Arduino负电压表

描述

介绍

坚持只有一个万用表/电压表？但是，有时您需要同时检查 2 或 3 个电压。那么您可能会考虑制作一个真正的直流电压表！

采用常用组件和易于理解的代码设计，可以同时测量单个电路或 3 个独立电路中 3 个节点的正电压和负电压。

示范

硬件

以下硬件用于构建此设备：-

• Arduino Uno：在 ATmega328P 微控制器上上传代码
• ATmega328P：带有 Arduino Bootloader 和内置 10 位 ADC 的 8 位微控制器
• 带 I2C 接口的 128x32 1306 OLED 显示屏：显示电压
• LM324 OpAmp：ADC 的模拟信号调理
• 4cm x 6 cm FR4 原型板：构建电路板
• 10k 多圈电位器：调整零（半 AREF）电压
• TP4056模块：锂聚合物电池充电
• LiPo电池：300mAh可充电电池为设备供电

工作原理：AFE 解释

通常，ATmega328P (Arduino Uno) 可以测量 Gnd 和 AVCC 范围之间的电压（即 0 到 5V），无需任何分压电阻网络。如果启用内部 AREF，它可以测量 Gnd 和 AREF 范围之间的电压（即 0 到 1.1 V）。使用一些分压器，可以测量高于 5V 的电压。这些都是相对于 Gnd 的正电压。

但它无法测量低于 Gnd 的任何电压，这意味着它无法测量负电压。问题是，ATmega328P 有一个单端 ADC，默认情况下会根据Gnd 进行测量。

解决办法是，不要再对 Gnd 进行测量。

真正的电压表有 COM（黑色）和 V（红色）端子，您将 COM 连接到一个节点，V 连接到电路上的另一个节点。相对于 COM 节点，V 节点上的电压读数。

您需要构建一个 (AFE)模拟前端，某种信号调节电路来生成类似 COM 的行为。此 COM 节点的电压应介于 AVCC 和 Gnd 之间。理想情况下，AVCC 电压的一半，但对于本设计，它是 AREF 的一半。

当对 COM 进行外部电压测量时，您可以轻松测量正电压和负电压！

请仔细检查以下电路：

那么，这里发生了什么？内部参考 AREF 在 ATmega328P 上启用（来自无效设置中的固件/代码）。AREF 引脚为 1.1 V。现在，ADC 测量的有效范围为 0 至 1.1 伏。

接下来，使用 LM324 运算放大器缓冲这个 1.1 AREF 电压，这意味着我们仍然有来自第一个运算放大器输出的 1.1 电压。一个 10k 多圈微调电位器精确设置为 5k 以产生 550mV（半 AREF）伏特。这个 550 mV 信号由第二个运算放大器缓冲。550 mV 信号也连接到 ADC Ch - 0。它应该读取 512（10 位的一半）。

有一个分压器网络由 5 兆欧姆（两个 10M 并联）和 100 千欧姆电阻组成，连接到第二个运算放大器的输出。

我将此分压器网络上的电阻较低端 (100k) 定义为 COM，电阻较高端 (5M) 端定义为 V。此分压器的中点连接到 ADC Ch - 1。当没有外部电压施加到此分压器时，ADC Ch - 1 应读取 512（因为 550 mV）

当施加外部电压时，分压器中点电压将移动到 550 mV 以上或以下。如果 V 上的外部电压相对于 COM 较高（正电压），它将移动到 550 mV 以上，如果 V 上的外部电压相对于 COM 较低（负电压），它将移动到 550 mV 以下。ADC Ch-1 读数将相应改变。使用 ADC 读数的这种变化，我们可以计算外部电压。

为什么使用 AREF 而不是 AVCC ？

此设计由 LiPo 电池供电，充满电的 LiPo 将从 4.2 伏开始，电压会逐渐下降。所以，AVCC也会发生变化。但内部参考 AREF 具有恒定的 1.1 伏特。这就是我选择 AREF 的原因。

如果使用其他没有AREF的单片机，​​可以使用TL431 IC来产生参考电压！

为什么使用 LM324 运算放大器？

LM324 IC 在一个封装中有 4 个运算放大器，应用广泛，它的输出可以（非常接近）Gnd。它还适用于 3 至 32 伏之间的任何电源电压。

您始终可以使用更好的运算放大器（精密、低噪声、轨到轨）

电压计算公式

使用 ADC 测量的电压将是实际施加电压的一小部分。这就是为什么在固件内部使用以下公式来计算实际电压的原因：-

分压电阻器：范围与分辨率

• 选择正确的输入电阻 R_Low 和 R_High 很重要，因为电阻值将根据以下公式确定有效电压测量范围：

+/- V = (R_High / R_Low) / 2

• R_High和 R_Low 必须具有可以处理测量电压的额定功率，应满足以下公式：

V < sqrt ((R_High + R_Low) * P)

• 电压测量设备的输入阻抗必须在数百千欧到几兆欧的数量级，以最大限度地减少负载效应：

R_High + R_Low > hundreds of kOhms to few MOhms

对于这个项目，这个电压表可以测量 +/- 25 伏特，R_High = 5M（或 5000k）和 R_Low = 100K ，额定功率为 1/10 瓦，满足以上 3 个条件

• 接下来是测量分辨率，它受实际 ADC 分辨率和您要设置的有效测量范围的限制。ADC 分辨率是可以识别的最小增量电压。

Measurement Resolution = Measurement Range / ADC Resolution

• 例如：如果使用 10 位 ADC 将测量范围设置为 +/- 5 V，您应该在该范围内获得大约 10 mV 的分辨率。但对于这个测量范围为 +/- 25 V（总计 50V）的设计，分辨率约为 49 mV。
• 分辨率还取决于显示器中显示的位数。此设计仅显示小数点后一位数字，因此 49 mV 分辨率可高达 100 mV 或 0.1 伏特。

示例：假设新的 AA 电池用 Fluke 电压表读数为 1.627 伏，但该电压表可能读数仅为 1.5 或 1.6 或 1.7 伏

• For better range or resolution select microcontroller with 12 bit ADC or more
• Reduce measurement range to increase resolution
• Reduce resolution to increase range or measure bigger voltages

准确性：硬件和软件设计如何提供帮助

准确性取决于很多因素。在这个项目中实现了以下一些技巧。

• 首先，输入电阻（分压器 R_Low 和 R_High 上的电阻）必须具有更好的容差，大约为 1% 或更小。这将确保电阻器的电阻非常接近其额定值。
• AVCC 和 Gnd 引脚上带有去耦电容器的稳定电源（最好是电池，无 SMPS）将降低噪声。建议使用 10uF 电容
• 稳定的AREF 或模拟参考电压对于精度非常重要，放置一个 100nF 的电容就可以做到这一点。
• 使用低噪声电子设备将有助于提高准确性（更好的 Opamp）
• 建议在模拟前端采用良好的布线做法和屏蔽

在固件中实施以下操作将提高准确性：-

• 在切换模拟通道之前/之后添加轻微的延迟
• 丢弃第一个模拟转换值
• 取几百个样本并取平均值以提高准确性
• 使用偏移变量进行读数的软校正/调整

尽管可以使用以下代码将 Arduino UNO 或 Atmega328P 的 AREF 引脚设置为 1.1 伏

analogReference(INTERNAL);

不同芯片的实际 AREF 电压可能在 1.06 伏到 1.13 伏之间变化。建议使用高精度万用表测量 AREF 引脚，并找到实际电压。然后在代码中定义它以获得更高的准确性

#define AREF 1.097            // Aref pin voltage

不要只是复制粘贴 1.1 伏！

输入保护：安全问题！

这是用于过压或浪涌保护的双向二极管钳位，您可以与 R_Low 并联使用。由于空间不足，我将这部分留在了我的构建中！

安全永远不能掉以轻心！当 R_Low 两端的电压超过 +/- 800 mV 时，这些二极管将开始钳位。这只是一个例子，根据需要使用不同类型的二极管以获得合适的钳位电压。

编程和焊接

• 第 1 步：从此处在您的计算机上下载并安装 Arduino 。

• 第 2 步：打开 IDE。转到工具 > 库管理器并键入“u8g”

为 1306 OLED 显示器安装u8glib（由 Oliver 设计）库。

• 第 3 步：将 Arduino Uno 连接到 USB，复制并粘贴下面附带的代码。然后编译并上传代码。
• 第 4 步：从 Uno 板上取下 Atmega328P 芯片

• 第 5 步：根据此原理图构建电路。将所有组件焊接到原型板上。

执行电压校准和测量

校准

为获得最佳效果，您需要使用常规万用表/电压表校准该电压表。您将需要任何电池 AA 或 LiPo。用普通万用​​表测量电池电压。然后用这个电压表测量电池。看到读数有一些差异，现在稍微调整/调整 10K 电位器（参见示意图）以进行校准。

通过反转电池的负电压来执行相同的步骤。

您还可以通过使用电阻器定义的值添加/减去一些偏移值来从代码进行软校准。

测量

共有 3 个 Commons COM1、COM2、COM3 和 3 个对应的 V1、V2、V3 探头，用于 3 个不同通道的电压测量。

对于通道 1，电压是在 V1 上相对于 COM1 测量的。如果用 V1 探测的电路节点的电位高于用 COM1 探测的节点，则电压读数将为正。如果 V1 和 COM1 在这两个电路节点上交换，则电压读数将为负。

同样适用于带 V2 和 COM2 的通道 2 以及带 V3 和 COM3 的通道 3。

在不共享任何电气连接的 3 个不同电路上测量三个不同电压时，对 3 个电路使用 V1/COM1、V2/COM2、V3/COM3 对。

在单个电路上测量三个不同的电压时，请勿使用多个 COM 。只需将一个 COM （例如 COM3，任何 COM 都可以！）连接到 Gnd 或该电路的任何节点。然后使用 V1、V2、V3 测量 3 个不同节点上相对于 Gnd 或连接 COM 的节点的 3 个不同电压。

在同一电路上连接多个 COM 会搞砸读数！

结论和未来的工作

我忘了添加一些重要的东西，当电压范围超过测量范围时显示 OL（过载）。希望我会用额外的功能更新代码。

内部 EEPROM 上的一些电压记录可能很方便，我也会尝试这样做。我想为 REL（归零幻影电压）和 HOLD（冻结屏幕）添加几个按钮。我已经在顶部焊接了一个母接头以供将来扩展，敬请期待。

该设计可用于测量缓慢变化的交流电压/信号（假设为正弦波），而无需更改硬件。它还可用于设计分流电流表（提示：用非常低的 R 值替换分压器）。但是您需要为此编写不同的代码。

这个概念适用于任何微控制器，请随意构建您自己的设计，祝您好运。