Вольтметр на "Ардуино" с дисплеем

Вольтметры широко используются для измерения напряжения в электрических цепях. Создание собственного вольтметра на базе популярной платформы Ардуино - отличный образовательный проект для любителя электроники. В этой статье мы рассмотрим, как с помощью Ардуино и доступных компонентов можно сделать рабочий вольтметр для измерения постоянного напряжения с отображением данных на дисплее.

Выбор компонентов для вольтметра на Ардуино

Для создания вольтметра на базе Ардуино нам понадобятся следующие компоненты:

• Плата Ардуино Uno или Arduino Nano - мозг нашего устройства;
• ЖК дисплей с контроллером HD44780 - для отображения измеренного напряжения;
• Резисторы номиналом 100 кОм и 10 кОм - для делителя напряжения;
• Прочие мелкие детали: провода, переходная плата для ЖКИ, кнопки.

В качестве Ардуино лучше взять модель Nano - у нее компактные размеры и достаточно выводов для нашего проекта. Вариант Uno тоже подойдет, только займет больше места.

Вольтметры бывают с разным пределом измерения. В нашем случае, благодаря делителю напряжения на резисторах, можно будет измерять напряжение в диапазоне до 30 вольт. При необходимости предел измерения можно увеличить, изменив номиналы резисторов.

Схема вольтметра на Ардуино

Схема нашего вольтметра довольно проста и включает в себя:

• Плату Ардуино Nano;
• ЖК дисплей, подключенный в 4-битном режиме работы;
• Делитель напряжения на резисторах 100 кОм и 10 кОм.

Делитель напряжения нужен для того, чтобы привести измеряемое напряжение в диапазон 0-5 вольт - максимальное значение, которое может обработать Ардуино. Он состоит из двух резисторов, подключенных последовательно. Напряжение, снимаемое с середины делителя, рассчитывается по формуле:

Где R1 и R2 - сопротивления резисторов.

Подбирая резисторы с нужным соотношением, можно регулировать верхний предел измерения вольтметра. Например, в нашем случае с резисторами 100кОм и 10кОм мы получим:

Значит, максимальное входное напряжение для нашего вольтметра составит 33 вольта.

Программа для Ардуино

Для работы вольтметра нужно написать программу для Ардуино на языке С. Основные задачи программы:

• Инициализация ЖК дисплея;
• Считывание данных с аналогового входа A0;
• Расчет входного напряжения по формуле делителя;
• Отображение результата на дисплее.

Для работы с дисплеем удобно использовать готовую библиотеку LiquidCrystal. Для подключения дисплея в 4-битном режиме нужно прописать такой код:

#include <LiquidCrystal.h> LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); void setup(){ lcd.begin(16, 2); } 

Здесь мы подключили библиотеку, создали объект lcd, указав используемые выводы, и проинициализировали дисплей 16x2 в функции setup().

Далее в цикле loop() будем периодически считывать данные с аналогового входа A0, пересчитывать их в напряжение и выводить на дисплей:

void loop(){ int sensorValue = analogRead(A0); float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0) * (100000.0/110000.0); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("U = "); lcd.print(voltage); }

Здесь мы считываем данные с АЦП в переменную sensorValue, пересчитываем в напряжение с учетом коэффициента делителя и выводим на дисплей. Этот пример показывает лишь базовую реализацию, далее можно добавить калибровку, фильтрацию шумов и другую функциональность.

Теперь наша программа готова, осталось ее загрузить в Ардуино и опробовать работу вольтметра на практике.

Сборка вольтметра на макетной плате

После того как схема и программа готовы, можно приступать к сборке вольтметра. Для начала соберем все на макетной плате:

1. Устанавливаем плату Ардуино Nano;
2. Подключаем ЖК дисплей к выводам D4-D7;
3. Припаиваем резисторы 100кОм и 10кОм, образующие делитель напряжения;
4. Подаем питание 5В на Ардуино и дисплей.
</ол>

Теперь можно загрузить скетч управления дисплеем и проверить отображение.

Калибровка показаний вольтметра

Полученные с АЦП данные не всегда точно соответствуют реальному входному напряжению. Для повышения точности нужно откалибровать прибор с помощью образцового вольтметра.

Процесс калибровки:

1. Подаем стабильное опорное напряжение на вход (например 5В);
2. Сравниваем показания образцового и нашего вольтметра;
3. Корректируем показания в коде программы с помощью коэффициента.

Повторяя калибровку для нескольких значений напряжения, можно добиться высокой точности измерений.

Тестирование вольтметра

После калибровки нужно протестировать вольтметр в работе с различными источниками напряжения:

• Батарейки или аккумуляторы разных типов;
• Лабораторные источники питания;
• Выходы различных устройств (зарядки, игрушки);
• Сетевое напряжение 220В через делитель.

Это позволит выявить слабые места, доработать схему и программу. Простой вольтметр должен стабильно работать и показывать верные значения напряжения во всем диапазоне измерений.

Доработки и улучшения вольтметра

На этом базовая функциональность вольтметра реализована. Далее можно добавлять различные улучшения:

• Несколько диапазонов измерения;
• Измерение переменного напряжения;
• Беспроводная передача данных;
• Сохранение показаний в память;
• Графическое отображение напряжения.

Также для увеличения точности измерений можно использовать более качественные компоненты: металлопленочные резисторы, многобитный АЦП, более стабильный источник опорного напряжения.

Измерение переменного напряжения

Схема на базе Ардуино изначально позволяет измерять только постоянное напряжение. Чтобы расширить функционал и добавить возможность измерения переменного напряжения, можно использовать следующие способы:

• Добавить в схему выпрямитель на диодах для преобразования переменного напряжения в постоянное;
• Использовать датчик напряжения на основе трансформатора напряжения;
• Подключить отдельный аналогово-цифровой преобразователь, предназначенный для переменного тока.

Первые два варианта можно реализовать на той же платформе Ардуино. Третий потребует дополнительных компонентов, зато обеспечит лучшую точность.

Создание корпуса

После отладки схемы вольтметра его необходимо разместить в защитном корпусе. Варианты исполнения корпуса:

• Пластиковый корпус от готового прибора;
• Самодельный корпус из дерева, пластика или металла;
• Корпус, напечатанный на 3D-принтере.

При установке в корпус нужно обеспечить:

• Надежное крепление компонентов;
• Защиту от пыли, влаги и ударов;
• Доступ к органам управления и индикации;
• Вентиляцию для отвода тепла.

Хороший дизайн корпуса сделает вольтметр не только функциональным, но и привлекательным прибором.

Юстировка вольтметра

После сборки готового устройства рекомендуется провести его юстировку - точную настройку и калибровку. Юстировка включает:

• Проверку показаний вольтметра с образцовым прибором;
• Тонкую подстройку кода программы и элементов схемы;
• Устранение дрейфа показаний от температуры и времени;
• Калибровку шкалы при разных значениях напряжения.

Юстировка позволяет добиться показаний вольтметра с погрешностью в единицы милливольт.

Поверка вольтметра

Последний этап - поверка вольтметра. Это процедура, которая подтверждает соответствие прибора заданным метрологическим характеристикам. Поверка включает:

• Проверку погрешности вольтметра во всем диапазоне;
• Определение класса точности;
• Клеймение и выдачу сертификата о поверке.

Поверенный вольтметр может использоваться как рабочий эталон для калибровки других приборов.