Zrób to sam czujnik prądu dla Arduino: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Witam, mam nadzieję, że dobrze sobie radzisz, a w tym samouczku pokażę, jak zrobiłem czujnik prądu dla Arduino, używając kilku bardzo podstawowych elementów elektronicznych i domowej roboty bocznika. Ten bocznik może z łatwością obsługiwać duże natężenie prądu, około 10-15 amperów. Dokładność jest również całkiem dobra i udało mi się uzyskać bardzo przyzwoite wyniki przy pomiarach niskich prądów około 100mA.

Kieszonkowe dzieci

1. Arduino Uno lub odpowiednik i przewód do programowania
2. Wzmacniacz operacyjny LM358
3. Przewody połączeniowe
4. Rezystor 100 KOhm
5. Rezystor 220 KOhm
6. Rezystor 10 Kohm
7. Płyta Veroboard lub Zero PCB
8. Bocznik (8 do 10 miliomów)

Krok 1: Zbieranie wymaganych części

Główne części potrzebne do tej konstrukcji to bocznik wraz z układem scalonym wzmacniacza operacyjnego. Do mojej aplikacji używam układu IC LM358, który jest podwójnym 8-pinowym układem DIP OP-AMP, z którego używam tylko jednego wzmacniacza operacyjnego. Będziesz także potrzebował rezystorów do obwodu wzmacniacza nieodwracającego. Wybrałem 320K i 10K jako moje opory. Wybór oporu zależy całkowicie od wielkości wzmocnienia, które chcesz uzyskać. Teraz OP-AMP jest zasilany 5 woltami Arduino. Musimy więc upewnić się, że napięcie wyjściowe z OP-AMP, gdy pełny prąd przepływa przez bocznik, powinno być mniejsze niż 5 woltów, najlepiej 4 wolty, aby zachować pewien margines błędu. Jeśli wybierzemy wystarczająco wysokie wzmocnienie, to dla niższej wartości prądu OP-AMP przejdzie w obszar nasycenia i da tylko 5 woltów powyżej dowolnej wartości prądu. Dlatego pamiętaj, aby odpowiednio wybrać wartość wzmocnienia wzmacniacza. Aby wypróbować ten obwód, potrzebujesz również prototypowej płytki drukowanej lub płytki prototypowej. W przypadku mikrokontrolera używam Arduino UNO do pobierania sygnału wejściowego z wyjścia wzmacniacza. Możesz wybrać dowolną równoważną płytkę Arduino, którą chcesz.

Krok 2: Tworzenie własnego rezystora bocznikowego

Głównym sercem projektu jest rezystor bocznikowy zapewniający niewielki spadek napięcia. Możesz łatwo wykonać ten bocznik bez większego wysiłku. Jeśli masz gruby drut z litej stali, możesz go przyciąć na rozsądną długość i użyć go jako bocznika. Inną alternatywą jest odzyskanie rezystorów bocznikowych ze starych lub uszkodzonych mierników uniwersalnych, tak jak pokazano tutaj. Zakres prądu, który chcesz zmierzyć, w dużej mierze zależy od wartości rezystora bocznikowego. Zazwyczaj można użyć boczników rzędu 8 do 10 miliomów.

Krok 3: Schemat obwodu projektu

Oto cała teoria jako podsumowanie, a także schemat obwodu modułu czujnika prądu pokazujący implementację nieodwracającej konfiguracji OP-AMP zapewniającej niezbędne wzmocnienie. Dołączyłem również kondensator 0,1uF na wyjściu OP-AMP, aby wygładzić napięcie wyjściowe i zredukować wszelkie szumy o wysokiej częstotliwości, jeśli mogą wystąpić.

Krok 4: Połącz wszystko razem…

Teraz w końcu nadszedł czas, aby wykonać moduł czujnika prądu z tych komponentów. W tym celu wyciąłem mały kawałek veroboardu i ułożyłem swoje komponenty w taki sposób, aby uniknąć stosowania jakichkolwiek zworek czy złączy, a cały obwód można było połączyć za pomocą bezpośrednich połączeń lutowniczych. Do podłączenia obciążenia przez bocznik użyłem zacisków śrubowych, co sprawia, że połączenia są znacznie bardziej schludne, a jednocześnie znacznie łatwiej jest przełączać/wymieniać różne obciążenia, dla których chcę mierzyć prąd. Upewnij się, że wybierasz zaciski śrubowe dobrej jakości, które są w stanie wytrzymać duże prądy. Załączam kilka zdjęć procesu lutowania i jak widać ślady lutowania wyszły całkiem nieźle bez użycia zworki czy złącza przewodów. Dzięki temu mój moduł był jeszcze bardziej wytrzymały. Aby dać ci perspektywę, jak mały jest ten moduł, trzymałem go razem z monetą indyjską o nominale 2 rupii, a rozmiar jest prawie porównywalny. Ten niewielki rozmiar umożliwia łatwe dopasowanie tego modułu do swoich projektów. Jeśli możesz użyć komponentów SMD, rozmiar można nawet zmniejszyć.

Krok 5: Kalibracja czujnika w celu uzyskania prawidłowych odczytów

Po zbudowaniu całego modułu przychodzi tu trochę skomplikowana część, kalibracja, a raczej wymyślanie niezbędnego kodu do pomiaru prawidłowej wartości prądu. Teraz zasadniczo mnożymy spadek napięcia bocznika, aby uzyskać wzmocnione napięcie, wystarczająco wysokie, aby zarejestrowała się funkcja Arduino analogRead(). Teraz rezystancja jest stała, napięcie wyjściowe jest liniowe w stosunku do wielkości prądu przepływającego przez bocznik. Prostym sposobem kalibracji tego modułu jest użycie rzeczywistego multimetru do obliczenia wartości prądu przepływającego przez dany obwód. Zanotuj tę wartość prądu, używając funkcji arduino i monitora szeregowego, zobacz, jaka jest nadchodząca wartość analogowa (w zakresie od 0 do 1023. Użyj zmiennej jako typu danych zmiennoprzecinkowych, aby uzyskać lepsze wartości). Teraz możemy pomnożyć tę wartość analogową przez stałą, aby uzyskać pożądaną wartość prądu, a ponieważ zależność między napięciem a prądem jest liniowa, ta stała będzie prawie taka sama dla całego zakresu prądu, chociaż może być konieczne wykonanie kilku drobnych korekty później. Możesz spróbować z 4-5 znanymi bieżącymi wartościami, aby uzyskać stałą wartość. Wspomnę o kodzie, którego użyłem do tej demonstracji.

Krok 6: Wnioski końcowe

Ten czujnik prądu działa całkiem dobrze w większości aplikacji zasilanych prądem stałym i ma błąd mniejszy niż 70 mA, jeśli jest prawidłowo skalibrowany. Jednak istnieją pewne ograniczenia tej konstrukcji, przy bardzo małych lub bardzo dużych prądach, odchylenie od wartości rzeczywistej staje się znaczne. W przypadku granicznych potrzebna jest więc pewna modyfikacja kodu. Jedną z alternatyw jest użycie wzmacniacza Instrumentation, który ma precyzyjne obwody wzmacniające bardzo małe napięcia i może być również używany po wysokiej stronie obwodu. Również obwód można poprawić, używając lepszego, niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego. W mojej aplikacji działa dobrze i daje powtarzalny wydruk. Planuję zrobić watomierz, w którym będę używał tego systemu pomiaru prądu bocznikowego. Mam nadzieję, że podobał wam się ten build.