РАЗРАБОТКА ВОЛЬТМЕТРА НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРА ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

у

Мубаракшин Ахтиам Радикович Студент 1 курса магистратуры кафедры электроники и микроэлектроники ФГБОУ ВО «Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск

Гребенщиков Павел Александрович Студент 1 курса магистратуры кафедры электроники и микроэлектроники ФГБОУ ВО «Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск

Прохоров Илья Борисович

Студент 1 курса магистратуры кафедры электроники и микроэлектроники ФГБОУ ВО «Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск

Ахметдинов Дмитрий Александрович Студент 1 курса магистратуры кафедры электроники и микроэлектроники ФГБОУ ВО «Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск

Моисеев Владимир Сергеевич Студент 1 курса магистратуры автоматизированных систем управления ФГБОУ ВО «Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск

Mubarakshin Akhtiam Radikovich 1 year master student of the Department of electronics and microelectronics FSBEI HE «Nosov Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk Grebenshchikov Pavel Aleksandrovich 1 year master student of the Department of electronics and microelectronics FSBEI HE «Nosov Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk

Prokhorov Ilya Borisovich

1 year master student of the Department of electronics and microelectronics FSBEI HE «Nosov Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk

Ahmetdinov Dmitry Aleksandrovich 1 year master student of the Department of electronics and microelectronics FSBEI HE «Nosov Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk

Moiseyev Vladimir Sergeevich 1 year master student of the Department of the automated control systems FSBEI HE «Nosov Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk

РАЗРАБОТКА ВОЛЬТМЕТРА НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРА ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ

СИСТЕМ

DEVELOPMENT OF VOLTMETER BASED ON MICROPROCESSORS FOR EMBEDDED

SYSTEMS

Аннотация

В статье описана разработка вольтметра постоянного тока на базе микропроцессорной системы, предназначенного для встраиваемых систем, представлена принципиальная электрическая схема и алгоритм управляющей программы. Abstract

The article describes the development of a voltmeter DC-based microprocessor system designed for embedded systems, a circuit diagram and a control program algorithm.

Ключевые слова: вольтметр; встраиваемые системы; постоянный ток. Keywords: voltmeter; embedded systems; DC.

В настоящее время практически вся техника, даже самая примитивная, не обходится без электроники. Электронные устройства автоматизируют множество процессов, а также позволяют выводить необходимую пользователю информацию в удобном виде.

Вольтметр предназначен для измерения напряжения в электрической цепи. Его применение во встраиваемых системах (специализированная микропроцессорная система управления, контроля и мониторинга, работающая, будучи встроенной

непосредственно в устройство, которым она управляет) необходимо для контроля уровня напряжения на ответственных узлах, а также для вывода значения на индикатор, если таковое необходимо.

В статье будет рассматриваться наиболее распространенная модель вольтметра постоянного тока на базе микропроцессора с диапазоном измерений от 0 до 15 В и точностью 1 %.

Структурная схема такого вольтметра представлена на рисунке 1.

у

Рисунок 1. Структурная схема вольтметра на базе микропроцессора

Для решения поставленной задачи необходимы: микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который будет преобразовывать аналогичный сигнал в цифровой и подавать его в микропроцессор, также понадобятся индикаторы для отображения сигнала в цифровой форме.

Ввиду того, что подаваемое напряжение на аналого-цифровое устройство ограниченно (для большинства АЦП имеют диапазон входных напряжений от 0 до 10 В), то напрямую подать 15 В не получится, поэтому потребуется делитель напряжения (ДН), которое будет являться устройством согласования для сопряжения с АЦП. Электрический сигнал напряжения на АЦП будет сравниваться с эталонным напряжением и АЦП выдаст аналоговый сигнал в цифровой форме, которая будет про-

порциональна измеряемому напряжению. Микроконтроллер (МК) является устройством, в которое АЦП будет передавать свои данные, где они обрабатываются и преобразовываются и далее поступают на семисегментные индикаторы (СИ), которые будут отображать эти данные.

Был выбран микроконтроллер ATmega16-16pu с тактовой частотой 16 МГц [1]. Данный МК выбран из-за своего соотношения цена-качество, доступности, надежности и возможности для расширения функционала устройства. Этот микроконтроллер имеет в своем составе АЦП, что упрощает задачу.

Была разработана принципиальная электрическая схема устройства, представленная на рисунке 2.

CC56-12GWA

G и О О

—ШП--ГМ2Т--ТШэ!— -ШЯ—

-ШЦ-|= -СЕИН^

r6ZH=

ЁЖМ^

+5V

PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7

RESET

Vcc

GND

XTAL2

XTAL1

PD0

PD1

PD2

PD3

PD4

PD5

PD6

A

T

П5 g

6

p u

(PA0)ADC0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 AREF GND AVcc PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 PD7

R1

T

Uin

R2

VD1

—о +5V

a

7

5

4

3

2

8

6

12

9

Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема вольтметра на МК ATmega16-16pu

Для защиты входа микроконтроллера от превышения напряжения по входу установлен стабилитрон УБ1 на 5,1 В.

Для измерения напряжения выделен вход АЦП - РАО. На вход можно подать максимум 5 В, поэтому установлен делитель напряжения, состоящий из резисторов Я1=2 кОм и Я2=1 кОм.

4-х разрядный семисегментный индикатор CC56-12GWA с общим катодом подключается к МК через резисторы Я3-Я14 номиналом 140 Ом, которые нужны для ограничения тока.

ит - входное напряжение, прикладываемое к резистивному делителю, в рассматриваемом случае, максимальное измеряемое напряжение - 15 В.

В качестве источника опорного напряжения для АЦП можно использовать внутренний источник и внешний. Напряжение внутреннего источника (2,8 В) не рекомендуется использовать, по причине низкой стабильности, поэтому было решено использовать внешний источник опорного напряжения, который подключается к ножке AVCC.

Для реализации измерения напряжения и вывода его на индикатор был составлен алгоритм управляющей программы, блок-схема которого представлена на рисунке 3.

= -У

Первые два разряда семисегментного индикатора показывают десятки и единицы вольт, а следующие два - десятые и сотые доли. Это позволяет добиться отображения сигнала с 1% погрешности (0,15 В).

Разработанное устройство является простым цифровым вольтметром постоянного тока на базе микропроцессорной системы. Оно может найти свое применение во многих системах, начиная от контроля напряжения бортовой сети автомобиля и

заканчивая отдельными узлами комплексных автоматизированных производств.

Список литературы:

1. 8-bit Atmel with 16Kbytes in-system programmable flash [Текст] : datasheet / Atmel. - Rev. 2466T.

- San Jose: Atmel Corporation, 2010. - 357 с.

2. Панов, А.Н. Электронные промышленные устройства [Текст] : лабораторный практикум / Лукъянов С.И., Сидельникова Е.И., Васильев А.Е.

- Магнитогорск: МГТУ, 2004 г. - 104 с.