Ампервольтметр с измерением отобранной ёмкости от аккумулятора на Atmega8 и дисплее от Nokia 1202

Автор: SSMix
Опубликовано 17.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2015!"

     С приближением холодов резко возрастает число случаев отключения электроэнергии. Это происходит как по воле природы (обледенение линий электропередач и обрывы проводов) так и из-за человеческого фактора (веерные отключения по графику). Чтобы не сидеть часами без электроэнергии автором был приобретен импульсный преобразователь напряжения =12V в ~220V мощностью 200 Вт. Подключив к нему 12-вольтовый свинцовый аккумулятор можно в любой момент запитать бытовую технику указанной мощности, вплоть до телевизора. Единственное неудобство при этом – необходимость постоянно как-то отслеживать степень заряда аккумулятора, иначе в самый неподходящий момент при понижении напряжения ниже 10 В преобразователь отключается. Замер напряжения аккумулятора, тока нагрузки и подсчет отобранной у аккумулятора ёмкости с сохранением в энергонезависимой памяти – задача как раз для микроконтроллера.
     В Интернете было найдено нечто подобное на форуме https://radioskot.ru/ - Цифровой измеритель тока и напряжения (автор Бухарь). Идея данного проекта была переработана под собственную задачу, в результате чего получился вот такой приборчик:

     Технические характеристики:
Измеряемое (питающее) напряжение, В……………………………......3,50÷20,00
Измеряемый ток, А………………………………………………….................0,00÷20,00
Измеряемая ёмкость, мАч……………………………….......................0÷99999
Измеряемая температура внешним датчиком DS18B20, °C..…..-55,0 ÷ +128,0
Потребляемый ток (без подсветки), мА…………………………….......2,6
Частота замеров, Гц……………………………………………….............……4

    Схема электрическая принципиальная:

     Измеритель содержит стабилизатор напряжения питания +3В DA2 LP2951CM-3.0, микроконтроллер DD1 ATmega8A-AU, графический дисплей от Nokia 1202, делитель измеряемого входного напряжения R7, R8, шунт токовый R1 сопротивлением 1мОм из полоски манганина, усилитель токового канала DA1 AD8551ARZ с цепями смещения и обвязки, разъём X1 для подключения программатора, разъём X2 для подключения внешнего датчика температуры, кнопки управления SB1…SB3 а также цепи фильтрации и защиты по питанию.
     Стабилизатор напряжения LP2951CM-3.0 – типа Low Dropout с допустимым входным напряжением до +30В, обеспечивает питанием +3В все цепи устройства.
     Входное напряжение измеряется с помощью резистивного делителя :10 R7, R8 каналом ADC6 микроконтроллера. В качестве опорного напряжения использован его внутренний ИОН +2,56В. Резисторы использованы с допуском ±5% поскольку предусмотрена программная калибровка прибора, но для лучшей температурной стабильности всё же рекомендуются к применению резисторы с большей точностью.
     Дискретность при измерении напряжения 10-ти разрядным АЦП микроконтроллера составляет 25мВ, но поскольку число замеров составляет 300, виртуальное разрешение АЦП возрастает до примерно 14 разрядов, а дискретность уменьшается примерно в 16 раз до 1,5мВ [1], чего вполне достаточно для отображения результата в формате ХХ.ХХ В.
     Схема измерения потребляемого тока состоит из шунта R1, усилителя DA1 и канала ADC7 АЦП микроконтроллера. Первоначально была идея использовать готовый шунт от сгоревшего китайского мультиметра типа M830, в котором имеется диапазон 20А. Сопротивление манганинового проволочного шунта в таких мультиметрах составляет 0,01Ом. При токе 20А рассеиваемая мощность шунта составит: P=I²R=20²∙0,01=4Вт!!! При рекомендованных к измерению мультиметром 10А - 10²∙0,01=1Вт.
     Конечно, при кратковременных замерах тока до 10А мультиметром нагрев такого шунта будет незначительным, но при постоянном протекании тока величиной 20А (а это 10,5В∙20А=210Вт нагрузки) такой шунт явно не выдержит.
     Поэтому был использован шунт сопротивлением в 10 раз меньше, т.е. 0,001 Ом. Рассеиваемая на таком шунте мощность при токе 20А составит уже приемлемые 20²∙0,001=0,4Вт. Шунт изготовлен из манганинового листа толщиной 1 мм. Размеры вырезанной полосы составляют 35х12мм с напаянными по краям медными накладками шириной 6 мм. Подобный шунт используется в некоторых типах электронных счетчиков электроэнергии.
     Чтобы усилить падение напряжения на таком шунте (20А∙0,001 Ом=0,02В) до верхнего диапазона АЦП использован неинвертирующий усилитель на ОУ DA1 с коэффициентом усиления 111. В качестве ОУ был применён AD8551, имеющий, благодаря технологии Zero-Drift, довольно малое смещение нуля (Low Offset Voltage: 1 mV) и хорошую температурную стабильность (Input Offset Drift: 0.005 mV/°C) [2].
     Для компенсации возможного первоначального смещения нуля конкретного экземпляра ОУ в отрицательную сторону служат резисторы R17, R18. Т.о. на входе ОУ создаётся небольшое положительное смещение, компенсируемое программным путём в процессе калибровки.      Дискретность измеряемого тока АЦП микроконтроллера составляет 22,5мА. С учетом 300 замеров и виртуального разрешения АЦП около 14 разрядов реальная дискретность уменьшается примерно в 16 раз до ~1,4 мА. Конденсатор C1 в цепи ООС ОУ DA1 реально был убран с платы для лучшего “зашумления” входного сигнала АЦП и уменьшения дискретности [1].
     Для подсчёта отобранной от аккумулятора ёмкости временные интервалы для микроконтроллера формируются часовым кварцем ZQ1 и таймером-счетчиком 2, работающим в асинхронном режиме.
     Кнопки SB1…SB3 подключены к линиям микроконтроллера через ограничительные резисторы R9…R11. В момент нажатия кнопок формируется импульс тока смачивания (10мс) для автоматической зачистки контактов кнопок, величина которого ограничивается данными резисторами в районе 6мА. Т.о. удаляется тонкая пленка окислов с контактов, образующаяся с течением времени.
     Измеритель выполнен на печатной плате размерами 50х34х1,5мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Плата разрабатывалась специально под стандартный пластиковый корпус 57х37,5х18,5 мм, применяемый для телевизионных антенных фильтров и сумматоров ДМВ+МВ, разделителей и т.п.
     Вид со стороны дисплея в корпусе:

     Вид со стороны печатных проводников:

     Плата фиксируется в корпусе на разъёме X2 и клеммниках X3, X4, под которые в боковых стенках сделаны пазы.

     Перечень элементов:

_{C1 = 0* (0805)
C2, C3 = 0,01 (0805)
C4 = 10,0х25В (Танталовый, корпус А)
C5 = 0,47x50В (0805)
C6 = 4,7uF (0805 6,3В)
C7, C8 = 24pF (0805)
C9 = 0,47 (0805)
C10 = 47,0х6,3В (Танталовый, корпус А)
C11 = 0,47 (0805)
C12 = 1,0 (0603)
C13 = 4,7uFх6V (0603)
C14 = 0,47 (0603)}

_{DA = DS18B20 (TO-92 (PR35))
DA1 = AD8551ARZ (SO-8)
DA2 = LP2951CM-3.0 (SO-8)}

_{DD1 = ATmega8A-AU (TQFP-32)}

_{H1 = STE2007 (Nokia 1202_1203_1280)}

_{L1, L2 = 22uH (1206)}

_{R1 = 0.001 Ом (Шунт манганиновый 20А)
R2 = 1к (0805)
R3 = 3к (0805)
R4 = 470 (1206)
R5 = 10 (1206)
R6 = 330к (0805)
R7 = 270к (1206)
R8 = 30к (0805)
R9-R11 = 430 (0805)
R12 = 220 (0805)
R13 = 4,7к (0805)
R14 = 330к (1206)
R15 = 1к* (1206)
R16 = 470 (0603)
R17 = 47*±1% (0603)
R18 = 1М±1% (С2-29В-0,125)}

_{SB1-SB3 = Кнопка тактовая 6х6х6,5мм}

_{VD1 = MBR0540 (SOD-123)
VD2 = BZV55-C33V (SOD-80)
VD3 = MBR0540 (SOD-123)}

_{X1 = WSR-6 (Вилка на плату угловая, шаг 2мм)
X2 = WKR-3 (Шаг 2,54 мм)
X3, X4 = DG301R-5.0 (Клеммник)}

_{ZQ1 = Кварц часовой Ø3мм, 32768 Гц}

_{Перемычки 1206 – 5 шт.}

     Дисплей монтируется в последнюю очередь – крепится к плате при помощи нескольких кусочков толстого (3 мм) двухстороннего пористого скотча. Шлейф аккуратно изгибается под 180° и припаивается к печатным дорожкам на плате паяльником с узким жалом.
     После сборки и проверки монтажа необходимо запрограммировать микроконтроллер. Фьюзы (PonyProg):

     После подачи питания на дисплей выведется текущая информация (напряжение, ток, сопротивление нагрузки, мощность, рассеиваемая нагрузкой, температура внешнего датчика DS18B20 (для контроля температурного режима преобразователя) и отобранная от аккумулятора ёмкость:

     При отсутствии внешнего датчика температуры вместо ХХ.Х°С будет выводиться надпись “TERM OFF”:

     При нажатии кнопки “▲” текущее значений ёмкости будет сохранено в энергонезависимой памяти с подтверждением в виде всплывающего сообщения:

     При нажатии кнопки “МЕНЮ” на экране появляется меню настроек:

     Перемещение по меню осуществляется кнопками “▲” и “▼” (при этом перемещается курсор ►слева пунктов).
Вход/выход из пункта меню настроек осуществляется кнопкой “МЕНЮ”. Активный пункт выводится с инверсией.
Первый пункт “Сохр. мАч” предназначен для включения функции автоматического сохранения текущей измеренной ёмкости при выключении питания.

     Следующий пункт включает/выключает подсветку.
     Пункт “Калиб.U” предназначен для калибровки канала измерения напряжения во внешнему эталонному вольтметру. Для более точной калибровки измеряемое напряжение выводится с дискретностью 1мВ.
     Пункты “Калиб.I” и “Смещ.I” предназначены для калибровки токового канала. Сначала необходимо в отсутствие нагрузки выставить смещение нуля в соответствующем пункте так, чтобы получить нулевые показания тока. Вернее, в пункте “Калиб.I” показания тока должны немного выйти в положительную область и быть в диапазоне (0.000÷0.001)А, т.к. отрицательное значение АЦП не измеряет. Для более точной калибровки измеряемый ток выводится с дискретностью 1мА. В пункте “Смещ.I” отображается заданное смещение тока и знак. При затруднении с регулировкой смещения тока следует уменьшить сопротивление резистора R18. После регулировки смещения нуля токового канала следует подключить последовательно с нагрузкой образцовый амперметр и в пункте “Калиб.I” выставить точное значение потребляемого тока.
     Пункт меню “Выход” предназначен для перехода в обычный режим измерения (кнопкой “▲” или “▼”).
     В нижней строке меню настроек отображается сохранённое значение измеренной ёмкости.
     Обнулить измеренную ёмкость можно кнопкой “▼” в обычном режиме измерения:

     Литература:
     1) AVR121. Enhancing ADC resolution by oversampling
     2) AD8551/AD8552/AD8554 Datasheet

Файлы:
Исходник
Плата
Схема

Все вопросы в Форум.