Точный измеритель напряжения на arduino. Секретный вольтметр в Arduino — измерение напряжения батареи средствами микроконтроллера

Схема самодельного прибора на основе Arduino Uno, который предназначен для измерения частоты и напряжения в розетке с отображением результатов на дисплее 1602A . Прибор очень прост в изготовлении, благодаря применению готового модуля ARDUINO UNO.

Принципиальная схема

Индикатором служит ЖК-дисплей типа 1602А, он стандартный, на основе контроллера HD44780. Обозначение 1602А фактически значит, что он на две строки по 16 символов в строке.

Основой прибора служит ARDUINO UNO, это относительно недорогой готовый модуль, - небольшая печатная плата, на которой расположен микроконтроллер ATMEGA328, а так же вся его «обвязка», необходимая для его работы, включая USB-программатор и источник питания.

Прибор питается от электросети и измеряет вышеуказанные параметры. Источник питания одновременно служит и датчиком для получения данных о частоте и напряжении в электросети. Источник питания сделан на основе маломощного готового трансформатора Т1, у которого есть две одинаковые обмотки по 9V переменного напряжения каждая.

Рис. 1. Принципиальная схема измерителя частоты и значения напряжения в электросети, использованы Arduino Uno и 1602A.

Одна обмотка служит для получения напряжения питания. Переменное напряжение с неё поступает на выпрямительный мост на диодах VD1-VD4. Конденсатор С3 сглаживает пульсации выпрямленного напояжения.

На С3 полVчается постоянное напряжение около 12V, которое поступает на разъем для подачи питания на плату ARDUINO UNO, на вход имеющегося на этой плате стабилизатора напряжения 5V, которым и питается вся плата и индикатор Н1.

Другая вторичная обмотка трансформатора служит датчиком измерения параметров электросети. Переменное напряжение с неё через R1 поступает на формирователь импульсов с частотой электросети, выполненный на транзисторе VТ1 по схеме ключа. Эти импульсы поступают на цифровой порт D10 платы ARDUINO UNO.

Переменное напряжение сети измеряется при помощи выпрямителя на диоде VD5 и конденсаторе С2. Величина переменного напряжения в сети определяется по величине постоянного напряжения на этом конденсаторе и через настраиваемый делитель на резисторах R4 и R5 поступает на аналоговый вход А1 платы ARDUINO UNO.

Программа

Программа на C++ с подробными комментариями приведена в таблице 1. Для измерения частоты используется функция pulseln , которая измеряет в микросекундах длительность положительного либо отрицательного перепада входного импульса.

Таблица 1.

Рис. 2. Исходный код программы для измерения частоты и значения напряжения в электросети.

Так что, для того чтобы узнать период нужно сложить длительность положительного и отрицательного полупериодов, а чтобы узнать частоту в герцах нужно 1000000 разделить на вычисленный период.

Измерение длительности периода состоит из двух частей, сначала измеряются длительности положительной и отрицательной полуволны в строках:

Htime=pulseln(10,HIGH);

Ltime=pulseln(10,LOW);

Затем, происходит вычисление полного периода в строке:

Ttime=Htime+Ltime ;

И потом, вычисление частоты в строке:

frequency=1000000/Ttime;

Действие программы по измерению напряжения основано на чтении данных с аналогового входа и расчета результата измерения. Выход аналогового порта преобразуется АЦП микроконтроллера в цифровую форму. Для получения результата в единицах вольт, нужно его умножить на 5 (на опорное напряжение, то есть, на напряжение питания микроконтроллера) и разделить на 1024.

Для того чтобы можно было измерять напряжение более 5V, вернее, более напряжения питания микроконтроллера, потому что реальное напряжение на выходе 5-вольтового стабилизатора на плате ARDUINO UNO может отличаться от 5V, и обычно немного ниже, нужно на входе применить обычные резистивные делители. Здесь это делитель напряжения на резисторах R5 и R4.

К тому же играет роль и применение трансформатора, а так же отличие значение постоянного напряжения от переменного. Поэтому добавляется исходный коэффициент деления величиной 0,016. Чтение данных с аналогового порта происходит в строке:

vout=analogRead(analogInput);

Затем, производится вычисление фактического напряжения с учетом коэффициента деления делителя входного напряжения:

volt=vout*5.0/1024.0/0.016;

В этой строке число 5.0 - это напряжение на выходе стабилизатора платы ARDUINO UNO. В идеале должно быть 5V, но для точной работы вольтметра это напряжение нужно предварительно измерить.

Подключите источник питания напряжением 12V и измерьте достаточно точным вольтметром напряжение +5V на разъеме POWER платы. Что будет, то и вводите в эту строку вместо 5.0, например, если будет 4.85V, строка будет выглядеть так:

volt=vout*4.85/1024.0/0.016;

Затем, результаты измерений выводятся на ЖК-дисплей. Напряжение вносится в первую строку дисплея, а частота во вторую. Единицы измерения указаны как «V» и «Hz». Что касается измерения частоты, - налаживание не требуется вообще. А вот для измерения напряжения нужно откалибровать прибор по образцовому подстройкой резистора R5.

Каравкин В. РК-10-17.

Arduino имеет несколько аналоговых входов, используя которые можно измерять параметры аналоговых величин. Это может быть напряжение, ток, сопротивление, температура, свет и так далее. В некоторых случаях для преобразования физических величин в электрические сигналы могут потребоваться специальные датчики. Сегодня я расскажу об использовании и проведу тест производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Arduino . Тест я буду производить, используя оригинальную плату Arduino Mega 2560, в основе которой лежит микроконтроллер ATMega 2560, работающий на частоте 16 Мгц. Микроконтроллер ATMega328 , на котором основаны Arduino Uno и Arduino Nano , также работает на частоте 16 МГц, так что все вышеизложенное, скорее всего, справедливо и для этих и аналогичных плат.

analogRead

Давайте посмотрим сколько же времени занимает аналого-цифровое преобразование с использованием стандартной функции analogRead .

Для определения моментов начала и конца преобразования я буду использовать 12 вывод в качестве маркера. Для начала повторим эксперимент, который я описывал в статье . Будем изменять уровень напряжения на 12 цифровом пине между состояниями LOW и HIGH . Для чистоты эксперимента я помещу внутрь loop бесконечный цикл.

Скетч, реализующий простые переключения на 12 цифровом выводе выглядит следующим образом:

void setup() { DDRB = B01000000; //устанавливаем 12 пин в режим выхода } void loop() { while(1) { PORTB = B01000000; // устанавливаем пин 12 в состояние HIGH PORTB = B00000000; // устанавливаем пин 12 в состояние LOW } }

Воспользуемся осциллографом и посмотрим на временные параметры работы этой программы:

Отсюда видно, что время переключения состояния пина занимает у нас 62 нс (длительность положительного импульса).

Теперь немного изменим скетч и добавим между переключениями функцию чтения аналогового сигнала analogRead на 3 аналоговом пине:

int analogPin = 3; // входной аналоговый пин int analogValue = 0; void setup() { DDRB = B01000000; // устанавливаем 12 пин в режим выхода } void loop() { while(1) { PORTB = B01000000; // устанавливаем пин 12 в состояние HIGH analogValue = analogRead(analogPin); // читаем аналоговый сигнал PORTB = B00000000; // устанавливаем пин 12 в состояние LOW analogValue = analogRead(analogPin); // читаем аналоговый сигнал } }

int analogPin = 3 ; // входной аналоговый пин

int analogValue = 0 ; // значение аналогового сигнала

void setup ()

DDRB = B01000000 ; // устанавливаем 12 пин в режим выхода

void loop ()

while (1 )

PORTB = B01000000 ; // устанавливаем пин 12 в состояние HIGH

// читаем аналоговый сигнал

PORTB = B00000000 ; // устанавливаем пин 12 в состояние LOW

analogValue = analogRead (analogPin ) ; // читаем аналоговый сигнал

Осцилограмма сигнала на 12 цифровом пине теперь будет выглядеть следующим образом:

Длительность переключения в 62 нс и время циклического возврата к началу работы программы в 124 нс не превышают погрешность измерения на этом временном масштабе и мы можем пренебречь этими временными промежутками. Отсюда видно, что время, которое затрачивается на аналого-цифровое преобразование примерно равно 112 мкс, поэтому максимальная частота выборки при использовании функции analogRead не превышает 8.9 кГц.

Недостатком использования analogRead является еще и то, что Arduino не может выполнять другой код во время ожидания результата преобразования.

Используем прерывания АЦП

Так как ATMega2560 не использует ядро процессора при захвате аналоговых сигналов, то это пустая трата возможностей обработки. Особенно, когда нам необходима непрерывная выборка сигнала. Такую выборку можно реализовать несколько более сложным способом, используя прерывания. Так как нет встроенной функции для установки аналогового преобразования с прерываниями, то регистры, связанные с АЦП, должны быть обработаны вручную.

Разовая выборка

Разовая выборка — это на самом деле то, что Arduino делает при вызове функции analogRead . Мы не сможем получить значительных преимуществ, реализовав разовую выборку с помощью других средств. Поскольку перед запуском АЦП, в первую очередь проверяется флаг готовности АЦП, то это означает, что проверка флага в цикле ничем не отличается от того, что делает Arduino.

Непрерывная выборка

Хорошей идеей при непрерывной выборке сигнала является использование прерываний. Микроконтроллеры ATMega328 и ATMega2560 могут быть переведены в режим непрерывной выборки (free running mode ). В этом режиме АЦП запускается автоматически после завершения предыдущей обработки. Каждый раз преобразование заканчивается генерированием прерывания, которое вызывает функцию обработки прерывания ISR (ADC_vect) , в которой результат аналого-цифрового преобразования может быть считан и обработан.

Для включения режима непрерывной выборки необходимо установить три регистра: ADMUX , ADCSRA и ADCSRB . Детальное описание этих регистров можно найти в технических руководствах к микроконтроллерам.

Внутреннее опорное напряжение 1.1 В и входной аналоговый канал ADC3 выбираются при помощи ADMUX . Тактовая частота задается при помощи ADCSRA и в нашем примере установлена в виде делителя ÷16. Одно аналоговое преобразование занимает 13 тактовых периодов. Частота дискретизации может быть вычислена, исходя из тактовой частоты микроконтроллера: 16 Мгц/(16*13) ≈ 77 кГц. Установкой 6 бита регистра ADCSRA в состояние HIGH , запускается непрерывная выборка.

Результат аналого-цифрового преобразования считывается в функцию обработки прерывания ISR (ADC_vect) . Поскольку, результат имеет длину 10 бит, то он делится на два регистра ADCL и ADCH , размером в один байт каждый. Для корректного чтения значения сначала нужно считать значение регистра ADCL , а затем — регистра ADCH .

Пример скетча, в котором результат, полученный из АЦП копируется в целочисленную переменную analogValue:

int analogValue = 0; // значение аналогового сигнала void setup() { DDRB = B01000000; // pin 12 в режиме OUTPUT DIDR0 = 0x3F; // отключаем цифровые входы ADMUX = 0x43; // измеряем на ADC3, используем внутреннее опорное напр.= 1.1В ADCSRA = 0xAC; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 16 ADCSRB = 0x40; // включаем АЦ коналы MUX, режим скользящей выборки bitWrite(ADCSRA, 6, 1); sei(); // устанавливаем флаг прерывания } void loop() { } /*** Процедура обработки прерывания АЦП ***/ ISR(ADC_vect) { PORTB = B00000000; // пин 12 переводим в состояние LOW analogValue = ADCL; // сохраняем младший байт результата АЦП analogValue += ADCH << 8; // сохраняем старший байт АЦП PORTB = B01000000; // пин 12 переводим в состояние HIGH }

int analogValue = 0 ; // значение аналогового сигнала

void setup ()

DDRB = B01000000 ; // pin 12 в режиме OUTPUT

DIDR0 = 0x3F ; // отключаем цифровые входы

ADMUX = 0x43 ; // измеряем на ADC3, используем внутреннее опорное напр.= 1.1В

ADCSRA = 0xAC ; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 16

ADCSRB = 0x40 ; // включаем АЦ коналы MUX, режим скользящей выборки

bitWrite (ADCSRA , 6 , 1 ) ; // Запускаем преобразование установкой бита 6 (=ADSC) в ADCSRA

sei () ; // устанавливаем флаг прерывания

void loop ()

/*** Процедура обработки прерывания АЦП ***/

ISR (ADC_vect )

PORTB = B00000000 ; // пин 12 переводим в состояние LOW

analogValue = ADCL ; // сохраняем младший байт результата АЦП

analogValue + = ADCH << 8 ; // сохраняем старший байт АЦП

PORTB = B01000000 ; // пин 12 переводим в состояние HIGH

Результат работы программы на экране осциллографа:

Для измерения времени выполнения мы переводим состояние пина в LOW , затем считываем АЦП, после чего вновь устанавливаем высокий уровень. На вызов обработчика прерывания требуется время, с этим и связана достаточно большая продолжительность положительной части периода.

Цикл loop теперь полностью свободен и может использоваться для обработки какого-либо кода.

Опорное напряжение

Для измерения аналогового сигнала у нас должен быть некоторый уровень напряжения, с которым мы будем производить сравнение. В микроконтроллерах ATMega328 и ATMega2560 , которые используются в Arduino опорное напряжение также является максимальным напряжением, которое может быть измерено. Напряжения всегда измеряются относительно земли. В Arduino есть три возможных источника опорного напряжения: AV cc — которое соединяется с цифровой линией питания 5 В, внутреннее напряжение 1.1 В (для Arduino Mega возможен еще вариант 2.56 В) и внешний источник опорного напряжения. Из-за того, что измерение входных напряжений производятся относительно опорного напряжения, флуктуации опорного напряжение оказывают влияние на результат.

Опорное напряжение можно установить, используя функцию или при помощи битов REFT в регистре ADMUX .

Опорное напряжение AV cc

AV cc является опорным напряжением по умолчанию и оно используется когда измеряемые напряжения напрямую зависят от напряжения источника питания. Например, в случае, где нужно измерить напряжение в резисторном полумосте, как показано на рисунке ниже.

Использование опорного напряжения 5В при измерении сопротивления в полумосте

Если по каким-то причинам напряжение источника питания упадет, то и напряжение в точке соединения двух резисторов упадет пропорционально. Из-за того, что теперь опорное и входное напряжение изменяются пропорционально, то и результат АЦП останется таким же.

Внутренне опорное напряжение 1.1 В

Используйте внутреннее опорное напряжение 1.1 В для точных измерений внешних напряжений. Опорное напряжение 1.1 В более стабильно и не зависит от изменения напряжения питания или температуры. Таким образом, можно производить измерения абсолютных значений. В Arduino Mega также возможен вариант опорного напряжения 2.56 В. примере на рисунке ниже используется опорное напряжение 1.1 В и делитель напряжения 10:1 для измерения внешнего напряжения в диапазоне от 0 до 11 В.

Использование внешнего опорного напряжения или внутреннего напряжения 1.1 В при измерении внешних напряжений

Погрешность

В соответствии с техническим руководством для микроконтроллеров ATMega328 и ATMega2560 опорное напряжение составляет 1.1 ± 0.1 В. Это достаточно большой допуск. Измеренное опорное напряжение тестируемой Arduino Mega 2560 было 1.089 В при температуре окружающего воздуха 21 °С и температура корпуса микроконтроллера была 29 ºC.

Я охладил корпус микроконтроллера, не проводящим ток охлаждающим спреем Kontakt Chemie FREEZE 75/200 до температуры -18 °С, при этом измеренное опорное напряжение снизилось до 1.084 В. Таким образом, температурный дрейф составил примерно 100 ppm (миллионных долей) / °C.

Тестовый скетч:

int analogPin = 3; // входной аналоговый пин void setup() { analogReference(INTERNAL1V1); // выбираем внутреннее опорное напряжение 1.1В Serial.begin(9600); } void loop() { int analogValue = analogRead(analogPin); // читаем значение на аналоговом входе Serial.println(analogValue); // выводим его в последовательный порт delay(300); }

int analogPin = 3 ; // входной аналоговый пин

void setup ()

// выбираем внутреннее опорное напряжение 1.1В

Serial . begin (9600 ) ;

void loop ()

// читаем значение на аналоговом входе

Serial . println (analogValue ) ; // выводим его в последовательный порт

delay (300 ) ;

Аналоговый пин 3 был подключен к источнику напряжения 0.545 В. При температуре 29 °C результат должен быть: (0.545/1.089)*1024 = 512 (реально полученное значение — 511). При температуре -18 °C должно быть (0.545/1.084) * 1024 = 515 (реально полученное значение тоже 515).

Как показал эксперимент, температурный дрейф небольшой и для точных измерений при использовании Arduino его нужно откалибровать из-за его большой общей неопределенности опорного напряжения, составляющей около 10%.

Шум

Одним из способов измерить уровень шума является определение разброса значений, получаемых с АЦП. Для этого подадим стабилизированное постоянное напряжение на один из аналоговых входов и преобразованные при помощи АЦП значения используем для построения гистограммы.

Тестовая цепь

Схема на рисунке ниже обеспечивает тестовое напряжение для Arduino .

Схема, подающая регулируемое постоянное напряжение на аналоговый вход Arduino

Стабилизированный регулируемый источник питания выдает напряжение 0.55 В, что составляет половину от опорного напряжения в 1.1 В. На фотографии ниже видно, что встроенный в мой регулируемый источник питания вольтметр явно привирает, показывая напряжение на выходе 0.4 В.

Сигнал дополнительно фильтруется при помощи цепочки R1 , C1 , C2 и подключается через резистор R2 , имеющий сопротивление 100 Ом к аналоговому входу A3 Arduino . Земля подключается к пину GND Arduino .

Шумовая составляющая на входе Arduino выглядит следующим образом:

Отсюда видно, что среднеквадратическое значение амплитуды переменной составляющей измеряемого напряжения на входе АЦП Arduino составляет лишь единицы милливольт.

Биннинг

АЦП микроконтроллеров ATMega328 и ATMega2560 имеет разрешение 2 10 = 1024 бита. Идея биннинга состоит в подсчете частоты наблюдения определенного значения. Создается массив со 1024 значениями, называемых бинами, которые представляют каждое из возможных значений АЦП. Так как доступная память ограничена, могут быть созданы бины только размером в байт. Число отсчетов, следовательно, ограничивается 255.

Программы

Протестируем шум, используя функцию analogRead , а затем используем прерывания. Две программы, по сути, делают одно и то же: определяют массив, состоящий из 1024 бин. В функции setup все бины инициализируются нулем и выбирается опорное напряжение 1.1 В.

Обе программы производят 10000 фиктивных операций чтения аналогового значения. После этого запускается биннинг и на каждом результате АЦП, соответствующий бин увеличивается на единицу. Если один из 1024 бинов достигнет максимума из 255 значений, выборка останавливается и все 1024 значения бина отправляются на компьютер.

Код примера биннинга измеренных значений, используя функцию analogRead :

Показать/скрыть код

int analogPin = 3; // входной аналоговый пин int sendStatus = 0; // статус передачи int startDelay = 0; byte valueBin; // значения бинов void setup() { analogReference(INTERNAL1V1); // выбираем опорное напряжение 1.1В for (int i=0; i<=1023; i++) valueBin[i] = 0; // очищаем бины Serial.begin(9600); Serial.println("Start"); } void loop() { int analogValue = analogRead(analogPin); // выборка аналогового входа if (sendStatus == 0) { // ничего не делаем первые 10000 выборок if (startDelay < 10000) startDelay++; else { valueBin += 1; // увеличиваем значение бина if (valueBin == 255) sendStatus = 1; } } if (sendStatus == 1) { for (int i=0; i<=1023; i++) { // выводим значение бина Serial.print(i); Serial.print("\t"); Serial.println(valueBin[i]); } Serial.println("Done"); sendStatus = 2; } }

int analogPin = 3 ; // входной аналоговый пин

int sendStatus = 0 ; // статус передачи

int startDelay = 0 ;

byte valueBin [ 1024 ] ; // значения бинов

void setup ()

analogReference (INTERNAL1V1 ) ; // выбираем опорное напряжение 1.1В

for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ ) valueBin [ i ] = 0 ; // очищаем бины

Serial . begin (9600 ) ;

void loop ()

int analogValue = analogRead (analogPin ) ; // выборка аналогового входа

if (sendStatus == 0 )

// ничего не делаем первые 10000 выборок

if (startDelay < 10000 ) startDelay ++ ;

else

valueBin [ analogValue ] + = 1 ; // увеличиваем значение бина

// останавливаемся, если бин полон

if (valueBin [ analogValue ] == 255 ) sendStatus = 1 ;

if (sendStatus == 1 )

for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ )

// выводим значение бина

Serial . print (i ) ;

Serial . print ("\t" ) ;

Serial . println (valueBin [ i ] ) ;

Serial . println ("Done" ) ;

sendStatus = 2 ;

Код примера биннинга измеренных значений, используя прерывания:

Показать/скрыть код

int sendStatus = 0; // статус передачи int startDelay = 0; byte valueBin; // значения бинов void setup() { TIMSK0 = 0x00; // отключаем таймер (из-за прерываний) DIDR0 = 0x3F; // отключаем цифровые входы ADMUX = 0xC3; // измеряем на ADC3, без корректировки, внутр.опорное напр. 1.1В ADCSRA = 0xAC; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 128 ADCSRB = 0x40; // Включаем каналы MUX АЦП, режим постоянной выборки bitWrite(ADCSRA, 6, 1); // Запускаем преобразование установкой бита 6 (=ADSC) в ADCSRA sei(); // устанавливаем глобальный флаг прерываний for (int i=0; i<=1023; i++) valueBin[i] = 0; // очищаем бины Serial.begin(9600); Serial.println("Start"); } void loop() { if (sendStatus == 1) { for (int i=0; i<=1023; i++) { // выводим значения бинов Serial.print(i); Serial.print("\t"); Serial.println(valueBin[i]); } Serial.println("Done"); sendStatus = 2; } } /*** Процедура обработки прерывания АЦП ***/ ISR(ADC_vect) { int analogValue = ADCL; // сохраняем младший байт АЦП analogValue += ADCH << 8; // сохраняем старший байт АЦП if (sendStatus == 0) { // ничего не делаем первые 10000 выборок if (startDelay < 10000) startDelay++; else { valueBin += 1; // увеличиваем значение бина if (valueBin == 255) sendStatus = 1; { // останавливаемся, если бин полон } } }

int sendStatus = 0 ; // статус передачи

int startDelay = 0 ;

byte valueBin [ 1024 ] ; // значения бинов

void setup ()

TIMSK0 = 0x00 ; // отключаем таймер (из-за прерываний)

DIDR0 = 0x3F ; // отключаем цифровые входы

ADMUX = 0xC3 ; // измеряем на ADC3, без корректировки, внутр.опорное напр. 1.1В

ADCSRA = 0xAC ; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 128

ADCSRB = 0x40 ; // Включаем каналы MUX АЦП, режим постоянной выборки

bitWrite (ADCSRA , 6 , 1 ) ; // Запускаем преобразование установкой бита 6 (=ADSC) в ADCSRA

sei () ; // устанавливаем глобальный флаг прерываний

for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ ) valueBin [ i ] = 0 ; // очищаем бины

Serial . begin (9600 ) ;

Serial . println ("Start" ) ;

void loop ()

if (sendStatus == 1 )

for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ )

{ // выводим значения бинов

Serial . print (i ) ;

Serial . print ("\t" ) ;

Serial . println (valueBin [ i ] ) ;

}

Serial . println ("Done" ) ;

sendStatus = 2 ;

// останавливаемся, если бин полон

}

Тестируемые частоты

Тест проводился с использованием функции analogRead и используя режим непрерывной выборки. Так как в последнем случае частоту выборки можно изменять, то тестировались четыре различные частоты выборки, задаваемые путем изменения значения в строке ADCSRA = 0xAC . Тестируемые частоты: 9.6 кГц (тактовая частота clk ÷128), 19.2 кГц (clk ÷64), 38.4 кГц (clk ÷32) и 76.9 кГц (clk ÷16). Частота выборки при использовании функции analogRead , как мы выяснили выше примерно равна 8.9 кГц.

Результаты

Результаты для обоих способов и различных частот выборки оказались похожими. Выборки разделились на 2 бина и лишь некоторые выборочные значения попали в третий бин. Это значит, что уровень шума во всех случаях достаточно низкий.

Переключение между входами

Выбор аналогового входа осуществляется в строке analogPin =n где n является номером аналогового пина или изменением битов выбора аналогового канала MUX в регистре ADMUX . Особое внимание должно быть уделено при использовании режима непрерывной выборки: аналоговый канал нужно выбрать перед стартом нового аналогового преобразования. В процедуре обработки прерывания выбирается аналоговый вход, который будет считываться в момент следующего прерывания.

Чтобы проверить уровень шума и погрешность при переключении входов, нужно немного изменить представленные выше программы. Второе напряжение подается на аналоговый вход 5. Кроме того, производится биннинг измеренных значений как и при тестировании шума.

= 0xC3 ;

int analogValue = ADCL ;

. . .

Результаты

Оба измеренных напряжения видны как два выступа на гистограммах. На рисунке ниже представлены гистограммы пяти тестов: с использованием функции analogRead , непрерывная выборка с clk ÷128, clk ÷64, clk ÷32 и clk ÷16. Измеренные значения первого напряжения (результат обработки АЦП = 511) не отклоняются от предыдущего теста шума. Измерение по-прежнему точное. Окружающих бинов очень мало, это означает, что уровень шума не увеличился.

На каждой из пяти гистограмм показаны две области с выступами, представляющие два измеренных напряжения

Частота выборки и разрешение

Коды, реализующие биннинг использованы и для анализа разрешения и частоты выборки. Для этого теста к аналоговому входу Arduino был подключен генератор функций, как показано на рисунке ниже.

Генератор функций подает с напряжением размаха в 25 мВ и напряжением смещения (= среднему значению) в 0.55 В. На каждом измерении частота сигнала выбирается таким образом, чтобы частота выборки была в 163 раза выше.

Треугольный сигнал выбран из-за того, что каждое значение при квантовании встречается одинаково часто. При биннинге такого сигнала каждое значение бина с минимальным и максимальным значениями напряжения может иметь то же самое число повторений.

Результаты

Результаты тестирования показали, что функция analogRead , работающая с низкой частотой дискретизации и непрерывная выборка с частотой clk ÷128 имеют достаточную плоскую вершину: все значения в диапазоне встречаются с одним и тем же числом повторений. Но на более высоких частотах дискретизации (clk ÷64, clk ÷32 и clk ÷16) возникают провалы в области биннинга и с ростом частоты ситуация ухудшается.

Большая частота выборки приводит к провалам

В технических описаниях на микроконтроллеры ATmega

Tutorial

Введение

Всем привет! После завершения цикла по датчикам были вопросы различного плана по измерению параметров потребления бытовых и не очень электроприборов. Кто сколько потребляет, как что подключать чтобы измерить, какие бывают тонкости и так далее. Пришло время раскрыть все карты в этой области.
В этом цикле статей мы рассмотрим тему измерения параметров электроэнергии. Этих параметров на самом деле очень даже большое количество, о которых я постараюсь постепенно рассказать небольшими сериями.
Пока в планах три серии:

Измерение электроэнергии.
Качество электроэнергии.
Устройства измерения параметров электроэнергии.

В процессе разбора будем решать те или иные практические задачи на микроконтроллерах до достижения результата. Разумеется, большая часть данного цикла будет посвящена измерению переменного напряжения и может пригодиться всем любителям контролировать электроприборы своего умного дома.
По итогам всего цикла мы изготовим некий умный электросчетчик с выходом в интернет. Совсем отъявленные любители контролировать электроприборы своего умного дома могут оказать посильную помощь в реализации коммуникационной части на базе, например MajorDomo. Сделаем OpenSource умный дом лучше, так сказать.
В этой серии в двух частях мы разберем следующие вопросы:

Подключение датчиков тока и напряжения в устройствах постоянного тока, а также однофазных и трехфазных цепей переменного тока;
Измерение действующих значений тока и напряжения;
Измерение коэффициента мощности;
Полная, активная и реактивная мощность;
Потребление электроэнергии;

Подкатом вы найдете ответы на первые два вопроса данного списка. Я намеренно не затрагиваю вопросы точности измерения показателей и с данной серии лишь радуюсь полученным результатам с точностью плюс-минус лапоть. Этому вопросу я обязательно посвящу отдельную статью в третьей серии.

1. Подключение датчиков

В прошлом цикле про датчики напряжения и тока я рассказал о видах датчиков, но не рассказал о том как ими пользоваться и куда их ставить. Пришло время это исправить

Подключение датчиков постоянного тока

Понятно что весь цикл будет посвящён системам переменного тока, но быстро пробежимся и по цепям постоянного тока, так как это может нам пригодиться при разработке источников питания постоянного тока. Возьмем к примеру классический понижающий преобразователь с ШИМ :

Рис 1. Понижающий преобразователь с ШИМ
Нашей задачей является обеспечение стабилизированного выходного напряжения. Кроме того, на основании информации с датчика тока возможно контролировать режим работы дросселя L1, не допуская его насыщения, а также реализовывать токовую защиту преобразователя. И честно говоря, вариантов установки датчиков особо и нет.
Датчик напряжения в виде резистивного делителя R1-R2, который единственный способен работать на постоянном токе, устанавливается на выходе преобразователя. Как правило специализированная микросхема преобразователя имеет вход обратной связи, и прилагает все усилия для того, чтобы на этом входе (3) оказался определённый уровень напряжения, прописанный в документации на микросхему. Например 1,25В. Если наше выходное напряжение с этим уровнем совпадает - все хорошо - мы напрямую подаем выходное напряжение на этот вход. Если нет, то устанавливаем делитель. Если нам надо обеспечить выходное напряжение в 5В, то делитель должен обеспечивать коэффициент деления 4, т. е. Например R1 = 30к, R2 = 10к.
Датчик тока обычно устанавливается между источником питания и преобразователем и на микросхему. По разности потенциалов между точками 1 и 2, и при известном сопротивлении резисторы Rs возможно определить текущее значение тока нашего дросселя. Устанавливать датчик тока между источников и нагрузкой не самая хорошая идея, так как конденсатор фильтра будет отрезан резистором от потребителей импульсных токов. Установка резистора в разрыв общего провода тоже нге сулит ничего хорошего - будет два земляных уровня с которыми возиться то еще удовольствие.
Проблемы падения напряжения можно избежать путем использования бесконтактных датчиков тока - например датчиков холла:

Рис 2. Бесконтактный датчик тока
Однако есть более хитрый способ измерения тока. Ведь на транзисторе точно также падает напряжение и через него течет тот же самый ток что и индуктивность. Следовательно, по падению напряжения на нем можно также определить текущее значение тока. Честно говоря, если посмотреть на внутреннюю структуру микросхем преобразователей, например, от Texas Instruments - то такой способ встречается так же часто как и предыдущие. Точность такого способа конечно не самая высокая, но для работы токовой отсечки этого вполне достаточно.

Рис 3. Транзистор в качестве датчика тока
Аналогично поступаем в других схемах подобных преобразователей, будь то повышающий или инвертирующий.
Однако необходимо отдельно упомянуть о трансформаторных прямоходовом и обратноходовом преобразователях.

Рис 4. Подключение датчиков тока в обратноходовых преобразователях
В них точно также может использоваться либо внешнее сопротивление, либо транзистор в его роли.
На этом с подключением датчиков в преобразователи постоянного тока мы закончили. Если у вас есть предложения по другим вариантам - с удовольствием дополню ими статью.

1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного тока

В цепях переменного тока у нас гораздо больший выбор возможных датчиков. Рассмотрим несколько вариантов.
Самый простой - использование резистивного делителя напряжения и токового шунта.

Рис 5.Подключение резисторных датчиков
Однако, у нее усть пара существенных недостатков:
Во-первых, либо мы обеспечим значительную амплитуду сигнала с токового шунта, выделив большое количество мощности на нем, либо будем довольствоваться малой амплитудой сигнала и впоследствии усиливать его. А во-вторых, резистор создает разность потенциалов между нейтралью сети и нейтралью прибора. Если прибор изолирован - то это не имеет значения, если же у прибора есть вывод заземления, то мы рискуем остаться без сигнала с датчика тока, так как закоротим его. Пожалуй стоит попробовать датчики, работающие на других принципах.
Например, воспользуемся трансформаторами тока и напряжения, либо датчиком тока на эффекте холла и трансформатором напряжения. Здесь гораздо больше возможностей по работе с оборудованием, так как нулевой провод не имеет потерь, а главное - в обоих случаях присутствует гальваническая развязка измерительного оборудования, что часто может пригодиться. Однако, необходимо учитывать, что трансформаторные датчики тока и напряжения имеют ограниченную частотную характеристику и если мы захотим измерить гармонический состав искажений, то у нас это не факт что выйдет.

Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных датчиков тока и напряжения

1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного тока

В многофазных сетях наши возможности по подключению датчиков тока немного меньше. Связано это с тем, что токовый шунт использовать совсем не получится, так как разность потенциалов между шунтами фаз будет колебаться в пределах сотен вольт и мне не известен ни один контроллер общего применения, аналоговые входы которого способны выдержать такое издевательство.
Один способ использовать токовые шунты конечно есть - для каждого канала необходимо сделать гальванически развязанный аналоговый вход. Но гораздо проще и надежнее использовать другие датчики.
В своем анализаторе качества я использую резистивные делители напряжения и выносные датчики тока на эффекте холла.

Рис 7.Датчики тока в трехфазной сети
Как видно из рисунка, мы используем четырехпроводное подключение. Разумеется вместо датчиков тока на эффекте холла можно взять трансформаторы тока или петли Роговского.
Вместо резистивных делителей можно использовать трансформаторы напряжения, причем как для четырехпроводной так и для трехпроводной системы.
В последнем случае первичные обмотки трансформаторов напряжения подключаются треугольником, а вторичные звездой, общая точка которых является общей точкой измерительной цепи

Рис 8.Использование трансформаторов напряжения в трехфазной сети

2 Действующее значение тока и напряжения

Пришло время решить задачу измерения наших сигналов. Практическую значимость для нас представляет в первую очередь действующее значение тока и напряжения.
Напомню матчасть из цикла по датчикам. С помощью АЦП нашего микроконтроллера через равные промежутки времени мы будем фиксировать мгновенное значение напряжения. Таким образом, за период измерения у нас будет массив данных уровня мгновенного значения напряжения (для тока все аналогично).

Рис 9. Серия мгновенных значений напряжения
Наша задача - произвести подсчет действующего значения. Для начала воспользуемся формулой интеграла:

(1)
В цифровой системе приходится ограничиваться неким квантом времени, так что мы переходим к сумме:

(2)
Где - период дискретизации нашего сигнала, а - число отсчетов за период измерения. Где-то здесь я в видео начинаю втирать дичь про равенство площадей. Надо было выспаться в тот день. =)
В микроконтроллерах MSP430FE4252, которые применяются в однофазных электросчетчиках Меркурий, за период измерения равный 1, 2 или 4 секунд производится 4096 отсчетов. На T=1с и N=4096 мы и будем опираться в дальшейнем. Более того, 4096 точек в секунду позволят нам использовать алгоритмы быстрого преобразования фурье для определения гармонического спектра вплоть до 40 гармоники, как того требует ГОСТ. Но об этом в следующей серии.
Набросаем алгоритм для нашей программы. Нам требуется обеспечить стабильный запуск АЦП каждую 1/8192 секунды, так как у нас два канал и измерять мы будем эти данные попеременно. Для этого настроим таймер и сигнал прерывания будет автоматически перезапускать АЦП. Все АЦП так умеют.
Писать будущую программу будем на arduino, так как она у многих под рукой. У нас пока чисто академический интерес.
Имея частоту системного кварца 16МГц и 8-разрядный таймер (чтобы жизнь медом не казалась) нам необходимо обеспечить частоту срабатывания хоть какого прерывания таймера с частотой 8192Гц.
Печалимся по поводу того что 16МГц цело не делится как нам надо и итоговая частота работы таймера 8198Гц. Закрываем глаза на погрешность в 0,04% и все равно считываем по 4096 выборок на канал.
Печалимся по поводу того, что прерывание по переполнению в arduino занято расчетом времени (отвечает за millis и delay, так что это работать нормально перестанет), так что пользуемся прерыванием по сравнению.
А еще внезапно понимаем, что сигнал к нам приходит биполярный, и что msp430fe4252 с ним прекрасно справляется. Мы же довольствуемся униполярным АЦП, поэтому на операционном усилителе собираем простой преобразователь биполярного сигнала в униполярный:

Рис 10.Преобразователь биполярного сигнала в униполярный
Причем наша задача обеспечить колебание нашей синусоиды относительно половины опорного напряжения - тогда мы либо отнимем половину диапазона либо активируем опцию в настройках АЦП и получим знаковые значения.
В Arduino 10-разрядный АЦП, поэтому из беззнакового результата в пределах 0-1023 будем вычитать половину и получим -512- 511.
Проверяем модель, собранную в LTSpiceIV и убеждаемся, что все работает как надо. В видеоматериале дополнительно убеждаемся экспериментально.

Рис 11.результат моделирования. Зеленым исходный сигнал, синим - выходной

Скетч для Arduino для одного канала

void setup() { autoadcsetup(); DDRD |=(1<

Программа написана в среде Arduino IDE для микроконтроллера ATmega1280. На моей отладочной плате первые 8 каналов разведены для внутренних нужд платы поэтому используется канал ADC8. Возможно использовать данный скетч и для платы с ATmega168, однако необходимо выбрать правильный канал.
Внутри прерываний передергиваем пару служебных пинов чтобы наглядно видеть рабочую частоту оцифровки.
Пару слов о том, откуда взялся коэффициент 102. При первом запуске с генератора подавался сигнал различной амплитуды, с осциллографа считывалось показание действующего значения напряжения, а из консоли забиралось рассчитанное значение в абсолютных единицах АЦП.

Umax, В	Urms, В	Counted
3	2,08	212
2,5	1,73	176
2	1,38	141
1,5	1,03	106
1	0,684	71
0,5	0,358	36
0,25	0,179	19

Разделив значения третьего столбца на значения второго получаем в среднем 102. Это и будет наш «калибровочный» коэффициент. Однако можно заметить, что при снижении напряжения точность резко падает. Это происходит из-за низкой чувствительности нашего АЦП. Фактически 10 разрядов для точных расчётов катастрофически мало и если напряжение в розетке измерить таким образом вполне получится, то поставить 10-разрядный АЦП на измерение потребляемого нагрузкой тока будет преступлением против метрологии.

На данном моменте мы прервемся. В следующей части рассмотрим другие три вопроса данной серии и будем плавно переходить к созданию непосредственно самого устройства.

Представленную прошивку, а также другие прошивки для данной серии (так как видеоматериалы я снимаю быстрее чем подготавливаю статьи) вы найдете в репозитории на GitHub.

Tutorial

Введение

Измерение электроэнергии.
Качество электроэнергии.
Устройства измерения параметров электроэнергии.

Подключение датчиков тока и напряжения в устройствах постоянного тока, а также однофазных и трехфазных цепей переменного тока;
Измерение действующих значений тока и напряжения;
Измерение коэффициента мощности;
Полная, активная и реактивная мощность;
Потребление электроэнергии;

1. Подключение датчиков

Подключение датчиков постоянного тока

1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного тока

Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных датчиков тока и напряжения

1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного тока

Рис 8.Использование трансформаторов напряжения в трехфазной сети

2 Действующее значение тока и напряжения

(1)
В цифровой системе приходится ограничиваться неким квантом времени, так что мы переходим к сумме:

Рис 11.результат моделирования. Зеленым исходный сигнал, синим - выходной

Скетч для Arduino для одного канала

void setup() { autoadcsetup(); DDRD |=(1<

Umax, В	Urms, В	Counted
3	2,08	212
2,5	1,73	176
2	1,38	141
1,5	1,03	106
1	0,684	71
0,5	0,358	36
0,25	0,179	19

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 LiquidCrystal lcd(7, 8, 9, 10, 11, 12); int analogInput = 0; float vout = 0.0; float vin = 0.0; float R1 = 100000.0; // сопротивление R1 (100K) float R2 = 10000.0; // сопротивление R2 (10K) int value = 0; void setup(){ pinMode(analogInput, INPUT); lcd.begin(16, 2); lcd.print("DC VOLTMETER"); } void loop(){ // считывание аналогового значения value = analogRead(analogInput); vout = (value * 5.0) / 1024.0; vin = vout / (R2/(R1+R2)); if (vin<0.09) { vin=0.0;// обнуляем нежелательное значение } lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("INPUT V= "); lcd.print(vin); delay(500); }