Цифровой вольтметр и амперметр на INA219, MAX7219, PIC12F675

В статье рассматривается один из вариантов схемы измерительного модуля, предназначенного для использования совместно с лабораторным блоком питания. С помощью данного вольтамперметра возможно измерение напряжения до 26 вольт и тока величиной до 10 ампер. Схема устройства приведена на рисунке 1.

Критериями, по которым разрабатывалась данная схема, являются – простота повторения, простота настройки, ремонтопригодность и относительная дешевизна при довольно не плохих параметрах измерения. Сердцем данной конструкции является микроконтроллер PIC12F675.

Функцию измерения и оцифровки уровней напряжения и тока выполняет микросхема АЦП INA219.

Вывод информации о значениях напряжения и тока на индикаторы возложен на драйвер MAX7219.

На сайте есть статья, кому интересно программирование, называется – «Программа взаимодействия МАХ7219 с PIC контроллерами». За стабильность питающего напряжения +5 вольт отвечает микросхема стабилизатора DA2 – LM78M05. Посмотреть документацию этих компонентов можно перейдя по ссылкам ниже.

Как упоминалось выше, напряжение питания схемы равно пяти вольтам, при этом максимальное входное напряжение данного стабилизатора равно 35 вольт.

Но использовать такое напряжение не стоит из-за большой тепловой мощности, которая будет выделяться на микросхеме. В моем случае ток потребления схемы находится в районе 70мА. При таком токе и входном напряжении 35В на микросхеме стабилизатора выделится – 0,07• 30 = 2,1 Вт тепла, не самый лучший вариант. Сама же микросхема АЦП может измерять напряжение на положительной шине до 26В. Диод VD1 – защита от переполюсовки. Конденсаторы С2, С3, С4, это блокировочные конденсаторы. С1 – конденсатор, защищающий дифференциальные входы INA219. К элементам защиты этой же микросхемы относятся и резисторы R1, R2. Не забывайте, что при выбранной конфигурации работы АЦП и довольно низком значении сопротивления шунта, нелинейность в показаниях амперметра при малых токах нагрузки все же будет. Не зря в амперметрах на разных пределах измерения используются шунты с разным сопротивлением.

Резисторы R3, R4 – резисторы, задающие адрес ведомого при обращении микроконтроллера к АЦП для принятия данных. R5, это резистор, подтягивающий вывод GP3 микроконтроллера к шине питания, это дает возможность взаимодействия микроконтроллера с кнопкой. С помощью этой кнопки мы можем корректировать коэффициент калибровки показаний амперметра, а это дает нам прекрасную возможность не пилить шунт напильником.

Величину коэффициента калибровки можно рассчитать по формуле, приведенной в документации на INA219. Ккалибр = 0,04096/Значение младшего разряда • Rшунта. Вданном случае я выбрал разрешение равным 0,001А, а сопротивление шунта у меня получилось порядка 0,01Ом. Отсюда имеем Ккалибр = 0,04096/0,001 • 0,01 = 4 096. При этом на индикатор выводится значение тока нагрузки с точностью только до сотых долей ампера.

Коррекция показаний амперметра.

Сперва создаем схему в Proteus для моделирования, включаем и видим:

Напряжение в норме, 20 вольт, а вот ток не соответствует действительности. Данные на амперметре, включенного в цепь переменного нагрузочного резистора RV1, говорят о том, что ток равен 5,57А. Дело в том, что я намеренно задал сопротивление шунта – R3, не 0,01 Ом, а 0,008 Ома. Ожидаемо, что показания будут занижены. Для того, чтобы увеличить показания, необходимо увеличить численное значение калибровочного коэффициента. При первом включении схемы в флешь память микроконтроллера записывается величина калибровочного коэффициента, рассчитанного для R3 = 0,01 Ом. В реальной жизни нам и не обязательно точно знать сопротивление шунта, но на картинке то, видно, что оно 0,008Ом. Поэтому ради интереса рассчитаем Ккалибр и для этого значения. Ккалибр = 0,04096/0,001 • 0,008 = 5120. И так. Кратковременно нажимаем кнопку SB1. И видеть мы должны следующее:

Теперь, если мы сейчас еще раз нажмем и отпустим кнопку быстро, то попадем в подпрограмму инкрементации величины калибровочного коэффициента. Смотрим скриншот 3.

Вот теперь надо еще раз нажать и уже удерживая кнопку, следить, как увеличивается калибровочный коэффициент. Сперва медленно, а через 10 циклов быстро. Чтобы попасть в подпрограмму декрементации, надо при нажатии второй раз на кнопку не отпускать ее, а дождаться (1,5 сек) когда появится стилизованная надпить dEc – декремент. смотрим скриншот 4.

Вот теперь надо еще раз нажать и уже удерживая кнопку, следить, как уменьшается калибровочный коэффициент. Сперва медленно, а через 10 циклов быстро. Как только появится нужное вам число, сразу отпускаем кнопку. Программа возвращается в рабочее состояние. Стоп, возвращаемся назад, в подпрограмму Inc. Нам надо увеличить калибровочный коэффициент. Нажимаем на кнопку и смотрим, как он увеличивается. Все, на индикаторах 5120. Смотрим скрин 5.

Я тут чуток переборщил, сейчас уменьшу до расчетного 5120 и посмотрим на величину тока. Картинку можно увеличить и увидеть, что показания амперметров теперь совпадают. Ну, думаю, что все всё поняли.

Все элементы схемы монтируются на односторонней печатной плате, правда есть один нюанс – на схеме показана нумерация выводов микросхемы INA219 в корпусе SOT-23, а топология печатных проводников на плате предусмотрена для INA219 в корпусе SOIC.

В реальной жизни моя экспериментальная плата выглядит следующим образом.

А вот реальная работа устройства измерения. Напряжение питания подал так же 20 вольт. Ток меньше сделал, а то я этой нагрузкой весь стол прожег.

Для моего шунта (кусок константановой наобум отрезанной проволоки 1,6мм) потребовалось увеличить калибровочный коэффициент до 5434. несложно посчитать, что его сопротивление Rшунта= 0,04096/0,001 • 5434 ≈ 0,00754Ом. Хочу напомнить, что параметры АЦП INA219 хуже, чем у, например INA226, поэтому данное устройство лучше использовать в устройствах, допускающих не столь точные измерения. И еще, сопротивление шунта, 0,00754Ом мало для предела измерения тока величиной 10А, так как нелинейность в показаниях начинает проявляться уже в районе 1,2А, лучше применить шунт с сопротивлением 0,1Ом, как показано на схеме, но тогда при токе нагрузки 10А на нем выделится мощность P = I2 ˞ R = 10Вт. Я бы поставил параллельно два по 0,1 при этом проволочное, на Али они есть.

На этом все. Удачи. К.В.Ю.

Скачать файлы проекта можно здесь.