Ардуино измерение напряжения отрицательной полярности

Вольтметр переменного тока на Arduino Uno

В этом проекте мы рассмотрим создание вольтметра переменного тока на основе платы Arduino Uno, которым можно будет измерять напряжение переменного тока в вашей квартире. Выводить измеренное напряжение мы будем в окне монитора последовательной связи (serial monitor) Arduino IDE.

Создание цифрового вольтметра значительно проще создания аналогового вольтметра поскольку в случае аналогового вольтметра нам будут необходимы уверенные знания в таких физических параметрах как крутящий момент, потери на трение и т.д. В то время как для создания цифрового вольтметра нам будет нужен просто ЖК дисплей или даже экран вашего компьютера (в нашем рассматриваемом случае) чтобы вывести измеренное значение напряжения. Также на нашем сайте вы можете посмотреть проект цифрового вольтметра от 0 до 25 В на микроконтроллере AVR.

Необходимые компоненты

1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
2. Трансформатор 12-0-12.
3. Диод 1N4007 (купить на AliExpress).
4. Конденсатор 1 мкФ (купить на AliExpress).
5. Резисторы 10 кОм, 4,7 кОм (купить на AliExpress).
6. Полупроводниковый стабилитрон 5v (диод Зенера — Zener diode) (купить на AliExpress).
7. Соединительные провода.

Работа схемы

Схема рассматриваемого нами цифрового вольтметра на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

В схеме необходимо сделать следующие соединения:

1. Соедините высоковольтную часть трансформатора (220V) с источником напряжения, а его низковольтную часть (12v) — с делителем напряжения в схеме.
2. Соедините резистор 10 кОм последовательно с резистором 4,7 кОм. Убедитесь в том, что на вход схемы напряжение будет поступать с именно с резистора 4,7 кОм (не перепутайте резисторы).
3. Соедините диод как показано на схеме.
4. Подсоедините конденсатор и стабилитрон как показано на схеме.
5. Соедините отрицательный вывод диода с контактом A0 платы Arduino.

Примечание : обязательно соедините землю Arduino с точкой, показанной на рисунке, иначе схема не будет работать.

Зачем нужен делитель напряжения

Поскольку мы используем трансформатор 220/12 это значит что на его низковольтной стороне будет напряжение 12 В, которое не подходит для питания платы Arduino (не подходит в качестве ее входного напряжения). Поэтому мы и используем делитель напряжения чтобы получить подходящее напряжение для платы Arduino.

Зачем нужны диод и конденсатор

Поскольку плата Arduino не может работать с отрицательными значениями напряжения мы должны удалить отрицательные циклы напряжения из поступающего напряжения переменного тока, чтобы остались только положительные циклы. Поэтому для выпрямления поступающего входного напряжения и используется диод.

Но напряжение на выходе диода не будет “гладким” (ровным) и будет содержать большие пульсации, которые нежелательно (в нашем случае) подавать на аналоговый вход платы Arduino. Поэтому в схему и включен конденсатор чтобы сглаживать пульсации напряжения на выходе диода.

Назначение стабилитрона

Можно повредить плату Arduino если на ее контакт подать напряжение более 5 В. Поэтому, чтобы напряжение на контакте Arduino не превысило 5 В, в схеме и используется стабилитрон.

Принцип работы вольтметра переменного тока на основе Arduino

Принцип работы нашего проекта составляют следующие действия:

1. Входное высоковольтное напряжение понижается до напряжения примерно 12 В, приемлемого для работы низковольтных схем.
2. С выхода делителя напряжения на резисторах мы получаем напряжение, пригодное (по номиналу) для подачи на контакт платы Arduino. Максимальное измеряемое схемой напряжение мы получим с помощью ее симуляции (см. ниже).
3. Поступающее напряжение (аналоговое) поступает на аналоговый контакт A0 платы Arduino. С помощью аналогово-цифрового преобразования (АЦП), доступного на контакте A0, это входное напряжение преобразуется в число от 0 до 1023. 0 В будет соответствовать 0, а 5 В – 1023.
4. Плата Arduino конвертирует это значение с выхода АЦП в соответствующее значение напряжения на входе схемы (формула приведена ниже в статье).

Симуляция работы схемы

Моделирование работы схемы было произведено в симуляторе Proteus.

Нахождение максимального входного напряжения осуществлялось методом проб.

При пиковом максимальном переменном напряжении равном 440 В (311 r.m.s, Rated Maximum Sinusoidal — Максимальная (предельная) синусоидальная мощность) напряжение на входе контакта A0 было равно 5 Вольтам, то есть максимуму. То есть наша схема может измерять максимум 311 r.m.s напряжения (440 В пикового напряжения).

Моделирование производилось для различных величин входного напряжения – от 220 r.m.s до 440v.

Исходный код программы

Значение, получаемое с контакта A0, мы будем записывать в переменную m:

m=pinMode (A0,INPUT) ; // режим работы контакта a0 – на ввод данных

Как следует из результатов симуляции схемы, максимальное напряжение 5 В на контакте A0 (1023 после преобразования) достигается при напряжении на входе схемы равном 311 В. То есть значение с выхода АЦП 1023 будет соответствовать 311 Вольтам на входе схемы. Следовательно, чтобы рассчитать значение напряжения на входе схемы, можно использовать формулу:

n=(311/1023)*m Вольт или n=(m*0.304177).

Далее вычисленное по этой схеме измеренное значение напряжения на входе схемы мы будем выводить в окне монитора последовательной связи (serial monitor). Более подробно все эти процессы показаны на видео, приведенном в конце статьи.

Serial.print(» analog input «) ; // выводим строку “analog input” в окно монитора последовательной связи
Serial.print(m);// выводим значение напряжения на входе контакта A0

Далее выводим измеренное значение переменного напряжения на входе схемы.

Serial.print(» ac voltage «) ; // выводим строку “ac voltage” в окно монитора последовательной связи
Serial.print(n) ; // выводим значение напряжения на входе схемы

Вместо вывода значений напряжения в окно монитора последовательной связи можно использовать их вывод на экран ЖК дисплея, который в этом случае необходимо добавить в схему.

Источник

Arduino AREF пин: измеряем точное напряжение

В этом материале мы рассмотрим, как можно с большей точностью измерять меньшие напряжения, используя аналоговые выводы Arduino или совместимой плате вместе с выводом AREF.

Обзор

Вы можете вспомнить, что вы можете использовать функцию Arduino analogRead() для измерения напряжения электрического тока от датчиков и т.п., используя один из выводов аналогового входа. Значение, возвращаемое функцией analogRead(), должно быть в диапазоне от 0 до 1023, где ноль представляет собой ноль вольт, а 1023 представляет рабочее напряжение используемой платы Arduino.

И когда мы говорим, рабочее напряжение — это напряжение, доступное Arduino после схемы питания. Например, если у вас есть типичная плата Arduino Uno и вы запускаете ее через разъем USB (для платы есть доступные 5 В через разъем USB на вашем компьютере), то напряжение немного уменьшается, поскольку ток идет через всю схему к микроконтроллеру или USB-источник может не давать абсолютное значение.

Это можно легко продемонстрировать, подключив Arduino Uno к USB и установив мультиметр для измерения напряжения на контактах 5В и GND. Некоторые платы возвращают напряжение до 4,8 В, некоторые показывают значения выше 4,8 В, ниже 5 В. Поэтому, если вы стремитесь к точности, питайте вашу плату от внешнего источника питания через разъем постоянного тока или Vin-контакт, например, 9 В постоянного тока. Затем, после этого, пройдя через цепь регулятора мощности, вы получите хорошее напряжение 5 В.

Это важно, поскольку точность любых значений analogRead() будет зависеть от отсутствия истинных 5 В. Если у вас нет никакой опции, вы можете использовать некоторые математические расчеты в своем эскизе, чтобы компенсировать падение напряжения. Например, если ваше напряжение равно 4,8 В — диапазон analogRead() от 0 до 1023 будет относиться к 0

5 В. Это может звучать тривиально, однако, если вы используете датчик, который возвращает значение в виде напряжения (например, датчик температуры TMP36) — рассчитанное значение будет неверным. Поэтому в интересах точности используйте внешний источник питания.

Почему analogRead() возвращает значение от 0 до 1023?

Это связано с разрешением АЦП. Разрешение (в рамках этой статьи) — это степень, в которой что-то может быть представлено численно. Чем выше разрешение, тем выше точность, с которой что-то можно представить. Мы измеряем разрешение в терминах количества бит разрешения.

Например, 1-битное разрешение позволит использовать только два (два в степени одного) значения — ноль и единицу. 2-битное разрешение позволило бы получить четыре (два в степени двух) значения — ноль, один, два и три. Если мы попытаемся измерить диапазон в пять вольт с двухбитным разрешением, а измеренное напряжение будет равно четырем вольтам, наш АЦП вернет числовое значение 3 — при падении четырех вольт между 3,75 и 5В. Проще представить это с изображением выше.

Таким образом, в нашем примере АЦП с 2-битным разрешением может представлять напряжение только с четырьмя возможными результирующими значениями. Если входное напряжение падает между 0 и 1,25, АЦП возвращает цифру 0; если напряжение падает между 1,25 и 2,5, АЦП возвращает числовое значение 1. И так далее. С диапазоном АЦП нашего Arduino от 0 до 1023 — у нас есть 1024 возможных значения — или от 2 до 10, поэтому у наших Arduino есть АЦП с 10-битным разрешением.

Что такое AREF?

Когда ваш Arduino берет аналоговое показание, он сравнивает напряжение, измеренное на используемом аналоговом выводе, с так называемым опорным напряжением. При обычном использовании аналогового чтения эталонное напряжение — это рабочее напряжение платы.

Для более популярных плат Arduino, таких как платы Uno, Mega, Duemilanove и Leonardo / Yún, рабочее напряжение 5В. Если у вас есть плата Arduino Due, рабочее напряжение составляет 3,3 В. Таким образом, если у Вас есть опорное напряжение 5 В, каждый блок, возвращаемого analogRead() оценивается в 0.00488 В. (Это рассчитывается путем деления 1024 на 5В). Что если мы хотим измерить напряжения между 0 и 2 или 0 и 4,6? Как АЦП узнает, что составляет 100% от нашего диапазона напряжений?

И в этом заключается причина существования вывода AREF. AREF означает Analog Reference. Это позволяет нам «скормить» Arduino опорное напряжение от внешнего источника питания. Например, если мы хотим измерить напряжения с максимальным диапазоном 3,3 В, мы бы подали хорошие плавные 3,3 В на вывод AREF, например, от ИС регулятора напряжения.

Тогда каждый шаг АЦП будет представлять около 3,22 милливольт (разделить 1024 на 3,3В). Обратите внимание, что самое низкое опорное напряжение вы можете иметь 1.1В. Существует две формы AREF — внутренняя и внешняя, поэтому давайте их проверим.

Внешний AREF

Внешний AREF тот, куда направляется внешний источник опорного напряжения на плате Arduino. Это может происходить от регулируемого источника питания, или, если вам нужно 3,3 В, вы можете получить его от 3,3 В вывода Arduino. Если вы используете внешний источник питания, обязательно подключите GND к выводу GND Arduino. Или, если вы используете источник 3,3 В Arduno — просто установите перемычку с контакта 3,3 В на контакт AREF.

Чтобы активировать внешний AREF, используйте следующее в void setup ():

Это устанавливает опорное напряжение на то, что вы подключили к пину AREF, что, конечно, будет иметь напряжение между 1,1В и напряжением работы платы.

Очень важное примечание — при использовании внешнего опорного напряжения вы должны установить analogReference() на EXTERNAL (внешнее), прежде чем использовать analogRead(). Это предотвратит вас от короткого замыкания активного внутреннего опорного напряжения и вывода AREF, которое может повредить микроконтроллер на плате. При необходимости вы можете вернуться к рабочему напряжению платы для AREF (то есть — вернуться в нормальное состояние) с помощью следующей команды:

Как нам продемонстрировать внешний AREF в работе? Используя AREF 3,3 В, следующий скетч измеряет напряжение от A0 и отображает процентная доля всего AREF и рассчитанного напряжения:

Результаты скетча показаны на видео выше.

Внутренний AREF

Микроконтроллеры на наших платах Arduino также могут генерировать внутреннее опорное напряжение 1.1В, и мы можем использовать это для работы AREF. Просто используйте строку:

Для плат Arduino Mega в void setup() используйте:

Для Arduino Mega есть также опорное напряжение 2.56В, которое активируется так:

Наконец, прежде чем останавливаться на результатах, полученных на вашем выводе AREF, всегда откалибруйте показания по известному исправному мультиметру. Функция AREF дает вам больше гибкости при измерении аналоговых сигналов.

Источник

Аналоговые входы Arduino

В прошлом уроке мы разобрали измерение и вывод цифрового сигнала с микроконтроллера, а в этом разберём аналоговый сигнал. Как мы уже не раз говорили ранее, у микроконтроллера есть аналоговые входы, т.е. входы, подключенные к АЦП – аналогово-цифровому преобразователю (ADC). На платах Ардуино это пины, маркированные буквой А. Я не просто так написал название в кавычках, потому что не все пины являются только аналоговыми: например на плате Nano пины A0-A5 являются также обычными цифровыми, и у них есть возможность измерять аналоговый сигнал как доп. функция. Пины A6 и A7 являются чисто аналоговыми.

Зачем нужно читать аналоговый сигнал? Микроконтроллер может выступать в роли вольтметра, измерять собственное напряжение питания, например от аккумулятора, может измерять ток через шунт (если вы знаете закон Ома), можно измерять сопротивление, а также работать с потенциометрами (крутильными, линейными, джойстиками), которые являются очень удобными органами управления.

Чтение сигнала

“Аналоговые” пины могут принимать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, просто в какие-то условные единицы. АЦП у нас имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023. Функция, которая оцифровывает напряжение, называется analogRead(pin) , данная функция принимает в качестве аргумента номер аналогового пина и возвращает полученное значение. Сам пин должен быть сконфигурирован как INPUT (вход), напомню, что по умолчанию все пины так и настроены. Пин кстати указывается “аналоговый”:

• Просто номером А-пина (например, 0)
• Номером с буквой А (например, А0)
• Порядковым номером GPIO: А0 – 14 пин, A1 – 15 пин… А7 – 21

Вот пример, опрашивающий пин А0.

Хранить полученное значение разумно в переменной типа int, потому что значение варьируется от 0 до 1023.

Потенциометры

Аналоговые пины и АЦП в целом очень часто используются при работе с потенциометрами (он же переменный резистор или реостат). 10 бит АЦП позволяют дать возможность задавать в программу значения от 0 до 1023 (или кратные им), то есть влиять на ход работы программы, менять какие-то настройки и тому подобное. У потенциометра всегда три ноги: две крайние и одна центральная. Всё вместе это представляет собой делитель напряжения, который и позволяет менять напряжение в диапазоне 0-VCC:

К Arduino потенциометр подключается вот так, средний вывод на любые A-пины, крайние – на GND и питание. От порядка подключения GND и питания зависит направление изменения значения. Что касается сопротивления, то читай заметку по делителям напряжения ниже в этом уроке. Чаще всего для микроконтроллеров ставят потенциометры с сопротивлением 10 кОм, но диапазон в принципе очень широк: от 1 кОм до 100 кОм. Чем больше, тем более шумным будет приходить сигнал, а если брать меньше – пойдут потери тока в нагрев потенциометра, а это никому не нужно.

Опорное напряжение

Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты. Изучим следующую функцию – analogReference(mode) , где mode:

• DEFAULT : опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию
• INTERNAL : встроенный источник опорного на 1.1V для ATmega168 или ATmega328P и 2.56V на ATmega8
• INTERNAL1V1 : встроенный источник опорного на 1.1V ( только для Arduino Mega )
• INTERNAL2V56 : встроенный источник опорного на 2.56V ( только для Arduino Mega )
• EXTERNAL : опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF

После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными (сильно шумными).

Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его, но не выше 5.5V, что спалит плату. То есть при режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение (12 Вольт например) я расскажу в отдельном уроке.

Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1024)

4.9 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024)

0.98 милливольт. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.

Что касается внешнего источника опорного напряжения. Нельзя использовать напряжение меньше 0V или выше 5.5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при использовании режима EXTERNAL нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до вызова функции analogRead() , иначе можно повредить микроконтроллер. Можно подключить опорное в пин AREF через резистор на

5 кОм, но так как вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, реальное опорное будет например 2.5 * 32 / (32 + 5) =

Измерение напряжения

0-5 Вольт

Простой пример, как измерить напряжение на аналоговом пине и перевести его в Вольты. Плата питается от 5V.

Таким образом переменная voltage получает значение в Вольтах, от 0 до 5. Чуть позже мы поговорим о более точных измерениях при помощи некоторых хаков.

Почему мы делим на 1024, а не на 1023 , ведь максимальное значение измерения с АЦП составляет 1023? Ответ можно найти в даташите:

АЦП при преобразовании отнимает один бит, т.е. 5.0 Вольт он в принципе может измерить только как 4.995, что и получится по формуле выше: 1023 * 5 / 1024 == 4.995.. . Таким образом делить нужно на 1024, если кто-то у вас спросит почему – отправьте его читать даташит.

Сильно больше 5 Вольт

Для измерения постоянного напряжения больше 5 Вольт нужно использовать делитель напряжения на резисторах (Википедия). Схема подключения, при которой плата питается от 12V в пин Vin и может измерять напряжение источника (например, аккумулятора):

Код для перевода значения с analogRead в вольты с учётом делителя напряжения:

Как выбрать/рассчитать делитель напряжения?

• Согласно даташиту на ATmega, сумма R1 + R2 не рекомендуется больше 10 кОм для достижения наибольшей точности измерения. В то же время через делитель на 10 кОм будет течь ощутимый ток, что критично для автономных устройств (читай ниже). Если девайс работает от сети или от аккумулятора, но МК не используется в режиме сна – ставим делитель 10 кОм и не задумываемся. Также рекомендуется поставить конденсатор между GND и аналоговым пином для уменьшения помех.
• Если девайс работает от аккумулятора и микроконтроллер “спит”: пусть аккумулятор 12V, тогда через 10 кОм делитель пойдёт ток 1.2 мА, согласно закону Ома. Сам микроконтроллер в режиме сна потребляет

1 мкА, что в тысячу раз меньше! На самом деле можно взять делитель с гораздо бОльшим суммарным сопротивлением (но не больше 20 МОм, внутреннего сопротивления самого АЦП), но обязательно поставить конденсатор на

0.1 мкФ между аналоговым пином и GND (вот здесь проводили эксперимент). Таким образом например при при R1+R2 = 10 МОм (не забыть про конденсатор) ток через делитель будет 1.2 мкА, что уже гораздо лучше!
Коэффициент делителя равен (R1 + R2) / R2 . Коэффициент должен быть таким, чтобы при делении на него измеряемого напряжения не получилось больше 5 Вольт. У меня в примере (10 + 4.7) / 4.7

3.13 . Я хочу измерять литиевый аккумулятор с максимальным напряжением 12.8 Вольт. 12.8 / 3.13

4 Вольта – отлично. Например для измерения 36 Вольт я бы взял делитель с плечами 100к и 10к.

Можно воспользоваться онлайн-калькулятором.

Сильно меньше 5 Вольт

Для более точных измерений маленького напряжения можно подключить пин AREF к источнику низкого опорного напряжения (об этом было выше), чтобы “сузить” диапазон работы АЦП. Источник может быть как внешний, так и внутренний, например изменив опорное на внутреннее 1.1V ( analogReference(INTERNAL) ) можно измерять напряжение от 0 до 1.1 Вольта с точностью 1.1/1024

Видео

Источник