Простой вольтметр на AVR на 50, 5 и 0.3В

Плата нашего измерительного прибора универсальна и в зависимости от установленных элементов может выполнять функции как вольтметра, так и амперметра с различными пределами измерений. В этой статье речь пойдет о том, как из нее сделать простой вольтметр на AVR с разными пределами измерения. В отдельной статье рассказано о том, как на основе той же самой платы можно сделать амперметр.

Схема измерительного прибора

Для того, чтобы схема была универсальна ко входу можно подключить шунт, делитель напряжения или операционный усилитель.

Схема измерительного прибора

Делитель напряжения R2, R3 позволяет измерять напряжения больше 5ти вольт. Для измерения малых напряжений входной сигнал пропускается через операционный усилитель DA2 с регулируемым коэффициентом усиления. Его коэффициент усиления задается резисторами R4, R5. Для измерения тока на входе прибора должен быть установлен шунт R1.
Основой схемы служит микроконтроллер Atmega8. После преобразования уровня сигнала он поступает на вход АЦП, встроенного в микроконтроллер. Микроконтроллер выводит полученное значение на трехразрядном сегментном индикаторе с общим анодом. Напряжение на аноды разрядов поступает через транзисторы. Резисторы в эмиттерах R9, R10, R11 задают яркость индикатора. Способ индикации — динамический.
Питание можно подавать напрямую от источника напряжения 5В, либо через стабилизатор. Обратите внимание, что минус питания и минус измерительного входа соединены друг с другом.

Печатная плата

Плата измерительного прибора

Плата односторонняя и содержит все элементы измерительного прибора. Резистор R1 (шунт амперметра) имеет несколько посадочных мест для корпусов разной мощности. Файл с платой, нарисованной в формате Sprint-Layout 5.0 можно скачать по ссылке.

Программа

При включении устройства в течении двух секунд на индикатор выводится приветствие «HI», после чего начинается работа прибора. В AVR-микроконтроллерах используется 10-ти разрядный АЦП. В нашем проекте мы используем только девять разрядов. Эта разрядность позволяет получить конечную приборную точность 1%. Для большей стабильности и плавности изменения показаний берется выборка из ста отсчетов и на дисплей выводится наибольший из них. Если входное напряжение превышает диапазон измеряемых значений на индикатор выводится сообщение: -0. Третий разряд не включается, если он не используется.
HEX-фал для каждой версии свой. Мы будем их прикладывать к каждой версии отдельно. Фьюз-биты всегда должны оставаться заводскими. Прошивка загружается через стандартный 6ти-пиновый разъем ISP-программирования.

Технические характеристики

• напряжение питания, 5В либо 7-12В
• потребляемый ток, не более 60мА
• частота обновления индикатора, 56Гц
• пределы измерения, 0.5В, 5В, 50В
• входное сопротивление, не менее 10кОм
• точность, не менее, 10%

Вольтметр на 50В

Для сборки вольтметра с пределом измерения 50В нужно установить все элементы, кроме R1, R4, R5, DA2. Если вы не планируете использовать нестабилизированное питание, то можно не устанавливать также конденсатор C1 и стабилизатор DA1.

Плата вольтметра на 50В

После сборки плата с лицевой стороны выглядит так:

Вольтметр на 50В. Лицевая сторона

…и с обратной стороны:

Вольтметр на 50В. Обратная сторона

Элементы схемы на предел 50В:

1. C2 — танталовый конденсатор, 22мкФ, 16В T491C226K016AT, 1шт.
2. C1,C3,C4 — конденсаторы на 0,1мкФ в корпусе 0805
3. DA1 — стабилизатор L7805 в корпусе D2PAK, 1шт.
4. DD1 — микроконтроллер Atmega8a-au, 1шт.
5. J1 — чип-резистор 1206 с сопротивлением 0 Ом, 1шт. (перемычка)
6. HL1 — сегментный индикатор BA56-12YWA, 1шт. (желательно устанавливать через колодку)
7. R2 — подстроечный резистор CA6V на 2,5кОм, 1шт
8. R3 — чип-резистор 0805 на 10кОм, 1шт.
9. R6-R8, R12 — чип-резисторы 0805 на 1кОм, 4шт.
10. R9-R11 — чип-резисторы 0805 на 56Ом, 3шт. (можно взять с меньшим сопротивлением для увеличения яркости)
11. VT1-VT3 — транзисторы BC807-40, 3шт.
12. Гребенка PLS-контактов

Прошивку для версии с пределом измерения на 50В можно скачать здесь. Фьюз-биты оставляем без изменения.
Если все правильно собрано, то работать должно примерно так:

На видео левый блок используется как источник питания, а правый в качестве источника измеряемого напряжения.

Вольтметр на 5В

На плату необходимо установить следующие элементы:

1. C2 — танталовый конденсатор, 22мкФ, 16В T491C226K016AT, 1шт.
2. C1,C3,C4 — конденсаторы на 0,1мкФ в корпусе 0805
3. DA1 — стабилизатор L7805 в корпусе D2PAK, 1шт.
4. DD1 — микроконтроллер Atmega8a-au, 1шт.
5. J1 — чип-резистор 1206 с сопротивлением 0 Ом, 1шт. (перемычка)
6. HL1 — сегментный индикатор BA56-12YWA, 1шт. (желательно устанавливать через колодку)
7. R2 — подстроечный резистор CA6V на 25кОм, 1шт
8. R3 — чип-резистор 0805 на 1кОм, 1шт.
9. R6-R8, R12 — чип-резисторы 0805 на 1кОм, 4шт.
10. R9-R11 — чип-резисторы 0805 на 56Ом, 3шт. (можно взять с меньшим сопротивлением для увеличения яркости)
11. VT1-VT3 — транзисторы BC807-40, 3шт.
12. Гребенка PLS-контактов

Фактически отличаются только сопротивления резисторов в делителе напряжения R2, R3.
Прошивку для версии вольтметра на 5В можно скачать здесь. Фьюз-биты оставляем без изменения. Отличие этой прошивки от предыдущей только в положении разрядной точки.
Видео работы вольтметра на 5В:

Вольтметр на 300мВ

Для работы с пределом измерения от 0 до 300мВ потребуется дополнительный каскад на микросхеме LM358N. Принципиальная схема при этом принимает следующий вид:

Схема вольтметра на 300мВ

Резисторы R4, R5 задают коэффициент усиления усилителя. R1 необходим для того, чтобы в отсутствии входного сигнала вольтметр показывал 0В.
Элементы платы:

1. C2 — танталовый конденсатор, 22мкФ, 16В T491C226K016AT, 1шт.
2. C1,C3,C4 — конденсаторы на 0,1мкФ в корпусе 0805
3. DA1 — стабилизатор L7805 в корпусе D2PAK, 1шт.
4. DA2 — операционный усилитель L358N в корпусе SO8, 1шт.
5. DD1 — микроконтроллер Atmega8a-au, 1шт.
6. J1 — чип-резистор 1206 с сопротивлением 0 Ом, 1шт. (перемычка)
7. HL1 — сегментный индикатор BA56-12YWA, 1шт. (желательно устанавливать через колодку)
8. R1 — чип-резистор 0805 на 10кОм, 1шт.
9. R4 — чип-резистор 0805 на 1кОм, 1шт.
10. R5 — подстроечный резистор CA6V на 25кОм, 1шт
11. R6-R8, R12 — чип-резисторы 0805 на 1кОм, 4шт.
12. R9-R11 — чип-резисторы 0805 на 56Ом, 3шт. (можно взять с меньшим сопротивлением для увеличения яркости)
13. VT1-VT3 — транзисторы BC807-40, 3шт.
14. Гребенка PLS-контактов

Версия прошивки для этого вольтметра не использует разрядную точку совсем. Если старшие разряды индикатора не используются, то они отключаются. В этой версии вольтметра переполнение показывается при достижении входного напряжения 300мВ. Скачать ее можно здесь. Фьюз-биты также необходимо оставить без изменения.
Видео работы вольтметра с пределом измерения 300мВ:

Предосторожности в работе и особенности эксплуатации

Вольтметр предназначен для встраивания в любительскую радиоаппаратуру и поэтому не имеет встроенных схем защиты. Вы можете его раз и навсегда встроить его в свой лабораторный блок питания или для контроля показаний какого-либо датчика. Он не предназначен для повседневного использования в качестве тестера, поэтому необходимо соблюдать предосторожности при работе с ним:

1. Вольтметр рассчитан только для измерения постоянного напряжения
2. У вольтметра нет встроенной защиты от смены полярности входного напряжения
3. Измерения производятся относительно напряжения питания. Другими словами стабильность питающего напряжения определяет точность показаний вольметра.
4. У вольтметра нет защиты по входу. Не стоит подавать на него напряжения больше предельного
5. Вход вольметра не имеет гальванической развязки. Если вы питаете основную схему и предложенный вольтметр от одного и того же источника питания измерения можно производить только относительно общего провода. В случае, когда необходимо измерить разность потенциалов между двумя точками на которых есть напряжение, необходимо использовать для питания вольтметра отдельный источник питания с гальванической развязкой через трансформатор. И при этом обязательно подключать минус вольтметра к точке с меньшим напряжением!
6. Если необходимо увеличить яркость индикатора, можно уменьшить сопротивление резисторов R9-R11. Однако не стоит ставить сопротивление меньше 20Ом
7. Если вы планируете использовать вольтметр для индикации бортового напряжения в автомобиле вам потребует подключить только два провода: минус автомобиля к «GND» вольтметра, а плюсовой провод к выводам разъема «7-12V» и «+»

Если у вас будут какие-то пожелания относительно пределов измерения, количества включенных разрядов, положения разрядной точки и т.д., то я могу скомпилировать прошивку под ваши нужно. Вам достаточно обратиться ко мне в комментариях или через форму обратной связи на сайте. Если кто-то пропустил ссылку на плату, то вот она.
О том, как сделать на основе этой платы амперметр читайте в продолжении.

Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров shop.customelectronics.ru.