描述

介紹

堅持只有一個萬用表/電壓表？但是，有時您需要同時檢查 2 或 3 個電壓。那么您可能會考慮制作一個真正的直流電壓表！

采用常用組件和易于理解的代碼設計，可以同時測量單個電路或 3 個獨立電路中 3 個節(jié)點的正電壓和負電壓。

示范

硬件

以下硬件用于構建此設備：-

• Arduino Uno：在 ATmega328P 微控制器上上傳代碼
• ATmega328P：帶有 Arduino Bootloader 和內置 10 位 ADC 的 8 位微控制器
• 帶 I2C 接口的 128x32 1306 OLED 顯示屏：顯示電壓
• LM324 OpAmp：ADC 的模擬信號調理
• 4cm x 6 cm FR4 原型板：構建電路板
• 10k 多圈電位器：調整零（半 AREF）電壓
• TP4056模塊：鋰聚合物電池充電
• LiPo電池：300mAh可充電電池為設備供電

工作原理：AFE 解釋

通常，ATmega328P (Arduino Uno) 可以測量 Gnd 和 AVCC 范圍之間的電壓（即 0 到 5V），無需任何分壓電阻網絡。如果啟用內部 AREF，它可以測量 Gnd 和 AREF 范圍之間的電壓（即 0 到 1.1 V）。使用一些分壓器，可以測量高于 5V 的電壓。這些都是相對于 Gnd 的正電壓。

但它無法測量低于 Gnd 的任何電壓，這意味著它無法測量負電壓。問題是，ATmega328P 有一個單端 ADC，默認情況下會根據(jù)Gnd 進行測量。

解決辦法是，不要再對 Gnd 進行測量。

真正的電壓表有 COM（黑色）和 V（紅色）端子，您將 COM 連接到一個節(jié)點，V 連接到電路上的另一個節(jié)點。相對于 COM 節(jié)點，V 節(jié)點上的電壓讀數(shù)。

您需要構建一個 (AFE)模擬前端，某種信號調節(jié)電路來生成類似 COM 的行為。此 COM 節(jié)點的電壓應介于 AVCC 和 Gnd 之間。理想情況下，AVCC 電壓的一半，但對于本設計，它是 AREF 的一半。

當對 COM 進行外部電壓測量時，您可以輕松測量正電壓和負電壓！

請仔細檢查以下電路：

那么，這里發(fā)生了什么？內部參考 AREF 在 ATmega328P 上啟用（來自無效設置中的固件/代碼）。AREF 引腳為 1.1 V。現(xiàn)在，ADC 測量的有效范圍為 0 至 1.1 伏。

接下來，使用 LM324 運算放大器緩沖這個 1.1 AREF 電壓，這意味著我們仍然有來自第一個運算放大器輸出的 1.1 電壓。一個 10k 多圈微調電位器精確設置為 5k 以產生 550mV（半 AREF）伏特。這個 550 mV 信號由第二個運算放大器緩沖。550 mV 信號也連接到 ADC Ch - 0。它應該讀取 512（10 位的一半）。

有一個分壓器網絡由 5 兆歐姆（兩個 10M 并聯(lián)）和 100 千歐姆電阻組成，連接到第二個運算放大器的輸出。

我將此分壓器網絡上的電阻較低端 (100k) 定義為 COM，電阻較高端 (5M) 端定義為 V。此分壓器的中點連接到 ADC Ch - 1。當沒有外部電壓施加到此分壓器時，ADC Ch - 1 應讀取 512（因為 550 mV）

當施加外部電壓時，分壓器中點電壓將移動到 550 mV 以上或以下。如果 V 上的外部電壓相對于 COM 較高（正電壓），它將移動到 550 mV 以上，如果 V 上的外部電壓相對于 COM 較低（負電壓），它將移動到 550 mV 以下。ADC Ch-1 讀數(shù)將相應改變。使用 ADC 讀數(shù)的這種變化，我們可以計算外部電壓。

為什么使用 AREF 而不是 AVCC ？

此設計由 LiPo 電池供電，充滿電的 LiPo 將從 4.2 伏開始，電壓會逐漸下降。所以，AVCC也會發(fā)生變化。但內部參考 AREF 具有恒定的 1.1 伏特。這就是我選擇 AREF 的原因。

如果使用其他沒有AREF的單片機，??可以使用TL431 IC來產生參考電壓！

為什么使用 LM324 運算放大器？

LM324 IC 在一個封裝中有 4 個運算放大器，應用廣泛，它的輸出可以（非常接近）Gnd。它還適用于 3 至 32 伏之間的任何電源電壓。

您始終可以使用更好的運算放大器（精密、低噪聲、軌到軌）

電壓計算公式

使用 ADC 測量的電壓將是實際施加電壓的一小部分。這就是為什么在固件內部使用以下公式來計算實際電壓的原因：-

分壓電阻器：范圍與分辨率

• 選擇正確的輸入電阻 R_Low 和 R_High 很重要，因為電阻值將根據(jù)以下公式確定有效電壓測量范圍：

+/- V = (R_High / R_Low) / 2

• R_High和 R_Low 必須具有可以處理測量電壓的額定功率，應滿足以下公式：

V < sqrt ((R_High + R_Low) * P)

• 電壓測量設備的輸入阻抗必須在數(shù)百千歐到幾兆歐的數(shù)量級，以最大限度地減少負載效應：

R_High + R_Low > hundreds of kOhms to few MOhms

對于這個項目，這個電壓表可以測量 +/- 25 伏特，R_High = 5M（或 5000k）和 R_Low = 100K ，額定功率為 1/10 瓦，滿足以上 3 個條件

• 接下來是測量分辨率，它受實際 ADC 分辨率和您要設置的有效測量范圍的限制。ADC 分辨率是可以識別的最小增量電壓。

Measurement Resolution = Measurement Range / ADC Resolution

• 例如：如果使用 10 位 ADC 將測量范圍設置為 +/- 5 V，您應該在該范圍內獲得大約 10 mV 的分辨率。但對于這個測量范圍為 +/- 25 V（總計 50V）的設計，分辨率約為 49 mV。
• 分辨率還取決于顯示器中顯示的位數(shù)。此設計僅顯示小數(shù)點后一位數(shù)字，因此 49 mV 分辨率可高達 100 mV 或 0.1 伏特。

示例：假設新的 AA 電池用 Fluke 電壓表讀數(shù)為 1.627 伏，但該電壓表可能讀數(shù)僅為 1.5 或 1.6 或 1.7 伏

• For better range or resolution select microcontroller with 12 bit ADC or more
• Reduce measurement range to increase resolution
• Reduce resolution to increase range or measure bigger voltages

準確性：硬件和軟件設計如何提供幫助

準確性取決于很多因素。在這個項目中實現(xiàn)了以下一些技巧。

• 首先，輸入電阻（分壓器 R_Low 和 R_High 上的電阻）必須具有更好的容差，大約為 1% 或更小。這將確保電阻器的電阻非常接近其額定值。
• AVCC 和 Gnd 引腳上帶有去耦電容器的穩(wěn)定電源（最好是電池，無 SMPS）將降低噪聲。建議使用 10uF 電容
• 穩(wěn)定的AREF 或模擬參考電壓對于精度非常重要，放置一個 100nF 的電容就可以做到這一點。
• 使用低噪聲電子設備將有助于提高準確性（更好的 Opamp）
• 建議在模擬前端采用良好的布線做法和屏蔽

在固件中實施以下操作將提高準確性：-

• 在切換模擬通道之前/之后添加輕微的延遲
• 丟棄第一個模擬轉換值
• 取幾百個樣本并取平均值以提高準確性
• 使用偏移變量進行讀數(shù)的軟校正/調整

盡管可以使用以下代碼將 Arduino UNO 或 Atmega328P 的 AREF 引腳設置為 1.1 伏

analogReference(INTERNAL);

不同芯片的實際 AREF 電壓可能在 1.06 伏到 1.13 伏之間變化。建議使用高精度萬用表測量 AREF 引腳，并找到實際電壓。然后在代碼中定義它以獲得更高的準確性

#define AREF 1.097            // Aref pin voltage

不要只是復制粘貼 1.1 伏！

輸入保護：安全問題！

這是用于過壓或浪涌保護的雙向二極管鉗位，您可以與 R_Low 并聯(lián)使用。由于空間不足，我將這部分留在了我的構建中！

安全永遠不能掉以輕心！當 R_Low 兩端的電壓超過 +/- 800 mV 時，這些二極管將開始鉗位。這只是一個例子，根據(jù)需要使用不同類型的二極管以獲得合適的鉗位電壓。

編程和焊接

• 第 1 步：從此處在您的計算機上下載并安裝 Arduino 。

• 第 2 步：打開 IDE。轉到工具 > 庫管理器并鍵入“u8g”

為 1306 OLED 顯示器安裝u8glib（由 Oliver 設計）庫。

• 第 3 步：將 Arduino Uno 連接到 USB，復制并粘貼下面附帶的代碼。然后編譯并上傳代碼。
• 第 4 步：從 Uno 板上取下 Atmega328P 芯片

• 第 5 步：根據(jù)此原理圖構建電路。將所有組件焊接到原型板上。

執(zhí)行電壓校準和測量

校準

為獲得最佳效果，您需要使用常規(guī)萬用表/電壓表校準該電壓表。您將需要任何電池 AA 或 LiPo。用普通萬用??表測量電池電壓。然后用這個電壓表測量電池。看到讀數(shù)有一些差異，現(xiàn)在稍微調整/調整 10K 電位器（參見示意圖）以進行校準。

通過反轉電池的負電壓來執(zhí)行相同的步驟。

您還可以通過使用電阻器定義的值添加/減去一些偏移值來從代碼進行軟校準。

測量

共有 3 個 Commons COM1、COM2、COM3 和 3 個對應的 V1、V2、V3 探頭，用于 3 個不同通道的電壓測量。

對于通道 1，電壓是在 V1 上相對于 COM1 測量的。如果用 V1 探測的電路節(jié)點的電位高于用 COM1 探測的節(jié)點，則電壓讀數(shù)將為正。如果 V1 和 COM1 在這兩個電路節(jié)點上交換，則電壓讀數(shù)將為負。

同樣適用于帶 V2 和 COM2 的通道 2 以及帶 V3 和 COM3 的通道 3。

在不共享任何電氣連接的 3 個不同電路上測量三個不同電壓時，對 3 個電路使用 V1/COM1、V2/COM2、V3/COM3 對。

在單個電路上測量三個不同的電壓時，請勿使用多個 COM 。只需將一個 COM （例如 COM3，任何 COM 都可以！）連接到 Gnd 或該電路的任何節(jié)點。然后使用 V1、V2、V3 測量 3 個不同節(jié)點上相對于 Gnd 或連接 COM 的節(jié)點的 3 個不同電壓。

在同一電路上連接多個 COM 會搞砸讀數(shù)！

結論和未來的工作

我忘了添加一些重要的東西，當電壓范圍超過測量范圍時顯示 OL（過載）。希望我會用額外的功能更新代碼。

內部 EEPROM 上的一些電壓記錄可能很方便，我也會嘗試這樣做。我想為 REL（歸零幻影電壓）和 HOLD（凍結屏幕）添加幾個按鈕。我已經在頂部焊接了一個母接頭以供將來擴展，敬請期待。

該設計可用于測量緩慢變化的交流電壓/信號（假設為正弦波），而無需更改硬件。它還可用于設計分流電流表（提示：用非常低的 R 值替換分壓器）。但是您需要為此編寫不同的代碼。

這個概念適用于任何微控制器，請隨意構建您自己的設計，祝您好運。