Вольтметр v подключенный к точкам. Подключаем китайский цифровой вольтамперметр

В основу разработки была положена необходимость контроля напряжения аккумулятора в режиме хранения. Когда то встречались такие схемы на AVR контроллерах, но там они были только для контроля напряжение.Также была заложена минимальная цена, минимальное потребление, возможность регулировки параметров без перепрограммирования контроллера и указание аварийных режимов работы аккумулятора (индикация разрядки). На вольтметре происходит последовательный периодический вывод информации о уровне напряжения на измеряемом аккумуляторе. В данном исполнении схема установлена на клеммы аккумулятора 7 А*ч для блоков бесперебойного питания.

Характеристики вольтметра:
- диапазон измеряемых напряжений - 8...25 вольт
- питание от измеряемой цепи
- погрешность, не более - 2%, в измеряемом диапазоне
- периодичность измерений - 1 раз в 10 секунд
- тип индикатора светодиодный, два одиночных светодиода
- последовательное выведение информации на индикатор

Описание работы принципиальной схемы

Как видим в схемотехнике нет ничего принципиально нового. Стандартная схема включения микроконтроллера PIC12F675 с внутренним генератором. К нему подключены измерительные цепи подсоединённые к входам АЦП. Цепочка подсоединённая к выводу 7 измеряет напряжение на входных клеммах всей схемы. А цепочка подключенная к выводу 6 измеряет напряжение на внутреннем делителе и отвечает за формирование уровня аварийного напряжения. К выводам 2 и 3 подсоединены светодиоды индикатора напряжения.

При включении схемы происходит внутренний сброс и инициализация регистров микроконтроллера. После чего происходит измерение напряжений на входах 7 и 6. Далее производится пересчёт измеренного напряжения в количество вспышек светодиодов. пропорционально измеренному.

Вывод на индикацию происходит последовательно следующим образом:

Количество десятков вольт индицируется одновременной вспышкой двух светодиодов.

Количество единиц вольт индицируется вспышками светодиода присоединённого к выводу 3,

Количество десятых долей вольт показывает соответственно светодиод на выводе 2

Длительность вспышек и интервалов между ними рассчитана исходя из максимального удобства считывания. Индикация самого длительного по отображению уровня напряжения (19,9 вольт) - 12...15 сек.

Сама схема конечно тоже потребляет определённый ток, но настолько незначительный что сравним с саморазрядом аккумулятора.

Индикация порога напряжения за которым начинается недопустимо низкий уровень напряжения проявляется в непрерывном последовательном мигании светодиодов.

Взаимозаменяемость элементов

Микросхему стабилизатора напряжения 78L05 можно заменить на 7805, при этом немного возрастёт потребляемый ток.
Светодиоды красный и зелёный в любой последовательности и спецификации - лишь бы удобно считывалось.
Стабилитрон 5.1 вольт возможна замена на 5,6 вольта. Переменные резисторы в диапазоне от 10 до 100 кОм.

Настройка схемы

После сборки проверить напряжение питания микроконтроллера - 5 вольт. Все переменные резисторы выставить в положение ближнее к минус устройства. Срабатывание светодиодов проверить подачей напряжения на соответствующий вывод микроконтроллера (МК должен быть снят!) . После чего установить микроконтроллер (МК) в панельку и сравнивая показатели с более точным вольтметром установить правильность отображения входящего напряжения регулируя резистор на выводе 7.

Аварийное напряжение следует подать на входную цепь в помощью лабораторного блока питания (не ждать же разряда аккумулятора). И резистором подсоединённым к выводу 6 отрегулировать точку срабатывания.

Нужно учитывать то, что отображение происходит не сразу, а при следующем цикле измерения.

По подсчёту совокупной стоимости деталей стоимость не превышает 1.0 у.е.

Более детальную стоимость каждый может рассчитать исходя из тех поставщиков деталей что ему доступны.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	МК PIC 8-бит	PIC12F675	1			В блокнот
STU	Линейный регулятор	L78L05	1			В блокнот
	Стабилитрон	BZX55C5V1	1	5.1 Вольт		В блокнот
С1, С3	Конденсатор	0.1мкФ	2			В блокнот
С2, С4	Электролитический конденсатор	100 мкФ	2			В блокнот
	Резистор	1 кОм	2			В блокнот
	Резистор	10 кОм	1			В блокнот
	Подстроечный резистор	50 кОм	2

Цена: ~$1.3/шт. Приобретены 4 штуки разных цветов (в мае 2017 – по ~$0.6/шт, доставка 4 недели). Выбор был довольно случайным, по наитию, но оказался удачным.
На сайт много описаний таких или подобных вольтметров, но ответов на свои вопросы я не нашел. Пришлось разбираться самому.

#) На рынке присутствуют несколько похожих типов вольтметров одинаковых формы и размеров, но собранных на разных платах. Здесь приведены материалы, непосредственно относящиеся к одному варианту, не отличающемуся от других по описанию. Опознать его можно только по расположению компонентов на приводимых продавцом фотографиях:

Вольтметры однополярные, рассчитаны на измерение положительных напряжений относительно общего с питанием отрицательного провода (черного). Исходно вход вольтметра подключен к линии положительного питания (красный провод) и реально вольтметр имеет диапазон измерения 4÷30V (измерять мог бы и от нуля, но недостаточно питания для его функционирования). Похоже, что эти вольтметры «заточены» под задачу контроля напряжения бортовой сети автомобиля .

Предполагалось использовать вольтметры в составе ручных тестеров разного рода с диапазонами измерения 0÷6V (устройства с 5-вольтовым питанием) и 0÷28V (автомобильное оборудование). Данные двух проводные вольтметры этого не позволяют, но легко позволяют переделку в трех проводный, решающую данную задачу.

Особенности

Имеется защита от переполюсовки питания (до 40V).
Процессор начинает работать при напряжении питания Usupp>3V, но индикаторы добираются до номинального режима яркости только при 4÷4.5V.
При напряжении >29.9V индицирует перегрузку. И при этом практически не греется.
Печатная плата универсальная, легко позволяет переделку под трех-проводной вариант (даже есть пятачок для пайки входного провода U-in), обеспечивающий при отдельном питании диапазоны 0 ÷ +10V и 0 ÷ +30V – «от нуля» (примеры на фото).

Индикаторы недостаточно контрастные, внешняя подсветка так засвечивает неактивные сегменты, что опознавать показания затруднительно, особенно на зеленом и синем (требуется тонирующая пленка).
Зеленый индикатор, видимо как ему и по спектру положено, светит очень неявно. Синий – тоже сомнительной яркости/контрастности. С желтым и красным жить можно. (Белый, за неимением, не испытывал, но внушает надежды).
Исходно вольтметр подвирает, похоже после монтажа к нему не прикасалась рука человека (триммер коррекции стоит в крайнем положении). Но отклонение в пределах диапазона коррекции.
Вольтметр довольно медленный (~2 изм/сек), но зато без суеты – как правило, при медленном изменении входного напряжения встречается «дрожание» показаний младшего разряда на одну единицу. (Правда встречаются и уроды, дрожащие в некоторых зонах на ±1 единицу с потерей промежуточного кода ).
Firmware прибора хорошо оптимизировано – два диапазона индикации с автопереключением (10V и 30V) без «дрожания» и заметного гистерезиса. В диапазоне 0÷10V разрешение 10mV (1000 градаций), в диапазоне 10÷30V разрешение 100mV (300 градаций). Перегрузка обозначается весьма убедительно.

Устройство и переделка

Основой вольтметра является неопознанная микросхема в корпусе NSOP16, не имеющая маркировки. Судя по объему «обвески» это микропроцессор, имеющий АЦП и способность управления 7-сегментным LED-дисплеем. Очень напоминает HT66V317 от HOLTEK, но не совпадает с ним по цоколевке.
Остается открытым вопрос относится ли эта микросхема к типу ICP (In Circuit Programmable) – неподключенные выводы имеются, или, что тоже водится, всего-навсего OTP (One Time Programmable) и мечтать о перепрошивке не приходится.
Схема входной части платы представлена на рисунке:
Исходно напряжение питания Usupp подается через диод D1 (защита от переполюсовки) на стабилизатор U1 и через «перемычку» R0 на входной делитель АЦП. При U-in=30V (верхний предел измерителя) на вход АЦП «ADC-in» поступает 2.0V (а при U-in=10V – 684mV), что обеспечивается делителем R2/R3. Триммер R1 позволяет корректировать чувствительность в пределах 5%.
Похоже АЦП имеет один диапазон и разрешение 12bit. Использует внутреннюю опору в 2.0V (в данной реализации Firmware). Есть подозрение, что многие параметры режимов АЦП задаются программно (прошивкой), аналогично HT66V317.

Для обеспечения диапазона «от нуля» необходимо перемычку R0 (0604) удалить, припаять входной провод к пятачку U-in (рисунок выше) и конечно же обеспечить питание на контакте Usupp (красный провод). Для этой цели пригоден любой 5-вольтовый источник питания, например, ЗУ мобильного телефона. Или какое-нибудь доступное напряжение из обслуживаемого прибора (5÷30V). Ток потребления мизерный (<15mA), даже не всяким USB-доктором обнаруживается.

Специальные случаи применения. Нестандартная шкала.

Иногда возникает потребность измерения какого-нибудь параметра не в стандартных единицах, да еще и с максимально возможным разрешением. И, желательно, без вмешательства в «мозги» вольтметра (замены прошивки). Например, при замене R2 на 3kΩ можно отъюстировать вольтметр на шкалу 0÷+1.0V÷+3.0V (при R2+~1/3*R1=6.2kΩ) с разрешением 1mV и 10mV. Десятичная точка не на месте, но если привыкнуть к мысли, что индицируется значение в десятинах вольта – «дециВольтах» (дВ, dV), то приемлемо.
Более неприятная ситуация при работе с модулями обнаружения газов (MQ-x) с 5-вольтовым питанием и максимальным значением сигнала 4.5÷5V. При оцифровке сигналов таких устройств с помощью вольтметра в стандартном исполнении во-первых, используется только половина шкалы индикатора (потеря разрешения), а во-вторых усложняется связь между значимой величиной измеряемого параметра и довольно абстрактным значением напряжения.
В этом случае можно принять базовое (или максимальное) значение напряжение сигнала (например, 4.5V) за 99.9% контролируемого параметра и откалибровать вольтметр так, чтобы он при этом показывал «круглую цифру» 9.99 (в этом случае более полно реализуется разрешение вольтметра – 4.5mV). Десятичная точка конечно же опять не на месте – индикация получается не в процентах, а в «десятинах». (А переставить управление точками на этой плате хлопотно-труднодоступно.)
Такое представление несколько сбивает с толку, но можно привыкнуть. Подспудное ощущение, что полная шкала измерителя соответствует круглой цифре 10.0 заметно упрощает восприятие текущего значения.
В этом варианте при входном сигнале, превышающем назначенный диапазон (4.5V), индикатор переключится в режим «10.0÷29.9V» (переместится десятичная точка), а штатное обозначение перегрузки появится при 13.5V. При гарантированном ограничении напряжения входного сигнала уровнем 4.5V получается однодиапазонный, не порождающий недоумение переключением вольтметр со шкалой в 1000 градаций.
Для реализации такого приема (перекалибровки) необходимо в вольтметре изменить делитель R2/R3 (точнее уменьшить R2) так, чтобы при 4.5 V на входе делитель имел 684 mV на выходе. Для этого в указанных условиях требуется R1-2-полное=R2+(R1)/2=69.2 kΩ, например, R2=64kΩ (62÷68kΩ) и триммер R1=10kΩ. Можно просто зашунтировать имеющийся R2=169kΩ резистором R2ш=104 kΩ (100÷110kΩ). Входное сопротивление вольтметра станет равным ~82kΩ вместо исходного ~185kΩ. (При высокоомном источнике сигнала, возможно, придется ставить буферный усилитель или калибровать вольтметр по месту). Для соответствия показания "9.99 " точно 5.0 V («круглое» значение разрешения – 5mV) требуется R2ш=128 kΩ (130kΩ), Rвх=~87kΩ.
Эквивалентная модификация делителя увеличением R3 (до 30kΩ) более проблематична. Во-первых, неизвестно как повлияет увеличение выходного сопротивления делителя R2/R3 на шумы/дрейфы АЦП. Во-вторых, для замены R3 старый резистор необходимо удалить, а это (в стесненных условиях данной платы) очень деликатная процедура, попытаться можно, но можно и надсадиться.

Для оцифровки и визуализации показаний датчиков газа MQ-x иногда еще более удобной является калибровка с увеличенным динамическим диапазоном, когда максимальному значению сигнала датчика (5.0V) соответствуют показания вольтметра «29.9» (показанию «9.99» соответствуют 1.67V). При этом на малых концентрациях газа получается разрешение в 1.67mV, что актуально в бытовых условиях, где диапазон значимых концентраций типично соответствует диапазону напряжения аналогового сигнала в 100÷700mV (общая загазованность, поиск мест утечки газа).
При больших концентрациях (диапазон индикации «10.0÷29.9») получается разрешение в 16.7mV, но большее разрешение уже не требуется («если голову ломит выше болевого предела, то на сколько точно промилле выше – уже не важно»).
Единственная неприятность – автоматическое переключение диапазона происходит ненавязчиво, десятичная точка перескакивает незаметно и при наблюдении требуется бóльшая внимательность, надо все время помнить, какие показания были 2÷7 секунд назад.
Для такой калибровки требуется чтобы делитель R2/R3 при 5.0V на входе имел 2.00V на выходе. Необходимо R1-2-полное=R2+(R10)/2=18.6kΩ (Rвх=31kΩ), например, зашунтировать R2 (169kΩ) резистором R2ш=15÷20kΩ с добавкой от триммера R1=4.8÷0.7kΩ (достаточно номинала триммера 5kΩ).
#) Для определения абсолютной концентрации газов (в ppm) все равно придется производить индивидуальную калибровку каждого экземпляра датчика на контрольных смесях газов, процедуру труднодоступную и тематически выходящую за рамки данного описания. А для простенького тестера («показометра») предложенных решений может оказаться вполне достаточно .

PS. Материал в pdf формате

Самодельщики, конструируя, разрабатывая и осуществляя самые разные схемы зарядных устройств или блоков питания, постоянно сталкиваются с немаловажным фактором - визуальным контролем за выходным напряжением и потребляемым током. Здесь весьма часто протягивает руку помощи Алиэкспресс, оперативно поставляя китайские цифровые измерительные приборы. В частности: цифровой ампервольтметр - прибор очень простой, доступный по цене и отображает вполне точные информационные данные.

Но новичкам ввод в эксплуатацию (подключение в схему ампервольтметра) может оказаться задачей проблематичной, т. к. измерительный приборчик приходит без документации и подключить быстро обозначенные цветом провода не каждому по плечу.

Изображение одного из популярнейших среди самодельщиков вольтамперметра выложено ниже,

это ампервольтметр на 100 вольт/10 ампер, он поставляется уже со встроенным шунтом. Многие радиолюбители такие измерительные приборы довольно часто приобретают для своих самоделок . Цифровой прибор может запитываться как от отдельных источников,

так и от одного эксплуатируемого и измеряемого источника напряжения. Но тут скрыт небольшой нюанс, необходимо соблюдать условие - напряжение используемого источника питания находилось в рамках 4,5-30 В.

Самодельщикам, которым еще не совсем понятно: толстый проводок черного цвета подключаем на минус блока питания, толстый проводок красного цвета - на плюс блока питания (засветятся показания шкалы вольтметра),

толстый проводок синего цвета подключаем к нагрузке, второй конец от нагрузки приходит на плюс блока питания (засветятся показания шкалы амперметра).