描述

介紹

堅(jiān)持只有一個(gè)萬用表/電壓表？但是，有時(shí)您需要同時(shí)檢查 2 或 3 個(gè)電壓。那么您可能會(huì)考慮制作一個(gè)真正的直流電壓表！

采用常用組件和易于理解的代碼設(shè)計(jì)，可以同時(shí)測量單個(gè)電路或 3 個(gè)獨(dú)立電路中 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的正電壓和負(fù)電壓。

示范

硬件

以下硬件用于構(gòu)建此設(shè)備：-

• Arduino Uno：在 ATmega328P 微控制器上上傳代碼
• ATmega328P：帶有 Arduino Bootloader 和內(nèi)置 10 位 ADC 的 8 位微控制器
• 帶 I2C 接口的 128x32 1306 OLED 顯示屏：顯示電壓
• LM324 OpAmp：ADC 的模擬信號調(diào)理
• 4cm x 6 cm FR4 原型板：構(gòu)建電路板
• 10k 多圈電位器：調(diào)整零（半 AREF）電壓
• TP4056模塊：鋰聚合物電池充電
• LiPo電池：300mAh可充電電池為設(shè)備供電

工作原理：AFE 解釋

通常，ATmega328P (Arduino Uno) 可以測量 Gnd 和 AVCC 范圍之間的電壓（即 0 到 5V），無需任何分壓電阻網(wǎng)絡(luò)。如果啟用內(nèi)部 AREF，它可以測量 Gnd 和 AREF 范圍之間的電壓（即 0 到 1.1 V）。使用一些分壓器，可以測量高于 5V 的電壓。這些都是相對于 Gnd 的正電壓。

但它無法測量低于 Gnd 的任何電壓，這意味著它無法測量負(fù)電壓。問題是，ATmega328P 有一個(gè)單端 ADC，默認(rèn)情況下會(huì)根據(jù)Gnd 進(jìn)行測量。

解決辦法是，不要再對 Gnd 進(jìn)行測量。

真正的電壓表有 COM（黑色）和 V（紅色）端子，您將 COM 連接到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，V 連接到電路上的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。相對于 COM 節(jié)點(diǎn)，V 節(jié)點(diǎn)上的電壓讀數(shù)。

您需要構(gòu)建一個(gè) (AFE)模擬前端，某種信號調(diào)節(jié)電路來生成類似 COM 的行為。此 COM 節(jié)點(diǎn)的電壓應(yīng)介于 AVCC 和 Gnd 之間。理想情況下，AVCC 電壓的一半，但對于本設(shè)計(jì)，它是 AREF 的一半。

當(dāng)對 COM 進(jìn)行外部電壓測量時(shí)，您可以輕松測量正電壓和負(fù)電壓！

請仔細(xì)檢查以下電路：

那么，這里發(fā)生了什么？內(nèi)部參考 AREF 在 ATmega328P 上啟用（來自無效設(shè)置中的固件/代碼）。AREF 引腳為 1.1 V。現(xiàn)在，ADC 測量的有效范圍為 0 至 1.1 伏。

接下來，使用 LM324 運(yùn)算放大器緩沖這個(gè) 1.1 AREF 電壓，這意味著我們?nèi)匀挥衼碜缘谝粋€(gè)運(yùn)算放大器輸出的 1.1 電壓。一個(gè) 10k 多圈微調(diào)電位器精確設(shè)置為 5k 以產(chǎn)生 550mV（半 AREF）伏特。這個(gè) 550 mV 信號由第二個(gè)運(yùn)算放大器緩沖。550 mV 信號也連接到 ADC Ch - 0。它應(yīng)該讀取 512（10 位的一半）。

有一個(gè)分壓器網(wǎng)絡(luò)由 5 兆歐姆（兩個(gè) 10M 并聯(lián)）和 100 千歐姆電阻組成，連接到第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出。

我將此分壓器網(wǎng)絡(luò)上的電阻較低端 (100k) 定義為 COM，電阻較高端 (5M) 端定義為 V。此分壓器的中點(diǎn)連接到 ADC Ch - 1。當(dāng)沒有外部電壓施加到此分壓器時(shí)，ADC Ch - 1 應(yīng)讀取 512（因?yàn)?550 mV）

當(dāng)施加外部電壓時(shí)，分壓器中點(diǎn)電壓將移動(dòng)到 550 mV 以上或以下。如果 V 上的外部電壓相對于 COM 較高（正電壓），它將移動(dòng)到 550 mV 以上，如果 V 上的外部電壓相對于 COM 較低（負(fù)電壓），它將移動(dòng)到 550 mV 以下。ADC Ch-1 讀數(shù)將相應(yīng)改變。使用 ADC 讀數(shù)的這種變化，我們可以計(jì)算外部電壓。

為什么使用 AREF 而不是 AVCC ？

此設(shè)計(jì)由 LiPo 電池供電，充滿電的 LiPo 將從 4.2 伏開始，電壓會(huì)逐漸下降。所以，AVCC也會(huì)發(fā)生變化。但內(nèi)部參考 AREF 具有恒定的 1.1 伏特。這就是我選擇 AREF 的原因。

如果使用其他沒有AREF的單片機(jī)，??可以使用TL431 IC來產(chǎn)生參考電壓！

為什么使用 LM324 運(yùn)算放大器？

LM324 IC 在一個(gè)封裝中有 4 個(gè)運(yùn)算放大器，應(yīng)用廣泛，它的輸出可以（非常接近）Gnd。它還適用于 3 至 32 伏之間的任何電源電壓。

您始終可以使用更好的運(yùn)算放大器（精密、低噪聲、軌到軌）

電壓計(jì)算公式

使用 ADC 測量的電壓將是實(shí)際施加電壓的一小部分。這就是為什么在固件內(nèi)部使用以下公式來計(jì)算實(shí)際電壓的原因：-

分壓電阻器：范圍與分辨率

• 選擇正確的輸入電阻 R_Low 和 R_High 很重要，因?yàn)殡娮柚祵⒏鶕?jù)以下公式確定有效電壓測量范圍：

+/- V = (R_High / R_Low) / 2

• R_High和 R_Low 必須具有可以處理測量電壓的額定功率，應(yīng)滿足以下公式：

V < sqrt ((R_High + R_Low) * P)

• 電壓測量設(shè)備的輸入阻抗必須在數(shù)百千歐到幾兆歐的數(shù)量級，以最大限度地減少負(fù)載效應(yīng)：

R_High + R_Low > hundreds of kOhms to few MOhms

對于這個(gè)項(xiàng)目，這個(gè)電壓表可以測量 +/- 25 伏特，R_High = 5M（或 5000k）和 R_Low = 100K ，額定功率為 1/10 瓦，滿足以上 3 個(gè)條件

• 接下來是測量分辨率，它受實(shí)際 ADC 分辨率和您要設(shè)置的有效測量范圍的限制。ADC 分辨率是可以識別的最小增量電壓。

Measurement Resolution = Measurement Range / ADC Resolution

• 例如：如果使用 10 位 ADC 將測量范圍設(shè)置為 +/- 5 V，您應(yīng)該在該范圍內(nèi)獲得大約 10 mV 的分辨率。但對于這個(gè)測量范圍為 +/- 25 V（總計(jì) 50V）的設(shè)計(jì)，分辨率約為 49 mV。
• 分辨率還取決于顯示器中顯示的位數(shù)。此設(shè)計(jì)僅顯示小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)字，因此 49 mV 分辨率可高達(dá) 100 mV 或 0.1 伏特。

示例：假設(shè)新的 AA 電池用 Fluke 電壓表讀數(shù)為 1.627 伏，但該電壓表可能讀數(shù)僅為 1.5 或 1.6 或 1.7 伏

• For better range or resolution select microcontroller with 12 bit ADC or more
• Reduce measurement range to increase resolution
• Reduce resolution to increase range or measure bigger voltages

準(zhǔn)確性：硬件和軟件設(shè)計(jì)如何提供幫助

準(zhǔn)確性取決于很多因素。在這個(gè)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了以下一些技巧。

• 首先，輸入電阻（分壓器 R_Low 和 R_High 上的電阻）必須具有更好的容差，大約為 1% 或更小。這將確保電阻器的電阻非常接近其額定值。
• AVCC 和 Gnd 引腳上帶有去耦電容器的穩(wěn)定電源（最好是電池，無 SMPS）將降低噪聲。建議使用 10uF 電容
• 穩(wěn)定的AREF 或模擬參考電壓對于精度非常重要，放置一個(gè) 100nF 的電容就可以做到這一點(diǎn)。
• 使用低噪聲電子設(shè)備將有助于提高準(zhǔn)確性（更好的 Opamp）
• 建議在模擬前端采用良好的布線做法和屏蔽

在固件中實(shí)施以下操作將提高準(zhǔn)確性：-

• 在切換模擬通道之前/之后添加輕微的延遲
• 丟棄第一個(gè)模擬轉(zhuǎn)換值
• 取幾百個(gè)樣本并取平均值以提高準(zhǔn)確性
• 使用偏移變量進(jìn)行讀數(shù)的軟校正/調(diào)整

盡管可以使用以下代碼將 Arduino UNO 或 Atmega328P 的 AREF 引腳設(shè)置為 1.1 伏

analogReference(INTERNAL);

不同芯片的實(shí)際 AREF 電壓可能在 1.06 伏到 1.13 伏之間變化。建議使用高精度萬用表測量 AREF 引腳，并找到實(shí)際電壓。然后在代碼中定義它以獲得更高的準(zhǔn)確性

#define AREF 1.097            // Aref pin voltage

不要只是復(fù)制粘貼 1.1 伏！

輸入保護(hù)：安全問題！

這是用于過壓或浪涌保護(hù)的雙向二極管鉗位，您可以與 R_Low 并聯(lián)使用。由于空間不足，我將這部分留在了我的構(gòu)建中！

安全永遠(yuǎn)不能掉以輕心！當(dāng) R_Low 兩端的電壓超過 +/- 800 mV 時(shí)，這些二極管將開始鉗位。這只是一個(gè)例子，根據(jù)需要使用不同類型的二極管以獲得合適的鉗位電壓。

編程和焊接

• 第 1 步：從此處在您的計(jì)算機(jī)上下載并安裝 Arduino 。

• 第 2 步：打開 IDE。轉(zhuǎn)到工具 > 庫管理器并鍵入“u8g”

為 1306 OLED 顯示器安裝u8glib（由 Oliver 設(shè)計(jì)）庫。

• 第 3 步：將 Arduino Uno 連接到 USB，復(fù)制并粘貼下面附帶的代碼。然后編譯并上傳代碼。
• 第 4 步：從 Uno 板上取下 Atmega328P 芯片

• 第 5 步：根據(jù)此原理圖構(gòu)建電路。將所有組件焊接到原型板上。

執(zhí)行電壓校準(zhǔn)和測量

校準(zhǔn)

為獲得最佳效果，您需要使用常規(guī)萬用表/電壓表校準(zhǔn)該電壓表。您將需要任何電池 AA 或 LiPo。用普通萬用??表測量電池電壓。然后用這個(gè)電壓表測量電池。看到讀數(shù)有一些差異，現(xiàn)在稍微調(diào)整/調(diào)整 10K 電位器（參見示意圖）以進(jìn)行校準(zhǔn)。

通過反轉(zhuǎn)電池的負(fù)電壓來執(zhí)行相同的步驟。

您還可以通過使用電阻器定義的值添加/減去一些偏移值來從代碼進(jìn)行軟校準(zhǔn)。

測量

共有 3 個(gè) Commons COM1、COM2、COM3 和 3 個(gè)對應(yīng)的 V1、V2、V3 探頭，用于 3 個(gè)不同通道的電壓測量。

對于通道 1，電壓是在 V1 上相對于 COM1 測量的。如果用 V1 探測的電路節(jié)點(diǎn)的電位高于用 COM1 探測的節(jié)點(diǎn)，則電壓讀數(shù)將為正。如果 V1 和 COM1 在這兩個(gè)電路節(jié)點(diǎn)上交換，則電壓讀數(shù)將為負(fù)。

同樣適用于帶 V2 和 COM2 的通道 2 以及帶 V3 和 COM3 的通道 3。

在不共享任何電氣連接的 3 個(gè)不同電路上測量三個(gè)不同電壓時(shí)，對 3 個(gè)電路使用 V1/COM1、V2/COM2、V3/COM3 對。

在單個(gè)電路上測量三個(gè)不同的電壓時(shí)，請勿使用多個(gè) COM 。只需將一個(gè) COM （例如 COM3，任何 COM 都可以！）連接到 Gnd 或該電路的任何節(jié)點(diǎn)。然后使用 V1、V2、V3 測量 3 個(gè)不同節(jié)點(diǎn)上相對于 Gnd 或連接 COM 的節(jié)點(diǎn)的 3 個(gè)不同電壓。

在同一電路上連接多個(gè) COM 會(huì)搞砸讀數(shù)！

結(jié)論和未來的工作

我忘了添加一些重要的東西，當(dāng)電壓范圍超過測量范圍時(shí)顯示 OL（過載）。希望我會(huì)用額外的功能更新代碼。

內(nèi)部 EEPROM 上的一些電壓記錄可能很方便，我也會(huì)嘗試這樣做。我想為 REL（歸零幻影電壓）和 HOLD（凍結(jié)屏幕）添加幾個(gè)按鈕。我已經(jīng)在頂部焊接了一個(gè)母接頭以供將來擴(kuò)展，敬請期待。

該設(shè)計(jì)可用于測量緩慢變化的交流電壓/信號（假設(shè)為正弦波），而無需更改硬件。它還可用于設(shè)計(jì)分流電流表（提示：用非常低的 R 值替換分壓器）。但是您需要為此編寫不同的代碼。

這個(gè)概念適用于任何微控制器，請隨意構(gòu)建您自己的設(shè)計(jì)，祝您好運(yùn)。