода / (R1 + R2)) * R2
Коэффициент передачи:
K = Uвыхода / Uвхода = R2 / (R1 + R2)
Нам необходим коэффициент передачи 1/4 (20 В * 1/4 = 5 В).
Для сохранения максимальной точности (10 разрядов) необходимо, чтобы внутреннее сопротивление источника сигнала не превышало 10 кОм. Поэтому выбираем резистор R2 равным 4,22 кОм. Рассчитываем сопротивление резистора R1.
0,25 = 4,22 / (R1 + 4,22)
R1 = 4,22 / 0.25 – 4,22 = 12,66 кОм
У меня с ближайшим номиналом нашлись резисторы сопротивлением 15 кОм. С резисторами R1 = 15 кОм и R2 = 4,22:
5 / (4,22 / (15 + 4,22)) = 22,77 В.
Схема вольтметра на базе Ардуино будет выглядит так.
Два делителя напряжения подключены к аналоговым входам A0 и A1. Конденсаторы C1 и C2 вместе с резисторами делителя образуют фильтры нижних частот, которые убирают из сигналов высокочастотные шумы.
Я собрал эту схему на макетной плате.
Первый вход вольтметра я подключил к регулируемому источнику питания, а второй к питанию 3,3 В платы Ардуино. Для контроля напряжения к первому входу я подключил вольтметр. Осталось написать программу.
Программа для измерения напряжения с помощью платы Ардуино.
Алгоритм простой. Надо:
- с частотой два раза в секунду считывать код АЦП;
- пересчитывать его в напряжение;
- посылать измеренные значения по последовательному порту на компьютер;
- программой монитор порта Arduino IDE отображать полученные значения напряжений на экране компьютера.
Приведу скетч программы сразу полностью.
// программа измерения напряжения
// на аналоговых входах A0 и A1
#include
время периода измерения
#define R1 15. // сопротивление резистора R1
#define R2 4.22 // сопротивление резистора R2
float u1, u2; // измеренные напряжения
void setup() {
Serial.begin(9600); //
MsTimer2::start(); // разрешение прерывания
}
void loop() {
// период 500 мс
if (timeCount >= MEASURE_PERIOD) {
timeCount= 0;
//
// чтение кода канала 2 и пересчет в напряжение
u2= ((float)analogRead(A1)) * 5. / 1024. / R2 * (R1 + R2);
// передача данных через последовательный порт
Serial.print("U1 = "); Serial.print(u1, 2);
Serial.print(" U2 = "); Serial.println(u2, 2);
}
}
// обработка прерывания 1 мс
void timerInterupt() {
timeCount++;
}
Поясню строчку, в которой пересчитывается код АЦП в напряжение:
// чтение кода канала 1 и пересчет в напряжение
u1= ((float)analogRead(A0)) * 5. / 1024. / R2 * (R1 + R2);
- Считывается код АЦП: analogRead(A0) .
- Явно преобразуется в формат с плавающей запятой: (float) .
- Пересчитывается в напряжение на аналоговом входе: * 5. / 1024. Точка в конце чисел показывает, что это число с плавающей запятой.
- Учитывается коэффициент передачи делителя: / R2 * (R1 + R2) .
Загрузим программу в плату, запустим монитор последовательного порта.
Два бегущих столбика показывают значения измеренных напряжений. Все работает.
Измерение среднего значения сигнала.
Подключим первый канал нашего вольтметра к источнику напряжения с большим уровнем пульсаций. Увидим такую картину на мониторе.
Значения напряжения первого канала на экране монитора все время дергаются, скачут. А показания контрольного вольтметра вполне стабильны. Это объясняется тем, что контрольный вольтметр измеряет среднее значение сигнала, в то время как плата Ардуино считывает отдельные выборки каждые 500 мс. Естественно, момент чтения АЦП попадает в разные точки сигнала. А при высоком уровне пульсаций амплитуда в этих точках разная.
Кроме того, если считывать сигнал отдельными редкими выборками, то любая импульсная помеха может внести значительную ошибку в измерение.
Решение – сделать несколько частых выборок и усреднить измеренное значение. Для этого:
- в обработчике прерывания считываем код АЦП и суммируем его с предыдущими выборками;
- отсчитываем время усреднения (число выборок усреднения);
- при достижении заданного числа выборок – сохраняем суммарное значение кодов АЦП;
- для получения среднего значения сумму кодов АЦП делим на число выборок усреднения.
Задача из учебника математики 8 класса. Вот скетч программы, двух канального вольтметра среднего значения.
// программа измерения среднего напряжения
// на аналоговых входах A0 и A1
#include
#define MEASURE_PERIOD 500 // время периода измерения
#define R1 15. // сопротивление резистора R1
#define R2 4.22 // сопротивление резистора R2
int timeCount; // счетчик времени
long sumU1, sumU2; // переменные для суммирования кодов АЦП
long avarageU1, avarageU2; // сумма кодов АЦП (среднее значение * 500)
boolean flagReady; // признак готовности данных измерения
void setup() {
Serial.begin(9600); // инициализируем порт, скорость 9600
MsTimer2::set(1, timerInterupt); // прерывания по таймеру, период 1 мс
MsTimer2::start(); // разрешение прерывания
}
void loop() {
if (flagReady == true) {
flagReady= false;
// пересчет в напряжение и передача на компьютер
Serial.print("U1 = ");
Serial.print((float)avarageU1 / 500. * 5. / 1024. / R2 * (R1 + R2), 2);
Serial.print(" U2 = ");
Serial.println((float)avarageU2 / 500. * 5. / 1024. / R2 * (R1 + R2), 2);
}
}
// обработка прерывания 1 мс
void timerInterupt() {
timeCount++; // +1 счетчик выборок усреднения
sumU1+= analogRead(A0); // суммирование кодов АЦП
sumU2+= analogRead(A1); // суммирование кодов АЦП
// проверка числа выборок усреднения
if (timeCount >= MEASURE_PERIOD) {
timeCount= 0;
avarageU1= sumU1; // перегрузка среднего значения
avarageU2= sumU2; // перегрузка среднего значения
sumU1= 0;
sumU2= 0;
flagReady= true; // признак результат измерений готов
}
}
В формулу пересчета кода АЦП в напряжение добавилось /500 – число выборок. Загружаем, запускаем монитор порта (Cntr+Shift+M).
Теперь, даже при значительном уровне пульсаций, показания меняются на сотые доли. Это только потому, что напряжение не стабилизировано.
Число выборок надо выбирать, учитывая:
- число выборок определяет время измерения;
- чем больше число выборок, тем меньше будет влияние помех.
Основным источником помех в аналоговых сигналах является сеть 50 Гц. Поэтому желательно выбирать время усреднения кратное 10 мс – времени полупериода сети частотой 50 Гц.
Оптимизация вычислений.
Вычисления с плавающей запятой просто пожирают ресурсы 8ми разрядного микроконтроллера. Любая операция с плавающей запятой требует денормализацию мантиссы, операцию с фиксированной запятой, нормализацию мантиссы, коррекцию порядка… И все операции с 32 разрядными числами. Поэтому необходимо свести к минимуму употребление вычислений с плавающей запятой. Как это сделать я расскажу в следующих уроках, но давайте хотя бы оптимизируем наши вычисления. Эффект будет значительный.
В нашей программе пересчет кода АЦП в напряжение записан так:
(float)avarageU1 / 500. * 5. / 1024. / R2 * (R1 + R2)
Сколько здесь вычислений, и все с плавающей запятой. А ведь большая часть вычислений – операции с константами. Часть строки:
/ 500. * 5. / 1024. / R2 * (R1 + R2)
(float)avarageU1 * 0.00004447756
Умные компиляторы сами распознают вычисления с константами и рассчитывать их на этапе компиляции. У меня возник вопрос, насколько умный компилятор Андруино. Решил проверить.
Я написал короткую программу. Она выполняет цикл из 10 000 проходов, а затем передает на компьютер время выполнения этих 10 000 циклов. Т.е. она позволяет увидеть время выполнения операций, размещенных в теле цикла.
// проверка оптимизации вычислений
int x= 876;
float y;
unsigned int count;
unsigned long timeCurrent, timePrev;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
count++;
// y= (float)x / 500. * 5. / 1024. / 4.22 * (15. + 4.22);
// y= (float)x * 0.00004447756
;
if (count >= 10000) {
count= 0;
timeCurrent= millis();
Serial.println(timeCurrent - timePrev);
timePrev= timeCurrent;
}
}
В первом варианте, когда в цикле операции с плавающей запятой закомментированы и не выполняются, программа выдала результат 34 мс.
Т.е. 10 000 пустых циклов выполняются за 34 мс.
Затем я открыл строку:
y= (float)x / 500. * 5. / 1024. / 4.22 * (15. + 4.22);
повторяет наши вычисления. Результат 10 000 проходов за 922 мс или
(922 – 34) / 10 000 = 88,8 мкс.
Т.е. эта строка вычислений с плавающей запятой требует на выполнение 89 мкс. Я думал будет больше.
Теперь я закрыл эту строку комментарием и открыл следующую, с умножением на заранее рассчитанную константу:
y= (float)x * 0.00004447756 ;
Результат 10 000 проходов за 166 мс или
(166 – 34) / 10 000 = 13,2 мкс.
Потрясающий результат. Мы сэкономили 75,6 мкс на одной строке. Выполнили ее почти в 7 раз быстрее. У нас таких строк 2. Но ведь их в программе может быть и гораздо больше.
Вывод – вычисления с константами надо производить самим на калькуляторе и применять в программах как готовые коэффициенты . Компилятор Ардуино их на этапе компиляции не рассчитает. В нашем случае следует сделать так:
#define ADC_U_COEFF 0.00004447756 // коэффициент перевода кода АЦП в напряжение
Serial.print((float)avarageU1 * ADC_U_COEFF, 2);
Оптимальный по быстродействию вариант – это передать на компьютер код АЦП, а вместе с ним и все вычисления с плавающей запятой. При этом на компьютере принимать данные должна специализированная программа. Монитор порта из Arduino IDE не подойдет.
О других способах оптимизации программ Ардуино я буду рассказывать в будущих уроках по мере необходимости. Но без решения этого вопроса невозможно разрабатывать сложные программы на 8ми разрядном микроконтроллере.
На сайте появился еще один урок (
В этой статье приводится интересная схема для любителей экспериментов и Arduino . В ней представлен простой цифровой вольтметр, который может безопасно измерять постоянное напряжение в диапазоне от 0 до 30 В. Сама плата Arduino может питаться от стандартного источника 9 В.
Как известно, с помощью аналогового входа Arduino можно измерить напряжение от 0 до 5 В (при стандартном опорном напряжении 5 В). Но этот диапазон можно расширить, воспользовавшись делителем напряжения.
Делитель понижает измеряемое напряжение до приемлемого для аналогового входа уровня. Затем специально написанный код высчитывает фактическое напряжение.
Аналоговый датчик в составе Arduino определяет напряжение на аналоговом входе и преобразует его в цифровой формат, воспринимаемый микроконтроллером. К аналоговому входу A0 мы подключаем делитель напряжения, образованный сопротивлениями R1 (100K) и R2 (10K). С такими значениями сопротивлений на Arduino можно подавать до 55 В, поскольку коэффициент деления в данном случае получается 11, поэтому 55В/11=5В. Для того, чтобы быть уверенным в безопасности измерений для платы, лучше проводить измерение напряжения в диапазоне от 0 до 30 В.
Если показания дисплея не соответствуют показанием поверенного вольтметра, следует использовать прецизионный цифровой мультиметр для нахождения точных значений R1 и R2. При этом в коде нужно будет заменить R1=100000.0 и R2=10000.0 своими значениями. Затем стоит проверить питание, измерив на плате напряжение между 5V и GND. Напряжение может быть 4.95 В. Тогда в коде vout = (value * 5.0) / 1024.0 нужно заменить 5.0 на 4.95. Желательно использовать прецизионные резисторы с погрешностью не более 1%. Помните, что напряжение выше 55 В может вывести плату Arduino из строя!
#include
Используемые элементы:
Плата Arduino Uno
Резистор 100 КОм
Резистор 10 КОм
Резистор 100 Ом
Потенциометр 10 КОм
LCD-дисплей 16×2
Идея
Идея устройства для измерения напряжения, тока, емкости, разряда, а может и заряда возникла давно и не только у меня. Можно найти немало игрушек под названием USB Tester (Doctor) для тестирования различных устройств с USB. Мне же интересно несколько более универсальное устройство, независимое от интерфейса, а просто рассчитанное на определенные напряжения и токи. Например, 0 - 20.00в, 0 - 5.00а, 0 - 99.99Ач. Что касается функций, то я вижу так
- Отображение текущих напряжения и тока, то есть вольт-ампер-метр. Впринципе, можно и мощность сразу отразить.
- Подсчет и отображение накопленной емкости. В ампер-часах и всего скорее в ватт-часах.
- Отображение времени процесса
- И, всего скорее, настраиваемые нижний и верхний пороги отключения по напряжению (ограничения разряда и заряда)
Разработка
Для реализации расчетов и измерений нам понадобится контроллер. Я вспомнил эту идею в рамках знакомства с Arduino, поэтому контроллером будет простая популярная Atmega328 и программироваться она будет в среде Arduino. С инженерной точки зрения выбор наверно не самый хороший - контроллер для задачи слегка жирноват, а его АЦП не назовешь измерительными, но... будем пробовать.
- Паять в этом проекте много не будем. В качестве основы возьмем готовый модуль Arduino Pro Mini, благо китайцы готовы их поставлять по $1.5 в розницу.
- В качестве устройства отображения будет выступать дисплей 1602 - еще $1.5. У меня вариант с интерфейсным модулем I2C, но в этом проекте он не сильно нужен ($0.7).
- Для разработки нам понадобиться макетная плата. В моем случае это небольшая BreadBoard за $1.
- Разумеется понадобятся провода и некоторое количество резисторов разного номинала. Для дисплея 1602 без I2C нужен также подбор контрастности - делается переменным резистором на 2 - 20 кОм.
- Для реализации амперметра понадобится шунт. В первом приближении им может быть резистор 0.1 Ом, 5 Вт.
- Для реализации автоматики отключения понадобится реле с контактами рассчитанными на максимальный ток устройства и напряжением равным напряжению питания. Для управления реле нужен npn транзистор и защитный диод.
- Устройство будет питаться от внешнего источника питания, очевидно, что не менее 5 в. Если питание будет сильно варьироваться, то так же потребуется интегральный стабилизатор типа 7805 - он и определит напряжение реле.
- В случае Arduino Pro Mini для заливки прошивки потребуется USB-TTL конвертер.
- Для наладки понадобится мультиметр.
Вольтметр
Я реализую простой вольтметр с одним диапазоном примерно 0 - 20в. Это замечанием важно, тк АЦП нашего контроллера имеет разрядность 10 бит (1024 дискретных значения), поэтому погрешность составит не менее 0.02 в (20 / 1024). Для реализации железно нам нужен аналоговый вход контроллера, делитель из пары резисторов и какой-нибудь вывод (дисплей в законченном варианте, для отладки можно последовательный порт).
Принцип измерения АЦП состоит в сравнении напряжения на аналоговом входе с опорным VRef. Выход АЦП всегда целый - 0 соответствует 0в, 1023 соответствует напряжению VRef. Измерение реализовано путем серии последовательных чтений напряжения и усреднения по периоду между обновлениями значения на экране. Выбор опорного напряжения важен, поскольку по умолчанию оно равно напряжению питания, которое может быть не стабильно. Это нам совершенно не подходит - за основу мы будем брать стабильный внутренний опорный источник напряжением 1.1в, инициализируя его вызовом analogReference(INTERNAL). Затем мы откалибруем его значение по показаниям мультиметра.
На схеме слева - вариант с прямым управлением дисплея (он просто управляется - смотрите стандартный скетч LiquidCrystal\HelloWorld). Справа - вариант с I2C, который я и буду использовать дальше. I2C позволяет сэкономить на проводах (коих в обычном варианте - 10, не считая подсветки). Но при этом необходим дополнительный модуль и более сложная инициализация. В любом случае, отображение символов на модуле надо сначала проверить и настроить контрастность - для этого надо просто вывести после инициализации любой текст. Контрастность настраивается резистором R1, либо аналогичным резистором I2C модуля.
Вход представляет собой делитель 1:19, который позволяет при Vref = 1.1 получить максимальное напряжение около 20в (обычно параллельно входу ставят конденсатор + стабилитрон для защиты, но нам пока это не важно). Резисторы имеют разброс, да и опорное Vref контроллера тоже, поэтому после сборки надо измерить напряжение (хотя бы питания) параллельно нашим устройством и эталонным мультиметром и подобрать Vref в коде до совпадения показания. Так же стоить отметить, что любой АЦП имеет напряжение смещения нуля (которое портит показания в начале диапазона), но мы пока не будем в это углубляться.
Также важным будет разделение питающей и измерительной "земли". Наш АЦП имеет разрешение чуть хуже 1мВ, что может создавать проблемы при неправильной разводке, особенно на макете. Поскольку разводка платы модуля уже сделана и нам остается только выбор пинов. "Земляных" пинов у модуля несколько, поэтому мы должны сделать так, чтобы питание в модуль заходило по одной "земле", а измерения по другой. Фактически для изменений я всегда использую "земляной" пин ближайший к аналоговым входам.
Для управление I2C используется вариант библиотеки LiquidCrystal_I2C - в моем случае указывается специфическая распиновка модуля I2C (китайцы производят модули с отличающимся управлением). Так же отмечу, что I2C в Arduino предполагает использование именно пинов A4, A5 - на плате Pro Mini они находятся не с краю, что неудобно для макетирования на BreadBoard.
Исходный код
#includeВ этой статье показано как связать Arduino и ПК и передавать на ПК данные с АЦП. Программа для Windows написана с использованием Visual C++ 2008 Express. Программа вольтметра очень проста и имеет обширное поле для улучшений. Основной её целью было показать работу с COM-портом и обмен данными между компьютером и Arduino.
Связь между Arduino и ПК:
- Снятие показаний с АЦП начинается, когда компьютер посылает Arduino команды 0xAC и 0x1y. у – номер канала АЦП (0-2);
- Снятие показаний прекращается после получения Arduino команд 0xAC и 0×00;
- Во время снятия показаний Arduino раз в 50 мс посылает компьютеру команды 0xAB 0xaa 0xbb, где aa и bb максимальные и минимальные результаты измерения.
Программа для Arduino
Подробнее о последовательной связи Вы можете прочесть на arduino.cc. Программа достаточно проста, большую её часть занимает работа с параллельным портом. После окончания снятия данных с АЦП мы получаем 10 битное значение напряжения (0×0000 – 0×0400) в виде 16-битных переменных (INT). Последовательный порт (RS-232) позволяет передавать данные в пакетах по 8 бит. Необходимо разделить 16-битные переменные на 2 части по 8 бит.
Serial.print(voltage>>8,BYTE);
Serial.print(voltage%256,BYTE);
Мы смещаем байты переменной на 8 бит вправо и потом делим на 256 и результат отправляем на компьютер.
Полный исходник ПО для Arduino вы можете скачать
Visual C++
Я предполагаю, что у Вас уже есть базовые знания в области программирования на C + + для Windows, если нет, то используйте Google. Интернет полон уроков для начинающих.
Первое, что нужно сделать, это добавить последовательный порт из панели инструментов в нижнюю форму. Это позволит изменить некоторые важные параметры последовательного порта: имя порта, скорость передачи данных, битность. Это полезно для добавления элементов управления в окно приложения, для изменения этих настроек в любое время, без перекомпиляции программы. Я использовал только возможность выбора порта.
После поиска доступных последовательных портов первый порт выбирается по умолчанию. Как это сделано:
array< String ^>^ serialPorts = nullptr;
serialPorts = serialPort1->GetPortNames();
this->comboBox1->Items->AddRange(serialPorts);
this->comboBox1->SelectedIndex=0;
Последовательный порт на ПК может быть использован только одним приложением одновременно, так что порт должен быть открыт перед использованием и не закрываться. Простые команды для этого:
serialPort1->Open();
serialPort1->Close();
Для правильного чтения данных из последовательного порта необходимо использовать события (в нашем случае прерывание). Выберите тип события:
Раскрывающийся список при двойном нажатии "DataReceived".
Код события генерируется автоматически:
Если первый байт прибывший по последовательному порту 0xAB, если это означает, что остальные байты несут данные о напряжении.
private: System::Void serialPort1_DataReceived(System::Object^ sender, System::IO::Ports::SerialDataReceivedEventArgs^ e) {
unsigned char data0, data1;
if (serialPort1->ReadByte()==0xAB) {
data0=serialPort1->ReadByte();
data1=serialPort1->ReadByte();
voltage=Math::Round((float(data0*256+data1)/1024*5.00),2);
data_count++;
serialPort1->ReadByte();
Запись и чтение данных последовательного порта
Для меня небольшой проблемой было послать шестнадцатиричные RAW-данные через последовательный порт. Была использованна команда Write(); но с тремя аргументами: массив, номер стартового байта, кол-во байтов для записи.
private: System::Void button2_Click_1(System::Object^ sender, System::EventArgs^ e) {
unsigned char channel=0;
channel=this->listBox1->SelectedIndex;
array^start ={0xAC,(0x10+channel)};
array^stop ={0xAC,0x00};
serialPort1->Write(start,0,2);
this->button2->Text="Stop";
} else {
serialPort1->Write(stop,0,2);
this->button2->Text="Start";
На этом все!
Оригинал статьи на английском языке (перевод: Александр Касьянов для сайта cxem.net)
