Лабораторный блок питания с цифровым вольтметром и амперметром служит мне уже полгода. Собран он в корпусе от компьютерного блока питания. К оформлению лицевой панели пока руки не доходят. Напряжение регулируется от 1,32 до 24,00 вольт, ток - до 3 ампер. Индикаторами служат 4-х цифровые светодиодные индикаторы с общим катодом. Вольтметр с разрешающей способностью 0,04. В (с гашением незначащих нулей в двух левых индикаторах), запятая после 2-го знака. Амперметр с разрешающей способностью 4 мА (с гашением незначащих нулей в двух левых индикаторах), запятая после 1-го знака.
Программа в микроконтроллере создана для измерения напряжения от 00,00 до 40,92 В и тока от 0,000 до 4,092 А. Можно изготовить блок цифровой индикации и встроить в уже имеющийся блок питания, либо применить другой силовой трансформатор и другой регулятор напряжения (в указанных пределах). У меня регулятор напряжения собран на специальной микросхеме почти по стандартной схеме из «даташита». Микросхема работает в импульсном режиме на частоте 52 кГц, имеет высокий КПД.
Регулятор собран на отдельной плате, микросхема крепится через теплопроводную пасту на пластинчатый радиатор. Для регулировки лучше применять многооборотный потенциометр.
Вольтметр и амперметр собраны на отдельной плате и питаются от отдельного трансформатора 9-15 В и стабилизированного источника питания напряжением 5,12 вольт. Настройку этого напряжения нужно сделать до установки микроконтроллера подстроечным резистором R2. Так же тщательно нужно подобрать резистор R5. Его сопротивление должно быть в 7 раз больше R6. Если R6 = 5,11 К, то R5 = 5,11 х 7 = 35,77 К. После установки запрограммированного микроконтроллера и устранения выявленных механических ошибок проверить (отрегулировать) напряжение на первой ноге 5,12В. От этого зависит точность показаний вольтметра.
«Токовый» резистор R1 взят от негодного мультиметра М-830. Амперметр не обладает такой же линейностью, как вольтметр. Это связано с применением ОУ.
Подбором резистора R8 регулируется коэффициент усиления ОУ. Калибровку провести с помощью наиболее точного амперметра.
Резисторы R9 – R16 от 270 до 330 Ом.
На видео: регулировка напряжения без нагрузки, а потом с нагрузкой – автомобильной лампой 24v 21w.
Скачать прошивку, печатные платы в формате LAY вы можете ниже.
Обновление 16.04.2014 : Новая прошивка (AVmetr_2.rar). Улучшена разрешающая способность.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| МК PIC 8-бит | PIC16F873 | 1 | В блокнот | |||
| Линейный регулятор | LM317 | 1 | LM317T | В блокнот | ||
| DC/DC импульсный конвертер | LM2576 | 1 | LM2576-Adj | В блокнот | ||
| OP1 | Операционный усилитель | LM358 | 1 | В блокнот | ||
| Диод | КД202А | 4 | В блокнот | |||
| Диодный мост | DB157 | 1 | В блокнот | |||
| VD1 | Диод Шоттки | MBR350 | 1 | В блокнот | ||
| C1 | 100 мкФ, 50 B | 1 | Регулятор | В блокнот | ||
| C2, C3 | Электролитический конденсатор | 1000 мкФ, 35 B | 2 | Регулятор | В блокнот | |
| C1 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ, 25 B | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ, 16 B | 1 | В блокнот | ||
| C3, C4 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 2 | В блокнот | ||
| C5, C6 | Конденсатор | 20 мкФ | 2 | В блокнот | ||
| R1 | Переменный резистор | 51 кОм | 1 | Регулятор | В блокнот | |
| R2 | Резистор | 1.2 кОм | 1 | Регулятор | В блокнот | |
| R1 | Резистор | 0.01 кОм | 1 | Токовый резистор взят из мультиметра М-830 | В блокнот | |
| R2 | Подстроечный резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 680 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R4 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 36 кОм | 1 | Сопротивление должно быть в 7 раз больше R6 | В блокнот | |
| R6 | Резистор | 5.1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R7 | Резистор | 240 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R8 | Резистор | 75 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R9-R16 | Резистор | 300 Ом | 8 | 270-330 Ом |
Первая часть марлезонского балета.
Ну, собственно, поехали! Давным-давно, лет 7 назад, по случаю прикупил на фирму штук 5 корпусов АТХ по 12 баксов. Корпуса, на удивление, оказались очень хорошими - добротный металл и т.п. - на уровне Inwin и до сих пор служат верой и правдой. Блоки питания были на 250 ватт и работали отлично - тихо и надежно. Однако прогресс на месте не стоит, и со временем пришлось менять мамы, ну и, до кучи, данные БП. Дома их завалялось парочку, и на досуге я решил сделать мощный блок питания как для зарядки разных, в том числе и автомобильных, аккумуляторов, так и для экспериментов с Пельтье и т.п. На сайте итальянского коллеги http://www.chirio.com/switching_power_supply_atx.htm нашел схему переделки, которая меня устроила в плане минимальных доработок и грамотного использования микросхемы ШИМ. Переделка прошла с успехом, немножко доработав схему, я добился устраивающих меня характеристик БП, но, так как в данном случае это не является темой статьи, подробности опускаю.
Встал вопрос о том, чтобы блок питания заимел собственные "мозги", т.е. мог показывать свой товар лицом (выдаваемые напряжение и ток), ну и пытался себя каким-то образом защищать от непосильной ношы (перегрузки и перегрева). В сети есть много вариантов реализации подобных схем, но, для увеличения энтропии Вселенной, и, пренебрегая принципом «бритвы Оккама», мною было принято решение о разработке еще одного показометра.
Анализ реализованных конструкций и курение даташитов привели к тому, что свой выбор я остановил на ATTINY26 и двухстрочном дисплее 1602. Обоснование следующее: тинька имеет достаточно памяти (как мне казалось вначале), дифференциальный вход с программируемым усилением, ну а дисплей - большой и информативный и достаточной простой в управлении – не надо городить динамическую индикацию и т.п. На просторах Интернета мною был найден кусок по реализации ваттметра от немецких камрадов с усреднением из 64 выборок по напряжению и току, который и был взят за основу. Программка накидалась быстро, скомпилировалась где то на 70% и была зашита в тиньку. Однако, как говорится, "гладко было на бумаге, да забыли про овраги". На тестовом этапе выявились баги в виде "мусора" на дисплее от десятичных знаков значений. "Ага", - сказали русские мужики и применили оператор FUSING. Все стало красиво, мусор исчез, но размер кода подрос где-то до 90%. Так как экран был 16*2, а на дисплей выводилось 3 значения - ток, напряжение и потребляемая мощность, то выглядело это кривовато и чего-то не хватало, а именно - температуры. Как известно, последняя имеет немалую роль при эксплуатации электрооборудования и контролировать ее желательно.
Как гласит пословица: "Мужик сказал - мужик сделал!", - подумал я и полез в коробку за цифровым термодатчиком DS1820. "Щас", - ответил компилятор после добавления кода чтения датчика и вывода на дисплей температуры, благополучно показывая результаты компиляции 146%, взяв, по всей видимости, пример с недавних событий. Оптимизация кода в виде применения подпрограмм, снижения числа переменных, убирания FUSING и шаманства с выводом на дисплей (об этом позже), ни к чему не привели - размер хекса превышал 100%. "Нормальные герои всегда идут в обход", - подумал я и на следующий день поехал в магазин за аналоговым термодатчиком. С этим датчиком дела пошли веселей, ибо все свелось к очередному измерению напряжения и, в конце концов, компилятор сдался и показал пресловутые 90 с небольшим %. Так как оставалось немного места в памяти и свободные ноги у камня, я решил вставить парочку исполнительных ключей для того, чтобы электронный болван мог не только моргать глазками на дисплее, но и принимать простейшие решения по типу: «Я устал, я ухожу» . Вставляем куски управления ключами - проверка на условия и память практически закончилась.
Дальше все прозаично - разводка платы, ЛУТ, впайка деталей и на тестирование. Однако эпопея не была завершена - при работе с лабораторным БП на шунте 10 Ом и малых токах индикатор мне подмаргивал показаниями, но не настолько часто, чтобы это раздражало. Когда же я его нагрузил на переделанный блок питания - а пульсации при 10 А составили около 30 мВ - отображение меняющихся чисел начало раздражать. Задавшись извечными русскими вопросами - "кто виноват?" и "что делать?" - я пришел к трилемме: либо усреднять показания больше чем из 64 выборок, либо загрублять вывод данных на дисплей и/или менять период отображения данных. Последние два варианта меня не устраивали – хамов и тормозов в моем окружении достаточно, да это и не кошерно выглядит, и я решил увеличить количество выборок. Бодро изменив в циклах значения с 64 на 255 и сдвиг вправо с 6 на 8 разрядов – таким незатейливым образом реализована операция деления, я, довольный собой - красным молодцем, втыкаю камень обратно в плату.
Вначале - на малых напряжениях - все было хорошо, а потом начались какие-то глюки - показания съеживались и противоречили здравому смыслу. Минут через пять после напряженного мозгового штурма, что означает введение в себя С2Н5ОН-содержащих продуктов, меня осенило: "эврика!", - возопил я внутри себя, как тот мудрец из Сиракуз и, в отличие от него, сухой снаружи и слегка одетый, распугивая домашних, побежал по квартире к своим друзьям: Клаве и Моне. Ларчик открывался просто - сложение 10-разрядных чисел 64 раза давало в итоге 16-разрядное число, а вот если больше - то при больших значениях происходило переполнение, и данные скукоживались и блекли. Лобовая психическая атака с гаишными жезлами в тельняшках на зебрах на изменение типа переменных с Word на Dword и, тем самым, увеличением разрядности с 16 до 32 бит, окончилась позорным провалом - переменные упорно не хотели взаимодействовать между собой, ругаясь на то, что они разного типа, что приводило к нехорошим подозрениям на счет их половой идентификации. Тут я вспомнил замечательный апноут AN #193 - Examples for using OVERLAY на сайте www.mcselec.com и, невзирая на возможные опасности, решил подобраться к ним с тыла. Изюминка заключалась в следующем - я считываю данные с 10-ти разрядного АЦП в переменную типа Word, а складываю переменные типа Dword, частью которых и является присвоенное значение АЦП и так, от забора и до обеда, 256 раз. Потом полученный результат Dword сдвигаю вправо на 8 разрядов - и на выходе у меня получается опять переменная типа Word, но уже усредненная от 256 выборок. Против такого финта ушами переменные не смогли устоять и покорно принялись за работу, взбрыкнув напоследок переполнением памяти. Измерение температуры осталось в старом формате - процесс более стабильный во времени и меньше подвержен флуктуациям. В связи с экономией места пришлось применять различные утряски и усушки: оставить по минимуму количество переменных, что повлияло на читабельность программы. Применение FUSING нехило кушало память - поэтому выводим на дисплей значения Single как есть, а, чтобы не было мусора - лишние знакоместа забиваем пробелами. Введение разнотипных операций - деления и умножения также кушало драгоценное место и от первого пришлось отказаться. Сравнение граничных параметров с текущими пришлось перевести в попугаи формата типа Word. Дошло до мелочей типа отказа от вывода знака градус Цельция, ну и остальное.
В конце концов, настойчивость победила, компилятор показал ровно 100%, и блок питания обзавелся собственными фаршированными нулями и единичками мозгами, а я - экспириенсом.
Часть вторая - железная
Итак, с начинкой для мозгов мы разобрались, теперь осталось разобраться с тем, что так любят все зомби. Что мы имеем в данном случае:
- индикатор - относительно стандартный, только таращится синим светом и, по слухам, имеет альтернативный знакогенератор на китайском языке, был приобретен на http://www.buyincoins.com/ за смешные относительно наших цен деньги – порядка 90рублей. Его братья также хорошо работают в других големах;
- камень ATTINY26 - был у меня в одном экземпляре и еще есть его два собрата, но ATTINY261 - с ними размер программы больше на 2%, так что, если не найдете 26 - придется что-то вырезать из программы. Стоимость тоже около 100 рублей в DIP корпусе. Нулевой канал АЦП работает в дифференциальном режиме - задействованы порты 0 и 1, коэффициент усиления внутреннего ОУ - 20. Второй канал - измерение напряжения, третий - внешний опорник, четвертый - измерение температуры;
- ИОН был собран внешний на TL431 по типовой схеме на напряжение 4,096 вольт. Конечно, лучше бы использовать готовые опорники, но в магазинах нашей косопузой Рязани на данное напряжение их нет, а ждать их не хотелось, да и цена кусается в отличие от. Почему 4,096 В - оказалось удобно применить в расчетах при требуемых характеристиках показометра и поэтому так;
- термометр реализован на LM335Z – 30 деревянных - дешево и сердито - в бытовых условиях диапазона вполне хватает. По расчетам на дисплей корректно должны выводиться данные от -9 до 99 градусов, если ранее не сработает защита. Аналоговое измерение температуры свелось к нехитрым действиям в виде отнимания константы смещения и деления остатка на 2,5 – но для понимания этого пришлось решить систему уравнений с двумя неизвестными, тем самым освежив школьные знания по алгебре;
- исполнительные элементы - сборка из двух полевиков – 25 рублей - куда навесить, какие условия их срабатывания и что с ней сделать - решайте сами - фантазия ограничивается только вами и размером кода)));
- шунт - самое серьезное дело во всей конструкции. Давным-давно, когда винчестеры были большими и из их дисков делали хорошие дециметровые антенны, при разборке ЭВМ достались мне некоторые элементы, в том числе несколько шунтов из какой-то проволоки, скорее всего нихром, диаметром около 1 мм и сопротивлением 0,1 Ом. По прошествии многих лет, согласно законам жанра, в живых остался только один, которому и была проведена децимация в виде усечения 1/10 части. Однако, в связи с тем, что в процесс вмешались до сих пор неустановленные барабашки: может коэффициент усиления внутреннего ОУ не равен 20, может сопротивление проводов, или еще что - пришлось вместо расчетного коэффициента 0,02 применить 0,025 и излишек срезать подстроечным резистором. Шунт в данной конструкции общий и расположен на плате БП АТХ. На плате место предусмотрено для стационарного шунта - меняя коэффициент пересчета - можно вогнать в нужный диапазон.
Подстроечных резисторов четыре - для ИОН, вольтметра и амперметра. регулировка контрастности. Предусмотрено место и для подстроечника термометра, если ИОН будет ниже 3 вольт. В принципе, при использовании точных резисторов можно попробовать обойтись и без них, но в данном случае я решил сделать так – проще в настройке и обеспечивает приемлемую для меня точность. Мелкие деталюшки, цепь питания и развязки аналоговой части стандартны и в пояснениях не нуждаются. Номиналы на схеме показаны условно и могут меняться в пределах здравого смысла и типовых решений узлов. Разводка платы была задумана под бутербродную конструкцию, однако при монтаже в корпус был сделан небольшой джампер-шлейф. О том, как все соединить, в следующей серии нашей трилогии.
Часть третья – почувствуй себя Франкенштейном.
Итак, юные и не очень Франкенштейны, будем оживлять нашего гомункула. Для этого нам понадобится, согласно канонам, тело и мозги. Необходимое предупреждение: будьте внимательны при работе с волшебной силой электричества и представляйте все последствия своих заклинаний. Телом в моем случае, как было описано в первой части, является переделанный БП от старого системного блока стандарта АТХ. На его борту оказалась дежурка, выдающая порядка 9 вольт, что вполне меня устроило для обеспечения энергией «мозгов». Вентилятор также запитан от нее. Параметры выходных напряжений и тока были заданы в диапазоне от 1-20 Вольт и 0-12 Ампер соответственно. Так как выносную панель мне делать не хотелось, и в наличии имелся набор отрезных дисков, гравер, дрель и т.п., то через 30-40 минут жужжания на балконе я сделал необходимые отверстия в крышке БП.
Как было указано выше, бюджет на детали в моем случае составил порядка 300 рублей и никаких дефицитных элементов в конструкции не задействовано. Прилагаемая печатка выполнена в формате Sprint Layout и печатается «как есть». Аналоговая земля выполнена в виде контура отдельно от цифровой и сильноточной цепи и соединена в одном месте. Камень устанавливается через цанговую панельку, и при желании, легко снимается и ставится. Отдельный разъем для зомбирования тиньки не предусмотрен, но при желании можно зашить через разъем для дисплея, и выведенную отдельно лапку RESET – нога 10 панельки.
Опускаем такие рутинные для каждого современного алхимика процессы по выращиванию гомункула в виде изготовления платы, запаивания элементов и т.п. и переходим к его оживлению. Для этого, не вставляя контроллер в панельку, подаем питание 9-10 Вольт на вход и, если никаких дыма и вспышек не произошло, пробегаемся вольтметром по ногам панельки дабы убедиться в наличии 5 Вольт на лапках 5 и 15 – т.е. питания контроллера. Далее тычем щуп на лапку 17 – опорное напряжение и крутим подстроечник возле TL431, до достижения напряжения 4,096 В. К сожалению, мой палантир страдает дальнозоркостью и последнюю значащую цифру не кажет. В данном случае я ориентировался на ощущения своей пятой точки опоры, которая со временем выработала требуемую чувствительность. После подключаем дисплей на шлейфе, вставляем заколдованную нашими заклинаниями тиньку и снова подаем питание. Регулировкой подстроечника выставляем контрастность и, если все было сделано правильно, видим какие-то цифры и буквы.
Подаем на нагрузку, подключенную через плату, напряжение и вспоминаем закон Ома. Нагрузку желательно иметь точную – у меня в качестве такой был резистор 10 Ом с допуском +-0,25% аж 1964 года выпуска, т.е. старше меня самого. Скорее всего, его сняли с какой-нибудь баллистической ракеты, которая грозила нашему потенциальному врагу и министр обороны которого с криками «Русские идут!» безуспешно попытался преодолеть земное тяготение. Потом потенциальный враг превратился в заклятого друга и в его «партнерских» объятиях многое превратилось в прах или же растворилось неизведанными оффшорными путями по просторам нашего земного диска. Как-то так оказался у меня данный резистор. Путем сложных, недоступных простому смертному с гуманитарным образованием, измерений необходимо узнать действующее напряжение и вычислить протекающий через цепь ток и подстроечными резисторами добиться нужных показаний на дисплее. Мощность же, потребляемая нагрузкой, равна их произведению. Подключая нагрузку с меньшим сопротивлением, будьте внимательны и осторожны, ибо при несоответствии рассеиваемой мощности вы можете вызвать духов в виде волшебного дыма, из которого состоят все радиоэлементы, а, возможно, и пламени. У меня такой дым пошел из 5-ти ваттных резисторов общим сопротивлением около 1,5 Ом, и только через полчаса сложными пассами в виде открывания балкона удалось изгнать демона обратно. Резисторы, как ни странно, выжили, но на конкурсе красоты среди своих братьев заняли бы место в арьергарде.
На приведенных ниже фотографиях видны испытания моего почти-что собранного гомункула с изменением тока и напряжения. Термодатчик всунут внутрь резистора ПЭВ-5 сопротивлением 6,2 Ома и видно, как он нагревается. Хочу предупредить, что опытный, пытливый глаз инквизитора сразу заметит несоответствие в показаниях между этими фотографиями и захочет устроить допрос с пристрастием. Поэтому ответственно заявляю - «in omnibus voluntas Dei!» - фотографии были сделаны, когда цикл был 64 выборки и я пытался ввести поправки на ошибку смещения, вставлял конденсаторы для интегрирования показаний и т.п. В дальнейшем я отрекся от неправедного пути и встал на путь исправления и сотрудничества с администрацией. Показания сразу стали более-менее соответствовать закону Ома с учетом отсутствия округления результатов.
Что такое «Back-UPS»? С точки зрения самодельщика - это прочный корпус и мощный блок питания внутри!
Чтобы получился лабораторный блок питания
надо добавить только схему управления на микроконтроллере ATMega16
!
Предыстория с Back-UPS
«Досталась» как-то мне УПСка за бесплатно. Конечно, неисправная. Вот такая:
Рис. 1. Внешний вид блока бесперебойного питания до модификации
Оказалось, что после выработки ресурса аккумуляторной батареи компьютерщики в нашей конторе их частенько просто списывают и выбрасывают целиком. Забота о природе не позволила мне мириться с таким положением вещей. Притащив это богатство домой начал думать что же с ней делать. Попытка восстановить аккумулятор методом заливки дистиллированной воды и зарядки малым током не привела к успеху.
Что дальше? Покупать аккумулятор? Да и есть уже у меня УПСка, и не нужна мне вторая. Основные полезные детали очевидны: прочный, пластиковый, аккуратный корпус и мощный трансформатор внутри. Решил сделать из нее лабораторный блок питания для мастерской. Тем более, что старый Б5-47 уже надоел своим визгом, наверное, просится на пенсию машинка 1988 года рождения.
Рис. 2. Схема блока питания.
Основные изменения в схеме относительно оригинала:
1) под R-2R ЦАП выделен порт С микроконтроллера целиком, так проще работать,
2) сами резисторы в ЦАПе других номиналов, такие, какие были, кстати, эти резисторы надо бы подбирать с высокой точностью, иначе при работе ЦАПа будут ступеньки.
3) схема Дарлингтона в выходном каскаде заменена на один КТ8106А
;
4) токоизмерительный шунт сделан более мощным и с меньшим сопротивлением (0,55 Ом);
5) устранено совмещение сигнальных линий энкодера и LCD-экрана.
6) предусмотрена обвязка термодатчика и схема управления вентилятором с ШИМ управлением.
Исходники были модифицированы под данную схему. Переназначены ножки микроконтроллера. Файлы для работы с клавиатурой были заменены (kbd.c и kbd.h ) на файлы для работы с энкодером . Алгоритм работы энкодера следующий: нажали на энкодер - вошли в режим установки напряжения, нажали еще раз - вошли в режим установки тока, нажали еще раз - сохранили установки. Если в режиме настройки не трогать энкодер более 20 секунд, блок автоматом выходит из режима настройки и не сохраняет изменения. Энкодер работает по внешним прерываниям и использует таймер Timer2 для реализации защитных пауз.
Изменена логика работы со светодиодом состояния. Теперь он показывает аварийные ситуации - перегрузку блока питания, перегрев и состояние перезаписи прошивки бутлоадером.
В логику работы дисплея введено мигание изменяемого параметра.
Добавлен опрос 3-го аналогового входа АЦП для термодатчика. Реализована ШИМ-регулировка оборотов вентилятора охлаждения в зависимости от показаний датчика.
Изменен протокол общения блока с компьютером. Теперь используются стандартизованные команды, позволяющие задать установки тока/напряжения и калибровочные настройки. Теперь калибровки также хранятся в EEPROM микроконтроллера.
Использование более емкого микроконтроллера позволило использовать бутлоадер
.
Сборка
Корпус УПС очень хорошо подходит для переделки. Прочный, пластик, внутренние усилительные ребра. Да и размер подходящий. Вместо задней панели с силовыми разъемами я вырезал аналогичный по цвету и форме кусок ровного пластика от лотка струйного принтера. К нему прикрутил радиатор от старого Атлона. К радиатору через изолирующую термоподложку прикрепил выходной транзистор, диодный мост и датчик температуры. Два слова о том как определять обмотки в трансформаторе: самые толстые три провода - это вторичная силовая обмотка. От нее у меня питается силовая часть. Бывает еще и вторая слаботочная вторичная обмотка для питания внутренней схемы УПС. Она определяется так - это два тонких провода одинакового (у меня были оранжевые) цвета. У меня от нее запитана схема управления, микроконтроллер, подсветка экрана и вентилятор. Остальные относительно тонкие провода - это первичная обмотка с большим количеством отводов. С их помощью можно подобрать подходящее выходное напряжение силовой обмотки при приемлемом токе холостого хода.В результате удаления силовых разъемов, между задней стенкой и трансформатором освободилось место, в которое поместились конденсаторы фильтра. В лицевой панели разметил и вырезал отверстия для экрана и выходных разъемов. В крышке корпуса размещены плата управления, энкодер, выключатель питания и плата RS232-интерфейса. В передней части корпуса оставлено свободное место для дальнейшего усиления блока (можно будет поставить второй трансформатор).
В качестве интефейса МК-компьютер я пока использую готовую платку преобразователя USB-TTL RS232 на микросхеме CP2102. Через нее осуществляется перепрошивка МК и общение компьютера со схемой. В будущем я планирую сделать оптоизолированный RS232 интерфейс.
Рис.3. Передняя панель.
Рис. 4. Установка радиатора.
Рис. 5. Внутренности блока.
Прошивка
Я все делал в среде AVR Studio 4.18 с WinAVR-20100110 . Готовые файлы прошивки для бутлоадера и основной программы лежат в архиве.Прошить микроконтроллер можно и просто основной программой или связкой «бутлоадер+основная программа ». Первый случай подойдет тем, кто ничего в основной программе менять не собирается. Или не собирается делать интерфейс блок-компьютер. В случае использования бутлоадера можно перепрограммировать полностью собранное устройство и на первом этапе очень удобно было, например, подгонять калибровочные параметры. Однако, для бутлоадера блоку нужен RS232.
Вне зависимости от способа программирования вначале нужно подключить собранную плату к ISP-программатору. Затем прошить соответствующим hex-файлом и выставить фьюзы. В случае использования программы без бутлоадера HIGH=0xDB LOW=0xDE, во втором HIGH=0xDA LOW=0xDE. Остальное изменять не стоит.
Как только бутлоадер
прошит, дальнейшие манипуляции по перепрограммированию осуществляются очень просто: подключаешь блок к компьютеру RS232 интерфейсом, контролируешь (в случае USB
-эмуляции порта), что подключение произошло к COM1, 2, 3, или 4, включаешь питание блока и сразу запускаешь в студии Tools->Avr Prog. В ней выбираешь файл из архива с прошивками \AVRGCC1\Debug\PowerUnit.hex и шьешь.
Поскольку и бутлоадер
и вся процедура у меня сделана по статье , тонкости процесса можно почерпнуть там.
Калибровка
Замечательным свойством данной схемы является универсальность. В принципе, можно сделать блок питания на любое напряжение, любой ток , и любой конструкции. Понятно, что эти характеристики зависят, прежде всего от первичных преобразователей мощности: трансформатора, диодного моста, фильтра, транзистора выходного каскада, или характеристик импульсного преобразователя.Но для микроконтроллерной части это все не важно. Главное, чтобы делитель выходного напряжения выдавал ему напряжение от 0 до 2,56В, токоизмерительный шунт в режиме короткого замыкания давал около 2В, а система установки выходного напряжения принимала напряжение от 0 до 5В.
Настроить калибровки можно с помощью интерфейса.
Интерфейс и работа с компьютером
Работа интерфейса также изменилась по сравнению с программой Гвидо: скорость 38400 kbps, 8N1. В конце строки требуется символ перевода каретки.Набор команд:
С помощью этих команд можно управлять блоком из любой терминальной программы. Я предпочитаю использовать Serial monitor в Arduino, но это дело вкуса.
Я написал небольшую программу для Windows которая умеет выводить данные в график и задавать значения, в том числе и по протоколу. См. раздел файлов.
Блок питания разработан для налаживания и ремонта аппаратуры в радиолюбительской лаборатории. Термодатчиком контролируют температуру питаемого устройства. Если она превысит порог, устройство будет отключено. Это позволяет прервать развитие аварийной ситуации на ранней стадии и предотвратить катастрофические последствия. Таймер отключает блок питания через определённое время, что, в частности, может быть использовано при зарядке аккумуляторов.
Основные технические характеристики
Выходное стабилизированное напряжение, В………..0...15
Разрешение цифрового вольтметра, В....................0.1
Порог ограничения выходного тока. А
минимальный.......................................................0,1
максимальный........................................................1
Интервал измерения температуры, °С................0...100
Максимальная выдержка таймера...............9 ч 50 мин
Габариты, мм …...........................................105x90x70
Схема блока питания показана на рис. 1. Основа устройства — микроконтроллер PIC16F88 (DD1), использование периферийных модулей которого позволило расширить функциональные возможности блока, не усложняя его.
Регулируемый стабилизатор напряжения - линейный компенсационный. Он содержит регулируемый источник образцового напряжения, регулятор выходного напряжения и устройство сравнения напряжений. Устройство сравнения — встроенный компаратор микроконтроллера, на инвертирующий вход RA1 которого через делитель R26R28 и резистор R27 подаётся выходное напряжение, а на неинвертирующий вход RA2 — образцовое. Выходной сигнал устройства сравнения управляет регулятором выходного напряжения.
Источник регулируемого образцового напряжения — модуль ССР микроконтроллера, работающий в режиме генерации прямоугольных импульсов с переменной длительностью на выходе RB0. Образцовое напряжение — постоянная составляющая этих импульсов, пропорциональная их коэффициенту заполнения, которым можно управлять по программе. Образцовое напряжение выделяется фильтром нижних частот R1C1R2R5C3. Подстроечным резистором R2 регулируют его при налаживании.
Регулятор выходного напряжения собран на мощном составном p-n-p транзисторе VT1, включённом в плюсовой провод питания. Поскольку транзистор VT1 имеет большой коэффициент передачи тока базы, для его открывания достаточен небольшой базовый ток, который обеспечивает маломощный полевой транзистор VT2. Резистор R7 соединяет затвор транзистора VT2 с общим проводом, что удерживает этот транзистор в закрытом состоянии во время инициализации портов микроконтроллера в начале выполнения его программы. Конденсатор С9 корректирует АЧХ петли регулирования, предотвращая самовозбуждение стабилизатора.
Цепь управления регулятором выходного напряжения подключена к линии RA4 микроконтроллера. С помощью внутреннего электронного переключателя этот вывод может быть подключен к выходу компаратора устройства сравнения либо отключён от него. Программно управляя этим переключателем, можно установить регулятор выходного напряжения в выключенное состояние, когда выходное напряжение равно нулю, или во включённое, когда выходное напряжение пропорционально образцовому.
Аналоговый калиброванный температурный датчик LM35 (ВК1), линейно преобразующий температуру в напряжение с коэффициентом 10 мВ/ ºС, подключён через цепь R4C2 к выводу RA3 микроконтроллера, настроенному как аналоговый вход. Внутренний аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера использован в цифровом измерителе напряжения и температуры. Вход АЦП может быть программно подключён к выводам RA1 — RАЗ. Для повышения помехозащищённости измерительного тракта работа АЦП синхронизирована с периодом динамической индикации длительностью 20 мс. Результат преобразования обрабатывается программным усредняющим фильтром.
В начале каждого периода измерения АЦП преобразует напряжение сначала с выхода, затем — с температурного датчика. Из 16 отсчётов каждого параметра вычисляется среднее арифметическое значение, которое и выводится на индикатор. Период обновления показаний — 320 мс. Среднее значение температуры, независимо от того, выводится оно на индикатор HG1 или нет, перед обновлением сравнивается с установленным пользователем порогом. Если оно превысит порог, будет отключено выходное напряжение. Как только температура упадёт на 2 ºС ниже порога, вновь включится выходное напряжение.
В программе микроконтроллера предусмотрен счётчик времени включённого состояния блока питания. Значения регистров счётчика обновляются каждую минуту и сравниваются с заданным значением, при превышении которого выходное напряжение отключается. Это бывает необходимо, чтобы ограничить время какого-нибудь процесса, например, зарядки аккумулятора.
Ограничитель выходного тока работает независимо от микроконтроллера и его программы Он защищает блок питания от замыкания на выходе и ограничивает выходной ток путём уменьшения выходного напряжения. Основа ограничителя — узел преобразователя тока нагрузки в пропорциональное ему напряжение относительно общего провода, описанный в статье И. Нечаева "Индикатор предельного тока" в "Радио", 2002, № 9, с. 23. Этот узел собран на ОУ DA2.2, транзисторе VT4 и резисторах R23— R25. Резистор R25 — датчик тока нагрузки, включённый в цепь плюсового провода питания.
Напряжение, пропорциональное выходному току, с истока транзистора VT4 через резистор R20 поступает на инвертирующий вход (вывод 6) ОУ DA2.1, а на его неинвертирующий вход (вывод 5) подаётся напряжение с движка переменного резистора R18. При неизменном положении этого движка напряжение на нём стабильно, так как последовательно соединённые резисторы R17 и R18 подключены к стабилизированному напряжению +5 В с выхода микросхемы DA1. Перемещая движок переменного резистора R18, регулируют порог ограничения выходного тока.
Если напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 больше напряжения на истоке транзистора VT4, пропорционального току, то напряжение на выходе этого ОУ близко к напряжению его питания, диод VD2 закрыт и не влияет на стабилизацию выходного напряжения. Светодиод HL1 погашен и защищён от обратного напряжения диодом VD3. Если напряжение на истоке транзистора VT4 превысит напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1, напряжение на выходе этого ОУ DA2.1 упадёт практически до нуля. Через резистор R19, диод VD3 и светодиод HL1 начнёт протекать ток. Диод VD2 открывается, в результате чего выходное напряжение уменьшится так. чтобы выходной ток не превышал порога ограничения. Включится светодиод HL1 — индикатор режима ограничения тока нагрузки.
После включения блока напряжение питания 5 В со стабилизатора DA1 поступает на микроконтроллер DD1. который настраивает порты ввода—вывода, конфигурацию и режимы встроенных периферийных модулей согласно программе, считывает из EEPROM (энергонезависимой памяти) в регистры значения выходного напряжения, установки температуры и выдержки времени. На индикатор HG1 выводятся на две секунды номер версии программы и далее, с пониженной яркостью, значение напряжения, которое должно быть на выходе, но оно в это время ещё не включено Нажатием на кнопку SB1 включают выходное напряжение со значением, записанным ранее в EEPROM, индикатор HG1 будет его показывать с полной яркостью. Следующее нажатие на эту кнопку вновь отключит выходное напряжение и так далее. Нажатием на SB3 и SB4 соответственно увеличивают или уменьшают выходное напряжение. Коротким нажатием осуществляют точную установку выходного напряжения, удержанием кнопок — грубую. Если необходимо, чтобы при следующем включении источника питания на выходе было новое значение напряжения, то нужно записать его в память нажатием и удержанием кнопки SB2. Когда на индикаторе появится надпись "SAU", кнопку отпускают, новое значение будет сохранено в EEPROM.
Короткое нажатие на SB2 позволяет просматривать на индикаторе температуру и значение счётчика времени с дискретностью 10 мин. Значения установок температуры и времени можно посмотреть удержанием этой кнопки, при этом индикатор покажет мигающие значения соответствующих установок, изменить которые можно кнопками SB3 и SB4. Нажатие и удержание кнопки SB2 сохранят новые значения в EEPROM.
Если во время работы устройства с включённым выходным напряжением температура датчика ВК1 превысит установленную, то выходное напряжение отключится. На индикаторе появится мигающая надпись "о.t", что означает превышение температуры. Как только температура снизится менее установленной на 2 С, будет включено выходное напряжение, а на индикаторе HG1 — показано его значение.
Если значение счётчика времени совпадёт с установленным, выходное напряжение будет отключено, а на индикаторе появится мигающая надпись "o.h", что означает превышение времени. Включить входное напряжение после этого можно, если передвинуть установку времени вперёд или в "0".
Сетевой трансформатор Т1 — промышленного изготовления с напряжением вторичной обмотки 17 В и допустимым током нагрузки 1,2 А. Можно применить трансформатор ТП-115-К8 с двумя вторичными обмотками по 9 В и током 1,1 А, которые соединяют синфазно-последовательно. Годится также сетевой трансформатор от ламповой техники с тремя накальными обмотками по 6,3 В, которые соединяют аналогично. Диодный мост VD1 должен быть рассчитан на напряжение не ниже 50 В и средневыпрямленный ток не менее 2 А. Диоды 1N4148 (VD2 и VD3) могут быть заменены на КД522 с любым буквенным индексом. Диоды ВАТ85 (VD4— VD6) можно заменить другими диодами Шотки, например, 1N5817, 1N5818.
Регулирующий транзистор VT1 структуры p-n-р, составной КТ825Г в металлическом корпусе, выбран с большим запасом по току для обеспечения надёжности устройства. Его можно заменить аналогичным с максимальным напряжением коллектор—эмиттер не менее 50 В и током коллектора 3 А и больше. Транзистор VT1 установлен на ребристом теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 100см2. Теплоотвод с транзистором VT1 закреплён на верхней крышке корпуса снаружи, как показано на фото рис. 2. Полевые транзисторы VT2 и VT4 — любые из серии КП501 или импортные 2N7000. Транзистор VT3 может быть любым из серий КТ3102, КТ342.
Индикатор HG1 — трёх- или четырёхразрядный с общим анодом. Он может быть составлен из трёх отдельных одноразрядных индикаторов. В этом случае одноимённые выводы сегментов соединяют между собой, транзистор VT3 не устанавливают, а вывод десятичной точки второго разряда соединяют с общим проводом через резистор 1 кОм.
Кнопки SB1—SB4 взяты из неисправной офисной техники, в том числе из струйного принтера. Стабилизатор напряжения DA1 — любой из серии 7805 в корпусе ТО220. Подстроечный резистор R28 - 3266W-1-103 - импортный малогабаритный многооборотный производства фирмы Bourns. Датчик тока R25 составлен из четырёх параллельно соединённых резисторов сопротивлением 1 Ом и номинальной мощностью 0,5 Вт.
Блок питания собирают без диода VD2. проверяют правильность монтажа и отсутствие замыканий. В первый раз подключают блок к сети без микроконтроллера DD1 и нагрузки. С помощью вольтметра проверяют, что напряжение в гнезде 14 панели DD1 равно 5 В, на эмиттере транзистора VT1 — 17...20 В, на его коллекторе — около 0 В. Блок выключают и устанавливают в панель микроконтроллер DD1 с заранее записанной программой, коды которой приведены в файле ad_ps1 .hex.
Эффектов, частотомеров и так далее. Скоро дойдёт до того, что и мультивибратор будет проще собрать на контроллере:) Но есть один момент, который очень роднит все типы контроллеров с обычными цифровыми микросхемами серии К155 - это питание строго 5 вольт. Конечно найти такое напряжение в устройстве подключенном к сети не проблема. А вот использовать микроконтроллеры в составе малогабаритных девайсов с батареечным питанием уже сложнее. Как известно, микроконтроллер воспринимает только цифровые сигналы – логический ноль или логическую единицу. Для микроконтроллера ATmega8 при напряжении питания 5В логический ноль – это напряжение от 0 до 1,3 В, а логическая единица – от 1,8 до 5 В. Поэтому для его нормальной работы и требуется такое значение питающего напряжения.
Что касается микроконтроллеров AVR, то есть два основных типа:
Для получения максимального быстродействия при высокой частоте - питание в диапазоне от 4,5 до 5,5 вольт при тактовой частоте 0...16 МГц. Для некоторых моделей - до 20 МГц, например ATtiny2313-20PU или ATtiny2313-20PI.
Для экономичной работы на небольших тактовых частотах - 2,7...5,5 вольт при частоте 0...8 МГц. Маркировка микросхем второго типа отличается от первого тем, что на конце добавляется буква "L". Например, ATtiny26 и ATtiny26L, ATmega8 и ATmega8L.
Существуют и микроконтроллеры с возможностью понижения питания до 1.8 В, они маркируются буквой "V", например ATtiny2313V. Но за всё надо платить, и при понижении питания должна быть снижена и тактовая частота. Для ATtiny2313V при питании 1,8...5,5 В частота должна находиться в интервале 0...4 МГц, при питании 2,7...5,5 В - в интервале 0...10 МГц. Поэтому если требуется максимальное быстродействие, надо ставить ATtiny26 или ATmega8 и повышать тактовую частоту до 8...16 МГц при питании 5В. Если важнее всего экономичность - лучше использовать ATtiny26L или ATmega8L и понизить частоту и питание.
В предложенной схеме преобразователя, при питании от двух пальчиковых батареек с общим напряжением 3В - выходное напряжение выбрано 5В, для обеспечения достаточного питания большинства микроконтроллеров. Ток нагрузки составляет до 50мА, что вполне нормально - ведь при работе на частоте например 4 МГц, PIC контроллеры, в зависимости от модели, имеют ток потребления менее 2 мА.
Трансформатор преобразователя мотается на ферритовом кольце диаметром 7-15мм и содержит две обмотки (20 и 35 витков) проводом 0,3мм. В качестве сердечника можно взять и обычный маленький ферритовый стержень 2,5х7мм от катушек радиоприёмников. Транзисторы используем VT1 - BC547, VT2 - BC338. Допустима их замена на другие аналогичной структуры. Напряжение на выходе подбираем резистором 3,6к. Естественно при подключенном эквиваленте нагрузки - резисторе 200-300 Ом.
К счастью технологии не стоят на месте, и то что казалось недавно последним писком техники - сегодня уже заметно устаревает. Представляю новую разработку кампании STMicroelectronics - линейка микроконтроллеров STM8L, которые производятся по технологии 130 нм, специально разработанной для получения ультранизких токов утечки. Рабочие частоты МК - 16МГц. Интереснейшим свойством новых микроконтроллеров является возможность их работы с в диапазоне питающих напряжений от 1,7 до 3,6 В. А встроенный стабилизатор напряжения дает дополнительную гибкость выбора источника напряжения питания. Так как использование микроконтроллеров STM8L предполагают питание от батареек, в каждый микроконтроллер встроены схемы сброса по включению и выключению питания, а также сброса по снижению напряжения питания. Встроенный детектор напряжения питания сравнивает входные напряжения питания с заданным порогом и генерирует прерывание при его пересечении.
К другим методам снижения энергопотребления в представленной разработке относятся использование встроенной энергонезависимой памяти и множества режимов сниженного энергопотребления, в число которых входит активный режим с энергопотреблением - 5 мкА, ждущий режим - 3 мкА, режим остановки с работающими часами реального времени - 1 мкА, и режим полной остановки - всего 350 нА! Микроконтроллер может выходить из режима остановки за 4 мкс, позволяя тем самым максимально часто использовать режим с самым низким энергопотреблением. В общем STM8L обеспечивает динамическое потребление тока 0,1мА на мегагерц.
Обсудить статью ПИТАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
