Amperomierz cyfrowy zEPIC16C84
P R O J K T Y
Amperomierz cyfrowy
z PIC16C84
kit AVT-885
Cyfrowe multimetry, umoł-
Na zakoÒczenie krÛtkiego
liwiajÄ…ce pomiar napiÍcia, prÄ…du leÅ‚ne od
cyklu artykuÅ‚Ûw,
i rezystancji, sÄ… znane elektroni- przetworni-
prezentujących mołliwości
kom od dawna. Pomiar polega na ka mołna mi-
uniwersalnego modułu
przekształceniu analogowej war- nimalizowaĘ po-
z kontrolerem PIC16C84,
toÅ›ci napiÍcia staÅ‚ego do postaci przez dobÛr odpo-
przedstawiamy opis
cyfrowej za pomocÄ… przetwornika wiedniego przetwornika A/C, co
amperomierza cyfrowego
A/C. Przykładem takiego prze- przy dzisiejszym stanie techniki
zaprojektowanego twornika mołe byĘ nieśmiertelny nie jest trudne.
ICL7106. Pomiar pozostałych wiel- W praktycznych rozwiązaniach
z zastosowaniem
koÅ›ci odbywa siÍ najczÍÅ›ciej me- potrzebne sÄ… czÍsto amperomierze
tego modułu.
todÄ… technicznÄ…: prÄ…du poprzez do pomiaru prÄ…du w obwodach
pomiar napiÍcia na znanej rezys- zasilania. W takich przypadkach
tancji wtrÄ…conej w obwÛd, nato- nie jest potrzebna kÅ‚opotliwa do
miast rezystancji poprzez pomiar uzyskania duła dokładnośĘ po-
napiÍcia na niej przy znanym miaru. WiÍksze znaczenie ma mi-
prÄ…dzie wymuszonym przez ürÛd- nimalizacja rezystancji wtrÄ…conej
Å‚o prÄ…dowe. KaÅ‚dy pomiar obar- w obwÛd.
czony jest pewnym bÅ‚Ídem. Na Do tego celu bardzo dobrze
wartośĘ tego bÅ‚Ídu ma wpÅ‚yw nadaje siÍ scalony miernik prÄ…du
wiele czynnikÛw: bÅ‚Ä…d metody LM3812 firmy National Semicon-
pomiaru, bÅ‚Ídy przetwornika A/C ductor. UkÅ‚ad ten zawiera w swo-
(np. nieliniowośĘ, zalełnośĘ od jej strukturze wszystkie elementy
temperatury otoczenia, szumy) potrzebne do pomiaru prÄ…du: re-
oraz charakterystyczny dla pomia- zystor pomiarowy o wartości
rÛw cyfrowych bÅ‚Ä…d kwantyzacji. 0,004&! oraz przetwornik A/C (rys.
W celu pomiaru prądu wtrącenie 1). Przepływający przez rezystor
rezystancji pomiarowej prÄ…d jest prÛbkowany przez prze-
w mierzony obwÛd po- twornik delta-sigma. Impulsy z je-
woduje zmianÍ rozpÅ‚y- go wyjÅ›cia sÄ… filtrowane przez
wu prÄ…dÛw i mierzony filtr cyfrowy i porÛwnywane za
prÄ…d rÛÅ‚ni siÍ od prÄ…- pomocÄ… komparatora z impulsami
du rzeczywistego. Jest z generatora przebiegu piłokształ-
to bÅ‚Ä…d metody pomia- tnego. W wyniku tego porÛwnania
ru. Aby go zminimali- na wyjÅ›ciu PWM pojawia siÍ
zowaĘ, rezystancja przebieg prostokątny o zmiennym
wtrÄ…cona musi byĘ jak wspÛÅ‚czynniku wypeÅ‚nienia, li-
najmniejsza. BÅ‚Ídy za- niowo zaleÅ‚nym od przepÅ‚ywajÄ…-
Rys. 1. Schemat blokowy układu LM3812.
Elektronika Praktyczna 9/2000
31
Amperomierz cyfrowy z PIC16C84
rys. 3. Za pomocą rezystora R1 TMR0 musi byĘ wpisana taka
wymuszany jest poziom wysoki wartośĘ, by przerwanie było zgła-
na wejÅ›ciu ISD. Poziom niski na szane co ok. 48,8µs, czyli z czÍs-
tym wejściu powoduje przełącze- totliwością 20492Hz. Program ob-
nie U1 w stan obniÅ‚onego poboru sÅ‚ugi przerwania oprÛcz zliczania
prądu - oczywiście układ wtedy czasu obsługuje wyświetlacz i pro-
nie mierzy. MoÅ‚na to wykorzystaĘ cedury odliczania opÛünieÒ. Øeby
w układach zasilania bateryjnego, zdąłyĘ z tym wszystkim, trzeba
gdy minimalizacja poboru energii było zastosowaĘ PIC16C84-10P
Rys. 2. Schemat montażowy mołe mieĘ zasadnicze znaczenie. w szybszej wersji z rezonatorem
przystawki pomiarowej.
Impulsy z wyjścia PWM podawa- 10MHz. Przy programowaniu tego
ne sÄ… na liniÍ RA4 ustawionÄ… jako ukÅ‚adu naleÅ‚y pamiÍtaĘ o usta-
cego prÄ…du. UkÅ‚ad zostaÅ‚ tak wejÅ›cie. Zworka J9 w module mik- wianiu bezpiecznikÛw rezonatora
skonstruowany, Å‚e moÅ‚e mierzyĘ rokontrolera Å‚Ä…czy liniÍ RA4 z od- na wartośĘ HX.
prÄ…d w obu kierunkach, tzn. wy- powiednim pinem ZL1. LiniÄ… RB4 Po zmierzeniu czasÛw wylicza-
pÅ‚ywajÄ…cy ze ürÛdÅ‚a i wpÅ‚ywajÄ…cy (zworka J5 Å‚Ä…czy jÄ… ze zÅ‚Ä…czem) ny jest wspÛÅ‚czynnik wypeÅ‚nienia
do ürÛdÅ‚a. Dla rozwartego obwodu jest sterowany ukÅ‚ad rozÅ‚Ä…czania D. NastÍpnie na jego podstawie
(prÄ…d=0) wspÛÅ‚czynnik wypeÅ‚nie- obwodu prÄ…dowego. Poziom wy- wyliczana jest wartośĘ prÄ…du I.
nia przebiegu (definiowany jako soki na tej linii powoduje wejÅ›cie 16-bitowa liczba, w ktÛrej jest za-
stosunek czasu trwania poziomu w nasycenie tranzystora T1 i za- pisana wartośĘ I zamieniana jest
wysokiego do okresu powtarzania) dziaÅ‚anie przekaünika Prz (rozÅ‚Ä…- na trzy bajty: liczbÍ setek, dzie-
wynosi 50%. Dla prÄ…dÛw dodatnich czenie obwodu prÄ…dowego). Dioda siÄ…tek i jednoÅ›ci miliamperÛw oraz
zwiÍkszasiÍ, a dla ujemnych zmniej- D1 tÅ‚umi przepiÍcia powstajÄ…ce wyÅ›wietlana. W trakcie prÛb oka-
sza. ZnajÄ…c wspÛÅ‚czynnik wypeÅ‚nie- w momencie zaniku napiÍcia na zaÅ‚o siÍ, Å‚e wartośĘ na ostatniej
nia D mierzony prÄ…d moÅ‚na wyli- cewce przekaünika. cyfrze pomiaru nie jest stabilna
czyĘ z zaleÅ‚noÅ›ci: I=2,2(D-0,5)(Imax). PozostaÅ‚e zworki w module i czÍsto siÍ zmienia. SytuacjÍ po-
Imax jest to wartośĘ zakresu pomia- mikrokontrolera są ustawione prawiło nieco jej uśrednienie,
rowego ukÅ‚adu. Dla LM3812M1.0 w nastÍpujÄ…cy sposÛb: J6..J8 Å‚Ä…- czyli wyÅ›wietlanie Å›redniej aryt-
Imax=1A (moÅ‚na mierzyĘ prÄ…d czÄ… B5..RB7 z SW2..SW4, J1..J4 metycznej z kolejnych dziesiÍciu
Ä…1A), a dla LM3812M7.0 Imax=10A Å‚Ä…czÄ… RA0..RA2 z pinami zÅ‚Ä…cza pomiarÛw. Dopiero zaokrÄ…glenie
(ale mołna mierzyĘ ciągły prąd ZL, J4 łączy RA3 z diodą D4 - średniej pomiaru do 5mA dało
maks. ą7A). Według danych kata- sygnalizacja kierunku prądu zadowalające wyniki.
logowych dokładnośĘ pomiaru (rys. 4). Tak oto powstał cyfrowy am-
w temperaturze pokojowej jest na Okres powtarzania przebiegu peromierz o zakresie ą1A, dokład-
poziomie Ä…2% i dla opisywanego na wyjÅ›ciu PWM dla napiÍcia noÅ›ci 2% i rozdzielczoÅ›ci 5mA.
tutaj miernika jest zupeÅ‚nie wystar- zasilajÄ…cego rÛwnego 5V wynosi Zastosowanie mikrokontrolera do
czająca. 50ms. Czas ten jest dzielony pomiaru prądu umołliwia doda-
Do budowy amperomierza zo- w przetworniku na 1024 czÍÅ›ci nie funkcji programowanego za-
stanÄ… wykorzystane, bez Å‚adnych i z takÄ… rozdzielczoÅ›ciÄ… moÅ‚e siÍ bezpieczenia nadprÄ…dowego. KaÅ‚-
zmian, opisywane juÅ‚ pÅ‚ytki mo- zmieniaĘ wspÛÅ‚czynnik wypeÅ‚nie- dy, kto siÍ zetknÄ…Å‚ z zagadnienia-
duÅ‚u PIC16C84 i wyÅ›wietlacza. nia D. Aby wykorzystaĘ peÅ‚nÄ… mi budowy takich zabezpieczeÒ
UkÅ‚ad LM3812M1.0 oraz obwÛd rozdzielczośĘ ukÅ‚adu, mikrokont- wie, Å‚e nie jest to Å‚atwe. OkreÅ›-
programowanego bezpiecznika zo- roler musi mierzyĘ czas przynaj- lenie kryterium wyłączenia obwo-
staÅ‚ umieszczony na dodatkowej, mniej z rozdzielczoÅ›ciÄ… 50ms/ du zaleÅ‚y od paru czynnikÛw.
specjalnie w tym celu zaprojekto- 1024=48,4µs. Pomiar czasu najle- MoÅ‚e to byĘ charakter obciÄ…Å‚enia
wanej pÅ‚ytce (rys. 2). PoÅ‚Ä…czenia piej jest realizowaĘ poprzez zli- (dotyczy to szczegÛlnie ukÅ‚adÛw
pomiÍdzy pÅ‚ytkami oraz schemat czanie przerwaÒ od TMR0. Do zasilania). Inny bÍdzie przebieg
czÍÅ›ci pomiarowej amperomierza
z układem rozłączania obwodu
prÄ…dowego sÄ… przedstawione na
Rys. 3. Schemat elektryczny przystawki pomiarowej.
Elektronika Praktyczna 9/2000
32
Amperomierz cyfrowy z PIC16C84
przyjÍto, Å‚e nastawiona wartośĘ
WYKAZ ELEMENTÓW
bÍdzie uwzglÍdniana symetrycz-
Rezystory
nie. Jełeli ustawimy np. 370mA,
R1, R2: 2,2k&!
to rozłączenie nastąpi, gdy prąd
Kondensatory
przekroczy wartośĘ +370mA lub
C1: 100nF
-370mA. NaciÅ›niÍcie klawisza
SW2 koÒczy tryb ustawiania ogra- Półprzewodniki
niczenia. Nastawione wartości se- U1: LM3812
tek i dziesiÄ…tek miliamperÛw wpi- T1: BC547
sywane sÄ… do odpowiednich ko-
D1: BAV21
mÛrek pamiÍci EEPROM i rozpo-
Różne
czyna siÍ tryb pomiarowy. Po
Prz: MEISEI M4-5H
dziesiÍciu pomiarach i wyliczeniu
ZL: złącze śrubowe
średniej, zmierzona wartośĘ prądu
PÅ‚ytka drukowana
jest porÛwnywana z wartoÅ›ciÄ… pro-
gu zabezpieczenia. JeÅ‚eli jest wiÍk-
sza, to na RB4 pojawia siÍ poziom jest to pokazane na rys. 5. Na-
wysoki, tranzystor T1 z pÅ‚ytki am- piÍcie miÍdzy nÛÅ‚kÄ… 1 a nÛÅ‚kami
Rys. 4. Konfiguracja zwor na
peromierza wchodzi w stan nasy- 7 i 8 U1 nie powinno byĘ wiÍksze
płytce mikrokontrolera.
cenia i zadziaÅ‚a przekaünik Prz roz- niÅ‚ 5,5V. Na nÛÅ‚kÍ 1 U1 poda-
przepÅ‚ywu prÄ…du w momencie za- Å‚Ä…czajÄ…cy obwÛd. Na wyÅ›wietlaczu wane jest napiÍcie wystÍpujÄ…ce w
Å‚Ä…czania obciÄ…Å‚enia rezystancyjne- pali siÍ na Å›rodkowej pozycji 0. tym punkcie obwodu, w ktÛrym
go, a inny przy obciąłeniu o cha- Pozostałe cyfry są zgaszone. Po mierzony jest prąd. Mołe ono
rakterze pojemnoÅ›ciowym czy in- usuniÍciu przyczyny zwiÍkszonego mieĘ rÛÅ‚ne wartoÅ›ci. Z tego po-
dukcyjnym. Dułe znaczenie ma poboru prądu naleły przycisnąĘ wodu dobrze jest rozdzieliĘ gal-
teÅ‚ czas upÅ‚ywajÄ…cy od momentu dowolny klawisz (SW2..SW4). Na wanicznie masÍ napiÍcia zasilajÄ…-
przekroczenia dopuszczalnej war- RB4 pojawi siÍ poziom niski. Styki cego ukÅ‚ad amperomierza od ma-
toÅ›ci prÄ…du do momentu rozÅ‚Ä…cze- przekaünika Prz przejdÄ… w stan sy ukÅ‚adu, w ktÛrego obwodzie
nia obwodu. Skuteczne zabezpie- spoczynkowy i zaÅ‚Ä…czÄ… obwÛd prÄ…- jest mierzony prÄ…d. Pozwoli to na
czenia dobierane do konkretnego dowy. Amperomierz przechodzi pomiar prÄ…du w obwodach o rÛÅ‚-
obwodu obciÄ…Å‚enia mogÄ… dziaÅ‚aĘ w tryb pomiaru prÄ…du. nym poziomie napiÍcia bez obawy
w oparciu o skomplikowane algo- Wykonanie urzÄ…dzenia jest sto- o uszkodzenie amperomierza. Mo-
rytmy i wymagają dośĘ mocnych sunkowo proste. Płytki modułu delowe urządzenie połączone było
obliczeniowo mikrokontrolerÛw. mikrokontrolera i wyÅ›wietlacza Å‚Ä…- w trakcie prÛb z zasilaczem labo-
W naszym przypadku ograniczy- czymy za pomocÄ… kabla 20-Å‚yÅ‚owe- ratoryjnym (rys. 5). NapiÍcie
my siÍ do najprostszego rozwiÄ…- go z zaciÅ›niÍtymi zÅ‚Ä…czami typu w punkcie pomiaru prÄ…du zmie-
zania. Zabezpieczenie zadziaÅ‚a IDC. Przy wykonywaniu kabla Å‚Ä…- niaÅ‚o siÍ w granicach 3..26V. Pro-
w momencie, kiedy zmierzona czącego naleły przygotowaĘ odci- ducent układu LM3812 podaje
Å›rednia z dziesiÍciu pomiarÛw (i nek przewodu wstÄ…Å‚kowego dÅ‚u- w danych katalogowych przykÅ‚ady
zaokrÄ…glona do 5mA) przekroczy goÅ›ci ok. 10cm. ZÅ‚Ä…cze wyÅ›wietla- ukÅ‚adÛw zasilania z obwodu mie-
nastawionÄ… wartośĘ. NaciÅ›niÍcie cza zacisnąĘ na krawÍdzi przewo- rzonego. MajÄ… one jednak pewne
dowolnego klawisza (SW2..SW4) du, a złącze modułu w odległości ograniczenia. W naszym przypad-
powoduje zatrzymanie cyklu po- ok. 4cm. W pozostałym odcinku ku musi byĘ zasilany moduł mik-
miarowego i wejście w tryb usta- naleły pozostawiĘ potrzebne prze- rokontrolera i najlepiej jest wyko-
wiania progu zabezpieczenia. wody (łyły 1, 2, 7, 12), a pozostałe rzystaĘ to zasilanie takłe do ukła-
Z odpowiednich komÛrek pamiÍci wyciąĘ (rys. 3). PÅ‚ytkÍ pomiarowÄ… du LM3812.
EEPROM pobierane są setki i dzie- łączymy z pozostawionymi przewo- Tomasz Jabłoński, AVT
siątki liczby określającej nastawio- dami za pomocą lutowania. Pod- [e-mail]
ną wartośĘ progu. Cyfry te są czas montału płytki pomiarowej
wyÅ›wietlane na odpowiednich po- naleÅ‚y zwrÛciĘ szczegÛlnÄ… uwagÍ Wzory pÅ‚ytek drukowanych w for-
zycjach wyÅ›wietlacza. Cyfra odpo- przy lutowaniu ukÅ‚adu LM3812 macie PDF sÄ… dostÍpne w Internecie
wiadająca jednostkom jest wyga- (obudowa do montału SMD). pod adresem: http://www.ep.com.pl/
szona - sygnalizowany jest w ten Podłączenie amperomierza do pcb.html oraz na płycie CD-EP09/
sposÛb tryb ustawiania. PrÛg za- zasilacza moÅ‚na wykonaĘ tak, jak 2000 w katalogu PCB.
działania zabezpieczenia mołna
oczywiście ustawiĘ z rozdzielczoś-
ciÄ… 10mA. Poprzez naciskanie
SW4 zwiÍkszamy wartośĘ aÅ‚ do
990mA. Dalsze przyciskanie SW4
nie daje Å‚adnego rezultatu. Przy-
ciskanie SW3 zmniejsza wartośĘ
progu zadziałania ał do 10mA.
Dalsze przyciskanie rÛwnieÅ‚ nic
Rys. 5. Sposób podłączenia cyfrowego amperomierza do wyjścia
nie zmienia. Dla uproszczenia
zasilacza laboratoryjnego.
Elektronika Praktyczna 9/2000
33