В этой статье представлена принципиальная схема и описание самодельного цифрового амперметра на базе микроконтроллера ATtiny13, включающиеся программа и печатная плата.
Один раз в руки автора попала довольно любопытная вещь — устройство, созданное еще в СССР в 1976 году, которое было передано по причине ненужности. Название этой конструкции — АДЗ-101У2, и оно ярко отражает стиль советского конструктивизма: массивный ‘чемодан’ весом около двадцати килограммов с ручкой для переноса и мощным однофазным трансформатором внутри.
Интересно, что задняя панель у этого ‘чемодана’ полностью отсутствовала — и причина заключалась вовсе не в повреждении. В действительности обе его панели являлись передними. С одной стороны устройство выглядело как сварочный аппарат, а с другой — как зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов.
Если рассматривать его как сварочный аппарат, он не вызывал особых эмоций — ведь ток варки составлял всего 50 А переменного тока. Однако роль зарядного устройства — необходимость, без которой трудно было бы обойтись. Испытания показали, что в целом оно хорошо справляется, включая сварку, но при этом имелись свои недоработки.
Главная проблема заключалась в том, что штатный амперметр ‘зарядки’ исчез, и предыдущий владелец решил заменить его на автомобильный амперметр с очень информативной шкалой — скрещенный с военным грузовиком, вмещающий около 130 А, что явно не подходит для наблюдения за зарядным током в диапазоне 3-6 А.
Понятно, что следить за зарядом аккумулятора через такой прибор — задача практически бесполезная, desempenho которого ограничится просто отсутствием заметных значений. Поэтому было решено заменить ‘грузовиковый’ измеритель на более подходящую модель с делением примерно 0-10 А, чтобы получить более конкретные и читаемые показатели.
Оптимальный выбор — стрелочный амперметр со встроенным шунтом, использовавшийся во многих советских зарядных устройствах и не только. Но, к счастью, при первом же взгляде на рынок электромагазинов обнаружился факт — похожего прибора там уже долго не продают.
Так как в то время автор еще не знаком с азами китайских интернет-магазинов, он решил изготовить устройство самостоятельно. В результате появилась схема, изображенная на рис. 1, а характеристики — в таблице 1:
Таблица 1. Технические параметры данного устройства.
| Параметр | Значение |
| Измеряемый ток | 0-9,9 А |
| Цена деления | 100 мА |
| Погрешность | 50 мА |
| Начало индикации | 200 мА |
| Напряжение питания | 10-16 В |
Принципиальная схема
Для отображения измеряемых значений в данной конструкции решено было использовать пару 7-сегментных светодиодных индикаторов. Несмотря на устаревание по сравнению с современными LCD-модулями типа 16хх, такие индикаторы имеют ряд неоспоримых преимуществ: они более надежны и устойчивы к воздействию нефтепродуктов, грязи и масляных пятен, что актуально для гаражных условий. Яркость и читаемость цифр с LED-индикаторов выше, особенно издалека, и особенно комфортно в холодную погоду — в отличие от жидкокристаллических дисплеев, которые при морозе зачастую ‘слепнут’.
Дополнительным аргументом в пользу светодиодов стало ограниченное пространство штатного отверстия для амперметра — его диаметр очень мал, а вот 1602-й LCD попросту не поместился бы. После выбора типа индикатора возник следующий вопрос — каким микроконтроллером реализовать управление? В этом случае, без сомнения, было ясно — проектировать систему на микроконтроллере необходимо, потому что использование ‘голых’ транзисторов значительно усложнило бы задачу.
Наиболее очевидным и простым решением казался микроконтроллер ATtiny2313, обладающий достаточным количеством линий ввода-вывода и хорошо подходящий для подключения светодиодной матрицы. Но вскоре выяснилось: этот МК лишен встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), что делает его неподходящим для измерений тока.
Другое семейство микроконтроллеров — семейство ATmega — включает чипы типа ATMega8, которые уже имеют встроенный АЦП, а значит, могут легко измерять аналоговые сигналы. Однако, и это не совсем подходящее решение — они заметно сложнее и мощнее, чем требуется для простого амперметра, что противоречит принципу минимализма в проектировании.
Под ‘классическим подходом’ понимается создание системы при минимуме ресурсов, без ненужных затрат и сложностей — подход, который автор придерживается и в этой разработке. Он считает, что для такого простого прибора лучше использовать максимально простый микроконтроллер, и в данном случае — именно ATtiny13.
Конечно, не все микроконтроллеры одинаково подходят — например, у ATtiny13 есть АЦП, но для подключения двух семисегментных индикаторов его линий явно не хватает. В этом случае можно использовать один или два дешевых счетчика, например, серии К176ИЕ4, и управлять ими посредством простого алгоритма, что значительно упрощает схему и уменьшает затраты.
Использование счетчика К176ИЕ4 существенно облегчает задачу: во-первых, отпадает необходимость в собственных ограничительных резисторах для каждого сегмента — генерация тока обеспечивается выходами счетчика; во-вторых, индикатор может быть подключен как с общим катодом, так и с общим анодом — для этого достаточно изменить подключение транзисторов VТ1 и VТ2, а вывод R3 связать с +9 В через резистор 1 кОм.
Рис. 1 отображает принципиальную схему самодельного амперметра (до 10А) на базе микроконтроллера ATtiny13.
Для управления счетчиком необходимо задействовать только два сигнала: один — для счета (С), другой — для сброса (R).
При испытаниях выяснилось, что микросхема К176ИЕ4 хорошо работает при прямом соединении с линиями МК, без дополнительных схем согласования — пребывая в TTL-совместимости. Эти линии также управляют ключами VТ1 и VТ2, обеспечивая динамическую индикацию. Ниже приведена часть исходных данных, реализующая управление счетчиком — процедура написана на низкоуровневом языке AVR-Assembler, но ее можно с легкостью адаптировать под любой язык программирования.
Рис. 2 показывает процедуру работы с микросхемой К176ИЕ4. В регистр Temp заносится число, которое необходимо вывести на индикатор, а линии порта В подключены к разным управляющим входам — сбросу R и счетному входу С.
Чтобы избежать мерцания и артефактов при обновлении чисел, перед вызовом процедуры индикаторные разряды сначала выключаются, отключая транзисторы VT1 и VT2, после чего уже включаются нужные разряды для отображения. Благодаря использованию счетчика К176ИЕ4, к любой микросхеме микроконтроллера можно подключить матрицу из 7×4 — для демонстрации цифр, задействовав всего шесть линий: две — для управления счетчиком, и четыре — для быстрой смены разрядов.
Добавление к системе еще одного древнего счетчика — декадного К176ИЕ8 — поможет через его сканирование реализовать отображение до 10 разрядов. Таким образом, управляя двумя счетчиками, можно описать алгоритм динамической индикации для матрицы до 10 знаков, используя всего пять линий, что значительно экономит пространство и ресурсы.
Недостатки такого подхода — необходимость дополнительного источника питания +9 В для счетчиков, поскольку питание их от +5 В зачастую не дает стабильной работы. В качестве индикатора подойдет любой ‘семисегментный’ двухразрядный индикатор с общими катодами, либо матрица из нескольких таких устройств, включая даже четырехразрядные варианты, в которых задействовано только две из четырех цифр.
В исходном варианте автор собрал индикаторное табло на макетной плате-решетке, используя два устаревших однозначных АЛС321. В процессе работы возникла небольшая сложность — обеспечить корректное отображение десятичной запятой. Она должна светиться только в старшем разряде и не светить в младших. Для этого, при правильной реализации, целесообразно выделить дополнительную ножку микроконтроллера — для динамического управления запятой, ведь встроенные микросхемы К176ИЕ4 не имеют соответствующих средств.
Поскольку все линии ввода-вывода МК в данной схеме уже были задействованы, решить проблему пришлось не самым изящным образом: было принято решение оставить обе запятые постоянно активными, подав сигнал для индикаторной ‘матрицы’ от линии +9 В через ограничительный резистор R3. Подбирая сопротивление этого резистора, можно добиться одинаковой яркости свечения запятой относительно остальных сегментов дисплея; а лишнюю запятую, расположенную в младшем разряде (крайнюю справа), просто закрасить каплей черной нитрокраски.
Это решение, с точки зрения техники, не является идеальным; однако глаз такой ‘маскировки’ не воспринимает, и запятая под этим ‘маскировочным гримом’ почти не бросается в глаза.
В качестве датчиков тока используются два резистора R1 и R2 по 5 Вт каждый, подключенные параллельно друг с другом. В качестве альтернативы можно установить один резистор сопротивлением 0,05 Ом, при этом его рабочая мощность должна быть не менее 7 Вт.
Более того, в программном обеспечении микроконтроллера заложена возможность выбора сопротивления измерительного шунта. В предлагаемой схеме может использоваться как 0,05-омный, так и 0,1-омный датчик тока.
Для настройки микроконтроллера на правильное сопротивление шунта необходимо внести соответствующее значение в ячейку памяти EEPROM по адресу 0x00. При использовании шунта сопротивлением 0,1 Ом в ячейке указывается число меньше 128 (так МК будет делить результат измерений на 2). Если же задействован шунт сопротивлением 0,05 Ом, в EEPROM прописывают число, превышающее 128.
Если планируется использовать устройство с 0,05-омным шунтом, то о записи в эту ячейку можно вовсе не беспокоиться: у нового или ‘стертого в ноль’ микроконтроллера значение по умолчанию в памяти — 255 (0xFF), и оно соответствует использованию именно этого сопротивления.
Питание прибора может осуществляться как от отдельного источника напряжением не менее 12 В, так и от силового трансформатора зарядного устройства. В случае с трансформатором рекомендуется использовать отдельную обмотку, не связанную с зарядной цепью, однако допускается и питание амперметра от одной из зарядных обмоток.
При этом напряжение питания следует брать непосредственно с обмотки до выпрямительного моста зарядного устройства. В цепь питания амперметра нужно включить по резистору на 75 Ом/1 Вт с каждым из двух проводов (плюс и минус). Эти резисторы нужны для защиты диодов моста VD1-4 от обратных токов, возникающих при подключении прибора к зарядной цепи.
Если подключить прибор без установки этих резисторов, при учете общей ‘земли’ у диодного моста и зарядного выпрямителя около половины тока может возвращаться обратно в обмотку через ‘отрицательное’ плечо моста, вызывая сильный нагрев маломощных диодов типа 1N4007. Установка указанных резисторов ограничит ток и защитит мост от перегрева, обеспечивая безопасную работу прибора — весь зарядный ток теперь течет через основные диоды выпрямителя.
Принципиальная схема
Созданная печатная плата для данного схемотехнического решения была разработана специально под габаритные размеры корпуса зарядного устройства. Ее чертеж доступен на рисунке 3.
Индикаторная матрица устанавливается отдельно — на небольшую плату (макетный фрагмент размерами 30×40 мм), которая крепится к основной плате болтами М2,5 через дюралевые или пластиковые дистанционные втулки с той стороны, где происходит монтаж. Она подключается к основной плате посредством 10-пинового шлейфа.
Дополнительно в конструкции предусмотрена декоративная панель из прозрачного оргстекла, окрашенная с обратной стороны нитрокраской. На ней необходимо оставить небольшое незакрашенное окошко, служащее для отображения индикатора.
Передняя декоративная панель крепится к основной плате болтами М3 с дюралевыми или пластиковыми втулками, а также закрепляется в корпусе ЗУ аналогичными крепежами. Поскольку токовые цепи, идущие к резисторам R1 и R2, весьма мощные, их следует выполнять максимально широкими дорожками, а к выводам резисторов припаять длинные выводы на всю длину, усиленно прогревая паяльником для повышения надежности соединения.
Для удобства подключения прибора к зарядному устройству рекомендуется использовать два болта М3. Их головки присоединяются к плате с помощью пайки, а гайки закрепляют с противоположной стороны — это обеспечит надежное фиксирование.
На рисунке 3 показана печатная плата для схемы цифрового амперметра на базе микроконтроллера.
Дополнительно следует обратить внимание на необходимость правильной заземляющей схемы, чтобы снизить помехи и обеспечить стабильную работу измерительного модуля. Рекомендуется разместить вблизи питания фильтрующие конденсаторы и экранировать чувствительные цепи.
Для защиты от перенапряжения и коротких замыканий в цепях питания рекомендуется установить предохранители или автоматические выключатели, а также обеспечить корректный монтаж схемы в корпусе для предотвращения механических повреждений и пыли.
Программа
Перед программированием микроконтроллера необходимо установить его работу на частоте 1,2 МГц, используя внутренний тактовый генератор. Для этого выбирается тактовая частота равная 9,6 МГц, а внутренний делитель такта устанавливается равным 8.
Для повышения стабильности работы рекомендуется активировать внутренний модуль контроля питания (BOD), настроив его так, чтобы он автоматически сбрасывал микроконтроллер при понижении питающего напряжения ниже 2,7 В.
Все параметры конфигурации задаются через записываемые фьюзы: SUT1=1, SUT0=0, CKDIV8=0, BODLEVEL1=0, BODLEVEL0=1, WDTON=1. Остальные настройки по умолчанию оставляются без изменений.
Образцы прошивки для микроконтроллера и схемы печатной платы доступны для скачивания. Размер платы выполнен по формату Sprint Layout.
На рисунке 3 изображена собранная плата амперметра на базе Attiny13, а на рисунке 4 — вид с обратной стороны этой же платы.
Дополнительные рекомендации
Перед загрузкой программы рекомендуется проверить правильность установки фьюзов с помощью специального программатора и убедиться, что все компоненты на плате не имеют повреждений и правильно припаяны.
При настройке тактового генератора следует избегать помех и обеспечить стабильное питание, чтобы избежать сбоев в работе микроконтроллера.
Для более точного измерения тока рекомендуется подключать амперметр с учетом характеристик сенсорных элементов, чтобы снизить погрешности измерения.
Также стоит использовать экранирование и фильтрацию линий питания для повышения надежности работы устройства в условиях повышенного электромагнитного шума.
Особенности конструкции и монтаж
Основной компонент схемы – токовый преобразователь, основанный на шунте с низким сопротивлением, обеспечивающем минимальные потери энергии при измерении больших токов. Его размещение должно предусматривать минимальную паразитную индуктивность и сопротивление, чтобы исключить искажения показаний.
Печатная плата выполнена с учетом минимизации электромагнитных помех: трассы для силового тока уходят максимально далеко от входных цепей сигнала, а монтажные отверстия и заземление размещены по периметру устройства. Рекомендуется использовать медное основание и обеспечить надежное заземление для исключения влияния внешних наводок.
Резисторные делители, подключенные к входу, должны иметь стабильные по температуре параметры. Предпочтительно использовать металлические стабильные резисторы с точностью не менее 1%, размещенные на отдельной секции платы для исключения теплового влияния.
Микроконтроллер закрепляется на плате с помощью пайки на черезо-луночных контактах. Необходимо обеспечить хороший контакт, избегая холодных пай, и соблюдать полярность при подключении питания и выходных цепей.
Обязательное условие – использование радиаторов или теплоотводящих элементов для силовых элементов, если схема предусматривает встроенный источники питания или силовые компоненты, чтобы снизить риск перегрева.
Подводка питания производится через фильтры и стабилизатор напряжения, размещенные рядом с разъемами питания. Для снятия шумов рекомендуется использовать фильтрующие конденсаторы на входе и вблизи чувствительных узлов.
Перед монтажом рекомендуется провести макетное тестирование всех соединений, а при окончательной сборке – убедиться в отсутствии коротких замыканий и правильной полярности элементов. Только после этого выполняется окончательная пайка и закрепление сборки внутри корпуса или на монтажной панели для защиты от механических повреждений и электромагнитных помех.
Тестирование и настройка амперметра
Первым шагом при проверке прибора служит подключение его к источнику тока с известной нагрузкой в диапазоне 0-10 А. Для этого используют стабилизированный нагрузочный блок или резистор с высоким номиналом, обеспечивающий безопасное прохождение максимального тока.
После подачи питания необходимо проверить показания дисплея. Идеально – наличие нулевого значения при отключенной нагрузке. Если отображается смещенное значение, потребуется регулировка нулевого сдвига через потенциометр, установленный на плате.
Проверка диапазона осуществляется путем последовательного увеличения нагрузки до предела 10 А. В момент достигновения максимального тока, показания должны соответствовать диапазону 0-10 А с высокой точностью. Если отклонения превышают допустимые границы, допускается корректировка коэффициента преобразования через переменные резисторы или программные параметры, заложенные в алгоритм обработки данных.
Калибровка также включает сравнение с эталонными измерительными приборами, которые обеспечивают точное значение тока. Допущены дополнительные замеры при полных нагрузках, чтобы зафиксировать возможные искажения или погрешности.
После завершения проверочных тестов рекомендуется провести контрольные циклы включения и отключения, следя за стабильностью показаний и отслеживая наличие случайных сбоев или дрейфа нулевого уровня.
Для повышения точности и надежности измерений целесообразно выполнить программную настройку фильтров и алгоритмов обработки входных данных, а также внести необходимые коррекции в код обработки сигналов.
