Вольтметр постоянного тока с автоматическим выбором пределов измерения

Предлагаемый вольтметр измеряет только постоянное напряжение, но он экономичен, имеет автоматический выбор пределов измерения и небольшие габаритные размеры.

При разработке данного устройства была поставлена задача — сделать максимально простой по схеме цифровой вольтметр постоянного тока с автоматическим выбором пределов, обеспечивающий измерение напряжения до 999 В и потребляющий небольшой ток.

Измеряемое напряжение поступает на вход встроенного в микроконтроллер АЦП (вывод 3) через резистивные делители напряжения и фильтр НЧ C1R5, подавляющий высокочастотные помехи. В качестве образцового напряжения для АЦП использован встроенный в микроконтроллер источник напряжения 2,56 В. При входном напряжении менее 10 В линии порта PB1 и PB2 (выводы 6 и 7) микроконтроллера DD1 находятся в состоянии высокого сопротивления. В этом случае коэффициент деления входного делителя напряжения АЦП равен 4 (верхнее плечо делителя — R3 и R6, нижнее — R2) и входное напряжение измеряется с точностью до сотых долей вольта.

Схема устройства

Если входное напряжение превысит 10 В, с помощью линии порта PB1 микроконтроллер DD1 подключит параллельно резистору R2 резистор R9, увеличивая коэффициент деления входного напряжения до 40. В этом случае верхний предел измерения составит 99,9 В. Когда на этом пределе напряжение станет менее 10 В, линии порта PB1 и PB2 (выводы 6 и 7) микроконтроллера DD1 переключатся в состояние высокого сопротивления и коэффициент деления входного делителя вновь уменьшится до 4. Если же входное напряжение достигнет 100 В и более, с помощью линии порта PB2 микроконтроллер DD1 дополнительно подключит параллельно резистору R2 резистор R8. При этом коэффициент деления входного напряжения возрастет до 400, а верхний предел измерения составит 999 В. Когда входное напряжение превысит значение 999 В (перегрузка), в первом и втором (крайние правые) разрядах отображаются символы "- -".

В устройстве также предусмотрено измерение напряжения аккумулятора G1 с точностью до сотых долей вольта. Для этого напряжение, пропорциональное напряжению аккумулятора, с резистивного делителя R1R4 поступает на вход PB4, который программно сконфигурирован как еще один вход встроенного АЦП. Вся информация отображается на десяти разрядном ЖК индикаторе HG1. В левой его части — напряжение аккумулятора, а в правой — измеряемого напряжения.

Разделение целых и десятых долей вольта осуществляется пустым знакоместом. В связи с ограниченным числом портов ввода—вывода микроконтроллера данные передаются по одной линии PB5 (вывод 5) с времяимпульсным кодированием (время передачи 1 примерно в десять раз больше 0, а пауза между ними равна длительности 1). При малой длительности сигнала конденсатор C3 не успевает зарядиться, а во время паузы полностью разряжается, поэтому при малой длительности импульса во время его спада на линии данных DAT (вывод 4 индикатора HG1) присутствует низкий уровень и контроллер ЖК индикатора воспринимает это как 0. При большой длительности импульса к моменту спада импульса конденсатор C3 успевает зарядиться до высокого уровня и контроллер ЖК индикатора фиксирует это как 1.

Для питания устройства подойдет аккумулятор от сотового телефона. При напряжении 4,2 В потребляемый ток не превышает 5 мА. Светодиод HL1 используется не в качестве светового индикатора, а как стабилизатор напряжения питания ЖКИ. Вольтметр сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания 3 В.

Для налаживания устройства потребуется образцовый вольтметр. Сначала его подключают к аккумулятору и подборкой резистора R4 уравнивают показания в левой части индикатора с показаниями образцового вольтметра. Затем подключают вход "+" устройства к плюсовому выводу конденсатора C2 и подборкой резистора R9 уравнивают показания в правой части ЖК индикатора с показаниями образцового вольтметра. Далее подключают этот вольтметр на вход устройства, подают на него напряжение около 30 В от стабилизированного источника питания и подборкой резистора снова уравнивают показания в правой части ЖК индикатора с показаниями образцового вольтметра. Увеличивают входное напряжение до 150 В, и подборкой резистора R8 снова уравнивают показания.

Поскольку максимальный ток делителя не превышает 1 мА (при входном напряжении 1000В он составляет около 0,6 мА), с защитой микроконтроллера от перегрузок и аномальных напряжений на входе встроенного АЦП вполне справляются внутренние защитные диоды.