Простой DC PowerMetr на STM32F030 и OLED дисплее 128x32

Автор: pap.cot
Опубликовано 06.10.2020
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2020!"

Сердечно поздравляю radiokot.ru с 15-ти летием!

DC PowerMetr – это цифровой вольтметр 0-200 В, амперметр постоянного тока 0-5 А, измеритель напряжения, тока, мощности, энергии (далее - прибор)

Ссылка на проект:  https://easyeda.com/pap.cot/powermonitorv1    

Пришлось мне тестировать светодиодный драйвер с выходным напряжением до 200 Вольт (измерять ток, напряжение, мощность, КПД, переходные характеристики БП) – приходилось подключать вольтметр, амперметр, высчитывать потребляемую мощность. Так же для оценки износа аккумуляторов нужен был измеритель энергии при заряде/разряде. Так появилось желание разработать из дешевых компонентов простой измеритель мощности на STM32F030К6, OLED дисплее 128x32 и одном Rail-to-Rail 2-х канальном операционном усилителе (ОУ) с однополярным питанием.

Возможности и краткие характеристики измерителя мощности постоянного напряжения:

• измерение входного напряжения в двух диапазонах: от 0 до 18В (шаг 1.1 мВ) и от 18 до 200В (шаг 12.2 мВ);
• измерение входного тока в двух диапазонах: от 0 до 0.6А (шаг 37 мкА) и от 0.6 до 5А (шаг 306 мкА);
• погрешность измерения напряжения и тока:  < 1%;
• выбор измеряемого диапазона – автоматический с индикацией;
• расчет мощности;
• расчет сопротивления;
• расчет тока за период времени 1 час в мА/час;
• расчет мощности за период времени 1 час в Вт/час;
• встроенный модулятор сопротивления с ручным и частотным (1 Гц/20% скважность и 100 Гц/50% скважность) управлением;
• питается прибор от Li-Ion аккумулятора (АБ) 4.2В, зарядка через микро ЮСБ разъем;
• индикация разряда аккумулятора на дисплее;
• включение прибора от зарядки или при подключении входного напряжения > 0.7 В;
• ток потребления прибора – не более 12 мА.

Структурная схема прибора

 Cхема прибора

 Микроконтроллер при помощи 12-ти битного АЦП одновременно измеряет 2 канала: ток и напряжение.

Канал тока: для измерения тока используется токовый шунт с малым сопротивлением (около 45 мОм), с которого сигнал усиливается операционным усилителем U2.2 (усилитель тока). Два диапазона усиления изменяются замыканием или размыканием полевого транзистора Q1 сигналом "I H/L". При малом токе индикация на дисплее "L", большом "Н".

Канал напряжения: для измерения напряжения больше питания контроллера (>3.3 В), на входе ОУ U2.1 применен делитель напряжения. Сигналом "U H/L" контроллер переключает усиление ОУ при помощи полевого транзистора Q2 меняя диапазон измеряемого напряжения. При низком напряжении индикация на дисплее "L", большом "Н".

Для оцифровки данных с АЦП используется DMA и кольцевой буфер. При заполнении половины буфера происходит прерывание в котором суммируются его данные и заносятся в буфер фильтра. В основном цикле из буфера фильтра производится расчет тока и напряжения в формате float и показания выводятся на OLED дисплей. За счет оверсемплинга повышается разрядность (точность) измерения.

 Для модуляции сопротивления используется полевой транзистор параллельно которому подключен модулирующий резистор. Его сигнал "U модулятора" также подключен к разъему коммутации.

Кнопка "Выбор" переключает индикацию с разным шрифтом измеряемых параметров по кругу:
• U,V=; I,A=; P,W= (x2 шрифт);
• P,W=; U,V=; I,A= (x2 шрифт);
• I,A=; P,W=; U,V=(x2 шрифт);
• U,V=; I,A=; R,Om= (x2 шрифт);
• U,V=; I,A=; C,mAh=; E, Wh=;

Кнопка "Режим" переключает модуляцию сопротивления:
• отключена (на дисплее "F0")
• 1 Гц/20% скважность (на дисплее "F1")
• 100 Гц/50% скважность (на дисплее "FН")
• ручное переключение кнопкой "Выбор" (на дисплее "FМ")

Показания C,mAh и E, Wh при включении прибора обнуляются).
Разряд АБ контролируется проверкой сигнала ошибки LP2951ACM-3.3 - если напряжение АБ < 3.4В, то на дисплей выводится мигающее сообщение "!Uab!".

Калибровать прибор можно подбором коэффициентов (исходники прилогаются) или резисторов:
//калибровочные коэффициенты НАПРЯЖЕНИЯ:
#define kUUx1 0.998 //коэф усиления ОУ при x1
#define kUUx10 10.86 //коэф усиления ОУ при x10 (R15+R7)
//калибровочные коэффициенты ТОКА:
#define kIULow 14.392 //коэф усиления ОУ при МАХ ТОКе 5А! (R14+R5)
#define kIUHi 114.9 //коэф усиления ОУ при МАХ ТОКе 0.6А!(R14+R5+R4)
#define URef 3.28 //В
#define Rshunt 0.045 //Om

О деталях: ОУ U2 - 2-х канальный Rail-to-Rail по входу и выходу с нулевым дрейфом напряжения (AD8572, AD8552). Транзистор Q3 – низковольтный с логическим уровнем открывания и ток более 10 А (IRFR3709, VBA1311). МК - STM32F030K6T6.

 Была собрана первая версия: роль ключей Q1 и Q2 (замыкание на землю и Z состояние) выполнял микроконтроллер. При тестировании обнаружилась большая нелинейность ОУ, особенно в начальном диапазоне, поэтому 3 версию пришлось дорабатывать навесным монтажом.

  Фото, видео на ЯД: https://yadi.sk/d/dG180CtIYuAIMg?w=1

Всем мира здоровья и стабильности!

Файлы:
Фотография
Двоичный файл прошивки
Архив RAR
Изображение

Все вопросы в Форум.