Многоканальный дистанционный вольтметр

1. Аналитический обзор

1.1 Классификация и принцип действия

вольтметр напряжение микроконтроллер многоканальный Классификация По принципу действия вольтметры разделяются на:

— Электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические

— электронные — аналоговые и цифровые

— дистанционные

— По назначению:

— постоянного тока;

— переменного тока;

— импульсные;

— фазочувствительные;

— селективные;

— универсальные;

— По конструкции и способу применения:

— щитовые;

— переносные;

— стационарные;

Электроизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их принципа действия:

— Дxx — электродинамические вольтметры.

— Мxx — магнитоэлектрические вольтметры.

— Сxx — электростатические вольтметры.

— Тxx — термоэлектрические вольтметры.

— Фxx, Щxx — электронные вольтметры.

— Цxx — вольтметры выпрямительного типа.

— Эxx — электромагнитные вольтметры.

— Радиоизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их функционального назначения по ГОСТ 15 094:

— В-вольтметры общего назначения,

— В2-xx — вольтметры постоянного тока.

— В3-xx — вольтметры переменного тока.

— В4-xx — вольтметры импульсного тока.

— В5-xx — вольтметры фазочувствительные.

— В6-xx — вольтметры селективные.

— В7-xx — вольтметры универсальные.

Вольтметр (вольт + гр. мефсещ измеряю) — измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Селективные вольтметры Селективный вольтметр способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ, в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник.

Дистанционный вольтметр Дистанционный вольтметр является устройством, позволяющим удалённо измерять значения переменных синусоидальных напряжений от нескольких различных источников (шесть каналов в данной реализации) и представлять полученную информацию на шести трёхразрядных семисегментных индикаторах.

Разработка устройства обусловлена необходимостью постоянного контроля энергоснабжения оборудования, расположенного на некотором удалении от места нахождения человека. В настоящее время устройство применяется для контроля трёх фаз входного напряжения подаваемого на промышленный нормализатор и трёх фаз снимаемого напряжения. Расстояние от места измерения до места индикации составляет 800 м.

Конструктивно вольтметр выполнен в виде двух модулей — модуля измерения и передачи, располагающегося непосредственно в месте измерения, а так же модуля приёма и индикации, устанавливаемого на рабочем месте. Связь между двумя модулями организуется с помощью пары проводов (в настоящее время используется телефонная пара). Канал связи гальванически развязан от узлов устройства, находящихся под опасным напряжением, передача информации производится токовым сигналом, имеющим значение до 30 мА.

Аналого-цифровое преобразование производится с помощью АЦП, интегрированного в МК ATmega8. Для измерения действующего значения переменного напряжения реализован алгоритм детектирования пика синусоидального сигнала и его последующее умножение на амплитудный коэффициент синусоиды. Питание модуля измерения и передачи производится через бестрансформаторный блок питания от первого канала измеряемого напряжения. При падении напряжения на этом канале ниже уровня 90 В модуль отключается. Светодиод HL1 служит для индикации процесса передачи информации приёмному модулю.

Питание модуля приёма и индикации осуществляется от внешнего источника постоянного напряжения 7−25 В. В нормальном режиме на всех индикаторах отображаются значения измеряемого напряжения, соответствующие определённому каналу. При отсутствии посылок от передатчика в течении более 2-х периодов обновления (примерно 1,4 сек.) на всех индикаторах отображается слово «Err», что сигнализирует о нарушении канала связи, либо неисправности передатчика. Индикация возвращается в нормальный режим после получения очередной посылки. Снижение напряжения по какому-либо из каналов, кроме первого, ниже 100 В приводит к индикации прочерка «-» на соответствующем индикаторе, остальные каналы отображаются в нормальном режиме.

В данном исполнении вольтметра производится измерение исключительно сетевого переменного напряжения, однако внеся минимальные изменения в программную часть МК передающего модуля, а так же изменив номиналы резисторов делителей напряжения R5-R10 и R11-R16, возможно измерять и постоянное напряжение по всем или нескольким отдельным каналам.

Электронные вольтметры Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами — селективные.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требования нельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть пропорционально амплитудному (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Рисунок 1.1. Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рисунок 1.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом представляет собой последовательное соединение вакуумного диода Д с параллельно соединенными резистором Л и конденсатором С. Если к зажимам 1−2 приложено напряжение u = U_m sint от источника с внутренним сопротивлением r_i, то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения U_c, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки. В течение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени 't₁ — 't₂ тогда и>U_c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i_Д до напряжения Uc * постоянная времени заряда _з = (R_i +R_Д) С, где R_Д — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение интервала t₂ — 't₁ постоянная времени разряда _p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим условиям: _з < 1/f_в и _p > I/f_н где f_в и f_н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что _з << _p и R >> R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: _з < 1/f_в выполнить не удается, и потому на высоких частотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением U_пик.

U_пик = U_mcos (1.1)

Где — угол отсечки диода.

Напряжение U_пик поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рисунок 1.2) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соединенными диодом Д и резистором R. Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное U_пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3−4 имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

Рисунок 1.2. Принципиальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажимам /-2 постоянной составляющей пульсирующего напряжения. Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включено пульсирующее напряжение так, что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение

U_пикU_max=U₀+U_m+,

где Uo — постоянная составляющая, а U_m+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей. Если к аноду диода приложен «-» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей U₀ преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряжение U_пик U_m+, a если «-», то U_пик U_{m -} (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом измерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения сигналов и т. д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности 0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

Рисунок 1.3. Диаграммы напряжении в амплитудных преобразователях: а-с открытым входом; б — с закрытым входом Вольтметр средневыпрямленного значения состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкополосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.

Рисунок 1.4. Структурная схема универсального вольтметра

Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя поступает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения.

Рисунок 1.5. Структурная схема вольтметра высокой чувствительности Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микрои милливольты) и сравнительно узкой полосой частот измеряемых напряжений (1; 5; 10 МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.

Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строится по структурной схеме. Применяются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значения напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей создан преобразователь среднеквадратического значения, работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рисунок 1.6) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме). Нагреватель первого термопреобразователя подключен к выходу широкополосного усилителя, т. е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель второго — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Е_т1 =a_тU²_x второго — Е_т2 =a_тU²_вых, где Ux и (Uвых — среднеквадратические значения измеряемого и выходного напряжений соответственно.

Рисунок 1.6. Схема термоэлектрического преобразователя среднеквадратического значения напряжения Термопары включены встречно. Применяют дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напряжение среднеквадратического преобразователя связано линейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.

Основная погрешность преобразования обусловлена не идентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с их старением, и составляет 2,5−6%.

Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше универсальный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.

Рисунок 1.7. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.

Погрешность измерения возникает вследствие нелинейности изменения линейнопадающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств.

Рисунок 1.8. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием

Возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1%. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Принцип его работы подобен принципу времямпульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство U_x=U_обр. код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x. Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействие.

1.2 Аналогичные устройства

1.2.1 Вольтметр на микроконтроллере AVR

Этот вольтметр предназначен для встраивания в регулируемые лабораторные источники питания. Он осуществляет измерение и индикацию на четырехразрядном цифровом светодиодном семиэлементном индикаторе напряжения в пределах 0…99.9 В.

Этот интервал разбит на два поддиапазона: 0…9.99 В и 10,0…99,9 В, а их переключение осуществляется автоматически. В индикаторе не используются десятичные точки, поэтому разделение единиц и десятков вольт от десятых и сотых долей вольта осуществляется одним «погашенным» разрядом индикатора.

Рисунок 1.9. Принципиальная схема вольтметра на AVR микроконтроллере Измерение напряжения и преобразование в цифровой код осуществляет встроенный в микроконтроллер DD1 10-разрядный АЦП. Диод VD1 защищает его вход от напряжения минусовой полярности, а диод VD2 ограничивает напряжение на нем на уровне 3,1…3,3 В. Дроссель L1 совместно с конденсатором СЗ образуют фильтр питания аналоговой части микроконтроллера DD1. Конденсатор С1 снижает уровень помех на входе АЦП, а конденсатор С4 — на выходе РАЗ микроконтроллера, на котором присутствует образцовое напряжение для АЦП (2,56 В), заданное программно.

Пока входное напряжение менее 9,99 В, значение в регистрах данных АЦП меньше установленного порога и на выходе РАО микроконтроллера низкий уровень. Поэтому транзистор VT1 закрыт и резисторы R1-R3 образуют делитель напряжения с коэффициентом передачи 0,25. В этом случае «светятся» первый и второй разряды индикатора HG2, которые индицируют сотые и десятые доли вольта соответственно. Третий разряд погашен, так как он является разделительным, «светится» также первый разряд индикатора HG1, который является в данном случае третьим разрядом всего индикатора вольтметра, на нем отображаются единицы вольт.

Если входное напряжение достигнет значения 10 В и более, на выходе РАО микроконтроллера установится высокий уровень, транзистор VT1 откроется и параллельно резистору R3 через малое сопротивление сток-исток открытого транзистора будет подключен резистор R4, уменьшая коэффициент передачи резистивного делителя напряжения R1 — R4 в десять раз — 0,025. В этом случае «светятся» первый (десятые доли вольта) и третий (единицы вольт) разряды индикатора HG2 (второй является разделительным и погашен), а также первый разряд (десятки вольт) индикатора HG1.

Большинство деталей, кроме светодиодных индикаторов, монтируют на плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита. В устройстве применены оксидные конденсаторы К50−35 или импортные, резисторы — МЛТ, С2−23, транзисторы BSS88 заменимы на BS170P, КП504А. Можно применить один четырехразрядный, два двухразрядных или четыре одноразрядных светодиодных семисегменных индикаторов с общим катодом. Дроссель L1 — ДМ — 0,1 или импортный ЕС24, на плате он установлен между выводами 5 и 15 микроконтроллера со стороны печатных проводников. Питать устройство необходимо от стабилизированного источника напряжения, например, интегрального стабилизатора 78L05, подключив его к выходу выпрямителя источника питания. Но следует помнить, что максимальное входное напряжение стабилизатора 78L05 составляет 30 В. Средний ток, потребляемый устройством, — около 12 мА.

Налаживание сводится к подборке резисторов R1 и R4. Сначала, подав на вход напряжение около 5 В и контролируя его образцовым вольтметром, подборкой резистора R1 устанавливают на индикаторе необходимое значение. Затем увеличивают входное напряжение до 15…20 В и подборкой резистора R4 также устанавливают на индикаторе необходимое значение.

1.2.2 Вольтметр с матричным индикатором и автоматическим выбором пределов измерения

При разработке данного устройства была поставлена задача — создать цифровой ампервольтметр, при максимальной простоте устройства, обеспечивающий измерение напряжений до 999 и позволяющий визуально отслеживать показания с расстояния нескольких метров.

Рисунок 1.10. Принципиальная схема вольтметра с матричным индикатором Схема устройства показана на рисунке 1.10. Основой устройства является микроконтроллер ATMega8L. Тактирование МК осуществляется при помощи внутреннего генератора на частоте около 8 МГц. Эта частота задается программированием конфигурационных ячеек в соответствии с рисунком.

При входном напряжении менее 10 В, выводы 27 и 28 микроконтроллера находятся в состоянии высокого импеданса. В этом случае коэффициент деления входного делителя напряжения АЦП равен 4 (верхнее плечо — R2, R4, нижнее — R1) и напряжение измеряется с точностью до сотых долей Вольта. В качестве опорного напряжения АЦП, используется внутренний источник напряжением 2,56 В. Если входное напряжение достигнет значений 10 В и более, вывод 27 МК подключит параллельно резистору R1, резистор R6, увеличивая коэффициент деления входного делителя напряжения до 40. В этом случае верхний предел измерения 99,9 В. Если на этом пределе напряжение уменьшится до значений менее 10 В, выводы 27 и 28 МК переключатся в состояние высокого импеданса и коэффициент деления входного делителя уменьшится до 4. Если входное напряжение достигнет значений 100 В и более, вывод 28 МК подключит параллельно резистору R1, резистор R5, увеличивая коэффициент деления входного делителя напряжения до 400.

В этом случае верхний предел измерения 999 В. Напряжение, подаваемое на вход АЦП МК, дополнительно фильтруется при помощи ФНЧ R3C5.

Разделение целых и десятых долей Вольта, осуществляется светодиодами HL16, HL32 используемыми в качестве децимальных точек матричного индикатора. Индикатор устройства, представляет собой матрицу из 47 светодиодов подходящей яркости диаметром 5 мм.

Питание устройства осуществляется либо от аккумулятора сотового телефона, либо от стабилизированного сетевого блока питания, напряжением 5 В (кроме аккумулятора GB1, выключателя SA1, индикатора HG1 и резистора R2). На одной стороне расположены светодиоды, на другой — все остальные детали.

1.2.3 Вольтметр на микроконтроллере HD44780

В качестве индикатора используется LCD на контроллере HD44780. Микроконтроллер, применяемый в этом проекте, имеет 12 входов / выходов, из которых 8 могут быть настроены как аналоговые входы для встроенного АЦП (аналого-цифрового преобразования). В качестве опорного напряжения для АЦП выбрано напряжение питания Vdd (+5V).

В этой статье рассмотрим измерение напряжения в пределах 0−20 В. Так как микроконтроллер не может принимать 20 В непосредственно на вход АЦП, для понижения напряжения используется простая схема делителя напряжения на резисторах.

Рисунок 1.11. Принципиальная схема вольтметра на микроконтроллере HD44780

Для питания схемы используется линейный регулятор напряжения +5 В (7805 или 78L05).

2. Разработка структурной схемы

Структурная и функциональная схемы разработанного устройства представлены на рисунках 2.1 и 2.2 соответственно.

Рисунок 2.1. Структурная схема многоканального дистанционного вольтметра Дистанционный вольтметр является устройством, позволяющим удалённо измерять значения переменных синусоидальных напряжений от нескольких различных источников (шесть каналов в данной реализации) и представлять полученную информацию на шести трёхразрядных семисегментных индикаторах.

Разработка устройства обусловлена необходимостью постоянного контроля энергоснабжения оборудования, расположенного на некотором удалении от места нахождения человека. В настоящее время устройство применяется для контроля трёх фаз входного напряжения подаваемого на промышленный нормализатор и трёх фаз снимаемого напряжения. Расстояние от места измерения до места индикации составляет 800 м.

Конструктивно вольтметр выполнен в виде двух модулей — модуля измерения и передачи, располагающегося непосредственно в месте измерения, а так же модуля приёма и индикации, устанавливаемого на рабочем месте. Связь между двумя модулями организуется с помощью пары проводов (в настоящее время используется телефонная пара). Канал связи гальванически развязан от узлов устройства, находящихся под опасным напряжением, передача информации производится токовым сигналом, имеющим значение до 30 мА.

Рисунок 2.2. Функциональная схема многоканального дистанционного вольтметра Аналого-цифровое преобразование производится с помощью АЦП, интегрированного в МК ATmega8. Для измерения действующего значения переменного напряжения реализован алгоритм детектирования пика синусоидального сигнала и его последующее умножение на амплитудный коэффициент синусоиды.

Питание модуля измерения и передачи производится через без трансформаторный блок питания от первого канала измеряемого напряжения. При падении напряжения на этом канале ниже уровня 90 В модуль отключается. Светодиод HL1 служит для индикации процесса передачи информации приёмному модулю.

Питание модуля приёма и индикации осуществляется от внешнего источника постоянного напряжения 7−25 В. В нормальном режиме на всех индикаторах отображаются значения измеряемого напряжения, соответствующие определённому каналу. При отсутствии посылок от передатчика в течении более 2-х периодов обновления (примерно 1,4 сек.) на всех индикаторах отображается слово «Err», что сигнализирует о нарушении канала связи, либо неисправности передатчика. Индикация возвращается в нормальный режим после получения очередной посылки. Снижение напряжения по какому-либо из каналов, кроме первого, ниже 100 В приводит к индикации прочерка «-» на соответствующем индикаторе, остальные каналы отображаются в нормальном режиме.

В данном исполнении вольтметра производится измерение исключительно сетевого переменного напряжения, однако внеся минимальные изменения в программную часть МК передающего модуля, а так же изменив номиналы резисторов делителей напряжения R5-R10 и R11-R16, возможно измерять и постоянное напряжение по всем или нескольким отдельным каналам.

— ИВ — измерительный вход.

— АЦП — аналого-цифровой преобразователь.

— УЭ — управляющий элемент.

— КС — канал связи.

— БП — блок питания.

— МК — микроконтроллер.

— БИ — блок индикации.

— МИП — модуль измерения и передачи.

— МПО — модуль приема и отображения.

3. Разработка электрической принципиальной схемы

3.1 Модуль микропроцессора

Центральной частью устройства является микроконтроллер фирмы AtmelATmega8, располагается он на схеме модуля измерения и передачи. Микроконтроллер управляет поступательным движением шагового двигателя, на встроенный в него 10-и разрядный АЦП синхронно поступает усиленный сигнал с антенны, микроконтроллер обрабатывает эти данные и передает на ЭВМ через встроенный асинхронный приемопередатчик USART. ATmega8 программируется не вынимая из схемы, через SPI-контакт имеющийся на плате устройства.

Описание ATmega8:

8-разрядные микроконтроллеры с 8 Кбайтами внутри системно программируемой Flash памяти Отличительные особенности:

— 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

— Прогрессивная RISC архитектура

— 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл

— 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения Полностью статическая работа

— Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность

— Встроенный 2-цикловый перемножитель

— Энергонезависимая память программ и данных

— 8 Кбайт внутри системно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)

— Обеспечивает 1000 циклов стирания / записи

— Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки

— Обеспечен режим одновременного чтения / записи (Read-While-Write)

— 512 байт EEPROM

— Обеспечивает 100 000 циклов стирания / записи

— 1 Кбайт встроенной SRAM

— Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

— Встроенная периферия

— Два 8-разрядных таймера / счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения

— Один 16-разрядный таймер / счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения

— Счетчик реального времени с отдельным генератором

— Три канала PWM

— 8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP и MLF)

— 6 каналов с 10-разрядной точностью

— 2 канала с 8-разрядной точностью

— 6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP)

— 4 канала с 10-разрядной точностью

— 2 канала с 8-разрядной точностью

— Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс

— Программируемый последовательный USART

— Последовательный интерфейс SPI (ведущий / ведомый)

— Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором

— Встроенный аналоговый компаратор

— Специальные микроконтроллерные функции

— Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания

— Встроенный калиброванный RC-генератор

— Внутренние и внешние источники прерываний

— Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC

— Выводы I/O и корпуса

— 23 программируемые линии ввода / вывода

— 28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF

— Рабочие напряжения

— 4,5 — 5,5 В (ATmega8)

— Рабочая частота

— 0 — 16 МГц (ATmega8)

Рисунок 3.1. Расположение выводов ATmega8

Описание выводов микроконтроллера ATmega8:

Питание выводов:

Таблица 3.1 — Питание порта А

Таблица 3.2 — Питание порта В

Таблица 3.3 — Питание порта С

Таблица 3.4 — Питание порта D

Микроконтроллер ATmega16 располагается на схеме модуля приема и индикации отвечает за прием информации с модуля измерения и передачи.

Отличительные особенности:

— 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением;

— Прогрессивная RISC архитектура:

— 30 высокопроизводительных команд.

— 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения;

— Полностью статическая работа;

— Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц);

Рисунок 3.2 — Структурная схема ATmega8

— Встроенный 2-цикловый перемножитель;

— Энергонезависимая память программ и данных:

— 16 Кбайт внутри системно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash).

— Обеспечивает 1000 циклов стирания / записи;

— Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;

— Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки;

— Обеспечен режим одновременного чтения / записи (Read-While-Write);

— 512 байт EEPROM;

— Обеспечивает 100 000 циклов стирания / записи.

— 1 Кбайт встроенной SRAM.

— Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя.

— Интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1):

— Расширенная поддержка встроенной отладки.

— Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки.

— Встроенная периферия:

— Два 8-разрядных таймера / счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения.

— Один 16-разрядный таймер / счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения.

— Счетчик реального времени с отдельным генератором.

— Четыре канала PWM.

— 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь.

— 8 несимметричных каналов.

— 7 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP).

— 2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP).

— Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс.

— Программируемый последовательный USART.

— Последовательный интерфейс SPI (ведущий / ведомый).

— Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором.

— Встроенный аналоговый компаратор.

— Специальные микроконтроллерные функции:

— Встроенный калиброванный RC-генератор.

— Внутренние и внешние источники прерываний.

— Шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Stand by и снижения шумовADC.

— Выводы I/O и корпуса

— 32 программируемые линии ввода / вывода

— 40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP

— Рабочие напряжения 4,5 — 5,5 В

— Рабочая частота 0 — 16 МГц Рисунок 3.3 — Выводы микроконтроллера

ATmega16 — низкий-силовой бит CMOS 8-microcontroller основанный на AVR расширившее архитектуру RISC. Выполняя мощные инструкции в единственном цикле часов, ATmega16 достигает производительности, достигающей 1 MIPS за МГЦ, допускающий системного разработчика, чтобы оптимизировать силовое потребление против обработки скорости.

Сердцевина AVR объединяет богатую инструкцию установленную 32 универсальными работами регистров.

Все 32 регистра непосредственно подключены к Арифметическому Логическому Устройству (ALU), допуская два независимых регистра, чтобы быть доступно в одной единственной инструкции выполненной в одном цикле часов.

Результирующая архитектура более кодовая эффективная достигая производительности вплоть до десяти раз быстрее чем стандартных microcontrollers CISC.

ATmega16 обеспечивает следующее характеристик: байты 16K, программируют память с возможностями Read-While-Write, 512 байтов EEPROM, байт 1K SRAM, 32 универсальных строки В/В, 32 универсальных работы регистров, интерфейс JTAG для Границы-сканирования, В-чипе, отлаживающем поддержку и программирование, три гибких Timer/Counters с режимами сравнения, внутренних и внешних прерываний, последовательным программируемым USART, байт ориентировал на двухпроводной последовательный интерфейс, программируемым таймером с внутренним генератором, последовательный порт SPI, и шесть программных избирательных мощностей, сохраняющих режимы.

Режим Ожидания останавливает CPU допуская USART, Двухпроводной интерфейс, A/D Преобразователя, SRAM, Timer/Counters, порт SPI, и система прерывания, чтобы продолжать функционировать.

Силовой-пониженный режим сохраняет содержание регистра, но замораживает генератора, блокируя все другие миниатюрные функции пока следующее внешнее прерывание или аппаратные средства не восстановлены.

Рисунок 3.4 — Блок — схема ATmega16

В силовом-сохраняемом режиме, асинхронный таймер остается работать, допускающий пользователь, чтобы поддерживать таймерную базу тогда как остальная часть устройства спит.

Режим Уменьшения Шума ADC останавливает CPU и все модули В/В кроме Асинхронного Таймера и ADC, чтобы минимизировать переключение шума в течение преобразований ADC.

В режиме Резерва, кристалл / резонатор генератора выполняет пока остальная часть устройства спит. Это допускает очень быстрый пуск объединенный низкое силовое потребление.

В расширенном режиме резерва, как основной генератор так и асинхронный таймер остаются работать.

Устройство произведено используя высокую технологию энергонезависимой памяти плотности Atmels.

ATmega16 — мощный microcontroller, что обеспечивает очень гибкое и экономически выгодное решение, чтобы много вложенные управляющие приложения.

ATmega16 AVR поддерживается полным блоком программных и системных инструментальных средств разработки включая: компиляторы C, макро сборщики, программный отладчик / имитаторы, в эмуляторах цепи, и оценочных комплектах.

ATmega16 позволяет использовать 32 ножки из 40 в корпусе DIP. Эти 32 ножки составляют 4 порта МК Порт в МК — это 8 ножек или линий ввода-вывода (выводов МК или IO или I-O или I/O) имеющие индивидуальные номера от 0 до 7 и общую букву A, B, C, D,… отличающую этот порт от других.

Пример для PORTB: Порт_B имеет (как и другие порты МК) минимум 3 сопоставленных ему регистра:

DDRB — значение битов в этом регистре определяет чем будет ножка этого порта с номером этого бита — начальное (при включении МК) значение

«0» — ножка вход если сделать бит = «1» (говорят: установить бит англ. setbit) эта ножка станет выходом. если сделать бит = «0» — говорят: сбросить или очистить бит англ. clearbit.

PINB — биты этого регистра показывают чем («1» или «0») считает МК напряжение на ножке порта с номером этого бита. PORTB — бит этого регистра нужно сделать «1» или «0» что бы на ножке порта с номером этого бита появился «1» или «0».

При этом такой же бит регистра DDRB должен быть «1» — т. е. ножка должна быть выходом. Если она сконфигурирована как вход (т.е. её бит в регистре DDRB очищен или равен нулю) — то если очищен и соответствующий бит в регистре PORTB ножка будет высокоимпедансным входом (Z-состояние, вход с очень высоким входным сопротивлением более 10 МОм), а если бит в регистре PORTB установлен, т. е. равен «1» то включается «подтяжка» (pull-up) высокоимпедансного входа к плюсу питания МК через встроенный резистор примерно 40 КОм — ножку как бы соединяют таким резистором с питанием МК.

«Подтяжку» можно использовать для создания четкой логической «1» на ножке-входе МК без внешних компонентов. К такому входу вы можете подключить кнопку замыкающую его на «общий» провод устройства — GND — при нажатии. При отпущенной кнопке на входе будет «1» и соответствующий бит в регистре PINx тоже будет «1». При нажатии кнопки ее контакты замкнут вход на GND и на нем станет «0» — соответственно и в PINx появится «0» и ваша программа сможет прочитав PINx определить что кнопка нажата.

Подтяжку на всех портах одновременно можно отключить! Для этого нужно установить бит PUD в регистре SFIOR.

В микроконтроллера ATmega1632 ножки IO могут быть программно и индивидуально сконфигурированы (и переконфигурированы по мере необходимости) как:

1) входы с высоким (более 10 МОм) входным сопротивлением (для напряжений от 0 до напряжения питания МК) или Z-вход.

2) входы по п 1) но с подключенным внутренним подтягивающим резистором на + питания МК (номинал резистора примерно 40 кОм).

3) как выходы способные обеспечить ток до 20 мА (но общий ток на порт только до 80 мА, а ток всех портов до 200 мА в DIP корпусе и до 400 мА в квадратном).

3.2 Использование АЦП

Для обработки сигналов поступающих с датчика температуры воспользуемся аналого-цифровыми преобразователем.

Модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП) микроконтроллера имеет до восьми входных каналов.

Входной аналоговый сигнал через коммутатор каналов заряжает внутренний конденсатор АЦП Chold. Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе Chold в соответствующий 10-разрядный цифровой код методом последовательного приближения. Источник верхнего и нижнего опорного напряжения может быть программно выбран с выводов Vdd, Vss, AN3/V_REf+ или AN2/V_REf;

Допускается работа модуля АЦП в SLEEP режиме микроконтроллера, при этом в качестве источника тактовых импульсов для АЦП должен быть выбран RC генератор.

Для управления АЦП в микроконтроллере используется 4 регистра:

— Регистр результата ADRESH (старший байт);

— Регистр результата ADRESL (младший байт);

— Регистр управления ADCON0;

— Регистр управления ADCON1.

Регистр ADCON0 используется для настройки работы модуля АЦП, а с помощью регистра ADCON1 устанавливается, какие входы микроконтроллера будут использоваться модулем АЦП и в каком режиме (аналоговый вход или цифровой порт ввода / вывода).

Структурная схема модуля АЦП показана на рисунке 3.5.

В регистрах ADRESH: ADRESL сохраняется 10 — разрядный результат аналого-цифрового преобразования. Когда преобразование завершено, результат пре-образования записывается в регистры ADRESH: ADRESL, после чего сбрасывается бит GO/-DONE (ADCON0<2>) и устанавливается флаг прерывания ADIF.

Рисунок 3.5 — Структурная схема модуля АЦП После включения и настройки АЦП необходимо выбрать рабочий аналоговый канал. Соответствующие биты TRIS аналоговых каналов должны настраивать канал порта ввода / вывода на вход. Перед началом преобразования необходимо выдержать временную паузу, расчет которой приведен ниже.

Рекомендованная последовательность действий для работы с АЦП:

1. Настроить модуль АЦП:

— настроить выводы как аналоговые входы, входы V_REf или цифровые каналы ввода / вывода (ADCON1);

— выбрать входной канал АЦП (ADCON0);

— выбрать источник тактовых импульсов для АЦП (ADCON0);

— включить модуль АЦП (ADCON0).

2. Настроить прерывание от модуля АЦП (если необходимо):

— сбросить бит ADIF в '0';

— установить бит ADIE в '1';

— установить бит PEIE в Т;

— установить бит GIE в '1'.

Выдержать паузу, необходимую для зарядки конденсатора Chold.

Начать аналого-цифровое преобразование:

— Установить GO/-DONE бит в '1' (ADCON0).

5. Ожидать, окончания преобразования:

— Ждать, пока бит GO/-DONE не будет сброшен в '0'; ИЛИ

— Ожидать прерывание по окончанию преобразования.

Считать результат преобразования из регистров ADRESH: ADRESL, сбросить бит ADIF в '0', если это необходимо.

Для следующего преобразования необходимо выполнить шаги начиная с пункта 1 или 2. Время преобразования одного бита определяется как время Tad. Минимальное время ожидания перед следующим преобразованием должно составлять не менее 2T_AD.

На рисунке 3.6 показана последовательность преобразования аналогового сигнала. Время заряда Choldинтервал времени в течение которого на внутренний конденсатор АЦП подается внешний сигнал. Время преобразования равно 12 T_AD, отсчет начинается с момента установки в '1' бита GO. Сумма этих двух временных интервалов является длительностью полного цикла преобразования АЦП. Существует минимальный интервал времени, в течение которого внешний сигнал подается на внутренний конденсатор Chold, чтобы гарантировать требуемую точность АЦП.

Для обеспечения необходимой точности преобразования, конденсатор Choldдолжен успевать полностью заряжаться до уровня входного напряжения. Схема аналогового входа АЦП показана на рисунке 3.7. Сопротивления Rs и Rss непосредственно влияют на время зарядки конденсатора Chold. Величина сопротивления ключа выборки (Rss) зависит от напряжения питания Vdd (Рисунок 3.6). Максимальное рекомендуемое значение внутреннего сопротивления источника аналогового сигнала 10 кОм. При меньших значениях сопротивления источника сигнала меньше суммарное время преобразования.

Рисунок 3.6 — Последовательность преобразования аналогового сигнала После того, как будет выбран один из нескольких аналоговых входных каналов, но прежде, чем будет производиться преобразование, должно пройти определенное время. Уравнение для нахождения этого времени дает результат с ошибкой в ½LSb (2048 шагов АЦП). Ошибка в ½LSb, это максимальная погрешность, позволяющая функционировать модулю АЦП с необходимой точностью.

Рисунок 3.7 — Схема аналогового входа АЦП Обозначения:

Cpin — входная емкость;

Vt — пороговое напряжение;

Lleakage — ток утечки вывода;

Ric — сопротивление соединения;

SS — переключатель защелки;

Chold — конденсатор защелки.

Выполнение преобразования АЦП. Выводы настроены как аналоговые входы. Источник опорного напряжения — AVdd, AVss. Разрешены прерывания от модуля АЦП. Источником импульсов преобразования является RC генератор АЦП. Аналоговое цифровое преобразование выполняется с вывода AN0.

Рисунок 3.8 — блок-схема работы АЦП Абсолютная точность АЦП определяется суммарной ошибкой, исходя из ошибки дискретизации, интегральной ошибки, ошибки шкалы, ошибки смещения и монотонности. Суммарная ошибка определяется как максимальный разброс между текущим и идеальным результатом для любого значения. Абсолютная ошибка АЦП меньше ± 1 значащего бита при Vdd=Vref, но она возрастает при отклонении Vref от Vdd.

В некотором диапазоне напряжений на аналоговом входе цифровой результат будет один и тот же. Это возникает из-за дискретизации, которая неизбежна при преобразовании аналоговой величины в цифровую форму. Ошибка дискретизации составляет ± ½ значащего бита, и единственный способ уменьшить ее — увеличить разрядность АЦП.

Рисунок 3.9 — Блок-схема работы АЦП

Ошибку смещения составляет разность между результатом первого преобразования и идеальным значением. Эта ошибка сдвигает всю передаточную функцию, и может быть учтена при помощи калибровки. Ошибка вносится в результате наложения токов утечки и выходного сопротивления источника сигнала.

Ошибка усиления измеряется как максимальное отклонение результата, скорректированного с учетом ошибки смещения. Эта ошибка проявляется в виде изменения наклона передаточной функции. Ошибка усиления может быть откалибрована и учтена.

Ошибка линейности определяется как разница в приращении входного напряжения для получения одинакового приращения выходного кода и не поддается калибровке. Интегральная ошибка вычисляется как отклонение результата, скорректированного с учетом ошибки усиления.

Дифференциальная ошибка вычисляется как отклонение максимальной длины кода результат от идеальной длины кода без учета других ошибок.

В системах с низкой тактовой частотой предпочтительно использование встроенного RC генератора. В системах с высокой рабочей частотой следует использовать тактовый сигнал от основного генератора. Предпочтительно использовать АЦП с Tadне больше 8 мкс, но не меньше рекомендованного нижнего предела. Использование тактового сигнала от основного генератора позволяет снизить влияние шумов от переключения внутренних вентилей, т.к. переключение логики АЦП происходит синхронно с другими устройствами, что невозможно при использовании встроенного RC генератора. Если каналы цифрового ввода вывода постоянно активны, потеря точности из-за шумов при переключении может быть значительной.

В случае использования АЦП в SLEEP режиме, источником тактового сигнала должен быть встроенный RCгенератор. В этом режиме отсутствуют цифровые шумы, т.к. другие узлы микроконтроллера остановлены, поэтому точность преобразования получается высокой.

3.3 Принцип работы устройства

Многоканальный дистанционный вольтметр является устройством, позволяющим удалённо измерять значения переменных синусоидальных напряжений от нескольких различных источников (шесть каналов в данной реализации) и представлять полученную информацию на шести трёхразрядных семисегментных индикаторах.

Разработка устройства обусловлена необходимостью постоянного контроля энергоснабжения оборудования, расположенного на некотором удалении от места нахождения человека.

Аналого-цифровое преобразование производится с помощью АЦП, интегрированного в МК Atmega8. Для измерения действующего значения переменного напряжения реализован алгоритм детектирования пика синусоидального сигнала и его последующее умножение на амплитудный коэффициент синусоиды. Измеряемое напряжение обязательно должно подаваться на первую ножку и на землю модуля измерения и передачи. Первый канал также используется для питания микроконтроллера Atmega8.