DIY τρέχων αισθητήρας για Arduino: 6 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Γεια σας, ελπίζω να τα πάτε καλά και σε αυτό το σεμινάριο θα σας δείξω πώς έφτιαξα έναν τρέχοντα αισθητήρα για το Arduino χρησιμοποιώντας μερικά πολύ βασικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα και ένα σπιτικό shunt. Αυτή η διακλάδωση μπορεί εύκολα να χειριστεί μεγάλο ρεύμα, περίπου 10-15 Amps. Η ακρίβεια είναι επίσης αρκετά καλή και μπόρεσα να έχω πολύ αξιοπρεπή αποτελέσματα ενώ μετρούσα χαμηλά ρεύματα γύρω στα 100mA.

Προμήθειες

1. Arduino Uno ή ισοδύναμο και καλώδιο προγραμματισμού
2. OP- Amp LM358
3. Καλώδια βραχυκυκλωτήρων
4. Αντίσταση 100 KOhm
5. Αντίσταση 220 KOhm
6. Αντίσταση 10 Kohm
7. Πίνακας Veroboard ή Zero PCB
8. Shunt (8 έως 10 milliohms)

Βήμα 1: Συγκέντρωση των απαιτούμενων τμημάτων

Τα κύρια μέρη που θα χρειαστείτε για αυτήν την κατασκευή είναι ένα Shunt μαζί με το λειτουργικό IC ενισχυτή. Για την εφαρμογή μου χρησιμοποιώ το IC LM358, το οποίο είναι ένα διπλό OP-AMP 8 ακίδων DIP IC, από το οποίο χρησιμοποιώ μόνο έναν από τους λειτουργικούς ενισχυτές. Θα χρειαστείτε επίσης αντιστάσεις για το κύκλωμα ενισχυτή που δεν αντιστρέφεται. Έχω επιλέξει 320Κ και 10Κ ως αντιστάσεις μου. Η επιλογή της αντίστασής σας εξαρτάται πλήρως από το ποσό κέρδους που θέλετε να έχετε. Τώρα το OP-AMP τροφοδοτείται από τα 5 volt του Arduino. Επομένως, πρέπει να βεβαιωθούμε ότι η τάση εξόδου από το OP-AMP όταν το πλήρες ρεύμα διέρχεται από τη διακλάδωση πρέπει να είναι μικρότερη από 5 βολτ, κατά προτίμηση 4 βολτ για να διατηρείται κάποιο περιθώριο σφάλματος. Εάν επιλέξουμε ένα κέρδος που είναι αρκετά υψηλό τότε για μια χαμηλότερη τιμή ρεύματος, το OP-AMP θα εισέλθει στην περιοχή κορεσμού και θα δώσει μόνο 5 βολτ πέρα από κάθε τρέχουσα τιμή. Βεβαιωθείτε ότι έχετε επιλέξει κατάλληλα την τιμή του κέρδους ενισχυτή. Θα χρειαστείτε επίσης ένα πρωτότυπο PCB ή ένα breadboard για να δοκιμάσετε αυτό το κύκλωμα. Για τον μικροελεγκτή χρησιμοποιώ το Arduino UNO για να αποκτήσω την είσοδο από την έξοδο του ενισχυτή. Μπορείτε να επιλέξετε όποια ισοδύναμη πλακέτα Arduino θέλετε.

Βήμα 2: Φτιάχνοντας το δικό σας Shunt Resistor

Η κύρια καρδιά του έργου είναι η αντίσταση διακλάδωσης που χρησιμοποιείται για την παροχή της μικρής πτώσης τάσης. Μπορείτε εύκολα να κάνετε αυτό το shunt χωρίς μεγάλη ταλαιπωρία. Εάν έχετε ένα παχύ μασίφ ατσάλινο σύρμα, τότε μπορείτε να κόψετε ένα λογικό μήκος αυτού του σύρματος και να το χρησιμοποιήσετε ως διακλάδωση. Μια άλλη εναλλακτική λύση σε αυτό είναι η διάσωση αντιστάσεων διακλάδωσης από παλιά ή κατεστραμμένα πολύμετρα όπως ακριβώς φαίνεται εδώ. Το τρέχον εύρος που θέλετε να μετρήσετε εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τιμή της αντίστασης διακλάδωσης. Συνήθως μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μετατροπές της τάξης των 8 έως 10 milliohms.

Βήμα 3: Διάγραμμα κυκλώματος του έργου

Εδώ είναι ολόκληρη η θεωρία ως καλοκαιρινή και επίσης το διάγραμμα κυκλώματος της τρέχουσας μονάδας αισθητήρα που δείχνει την εφαρμογή της μη αναστροφής διαμόρφωσης του OP-AMP παρέχοντας το απαραίτητο κέρδος. Έχω συνδέσει επίσης έναν πυκνωτή 0.1uF στην έξοδο του OP-AMP για να εξομαλύνετε την τάση εξόδου και να μειώσετε τυχόν θόρυβο υψηλής συχνότητας εάν μπορεί να προκύψει.

Βήμα 4: Συγκεντρώστε τα όλα μαζί…

Τώρα ήρθε η ώρα να φτιάξουμε την τρέχουσα μονάδα αισθητήρα από αυτά τα στοιχεία. Για αυτό έκοψα ένα μικρό κομμάτι από γυψοσανίδα και τακτοποίησα τα εξαρτήματά μου με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφύγω τη χρήση καλωδίων ή συνδέσμων και όλο το κύκλωμα θα μπορούσε να συνδεθεί χρησιμοποιώντας απευθείας συνδέσμους συγκόλλησης. Για τη σύνδεση του φορτίου μέσω της διακλάδωσης, χρησιμοποίησα βιδωτούς ακροδέκτες, γεγονός που καθιστά τις συνδέσεις πολύ πιο τακτοποιημένες και ταυτόχρονα καθιστά πολύ πιο εύκολη την εναλλαγή/αντικατάσταση διαφορετικών φορτίων για τα οποία θέλω να μετρήσω το ρεύμα. Βεβαιωθείτε ότι έχετε επιλέξει τους βιδωτούς ακροδέκτες καλής ποιότητας που μπορούν να χειριστούν μεγάλα ρεύματα. Έχω επισυνάψει μερικές εικόνες από τη διαδικασία συγκόλλησης και όπως μπορείτε να δείτε τα ίχνη συγκόλλησης βγήκαν αρκετά καλά χωρίς τη χρήση βραχυκυκλωτήρα ή συνδετήρα σύρματος. Αυτό έκανε τη μονάδα μου ακόμα πιο ανθεκτική. Για να σας δώσω μια προοπτική για το πόσο μικρή είναι αυτή η ενότητα, το κράτησα μαζί με ένα νόμισμα Ινδικής ρουπίας 2 και το μέγεθος είναι σχεδόν συγκρίσιμο. Αυτό το μικρό μέγεθος σάς επιτρέπει να τοποθετήσετε εύκολα αυτήν την ενότητα στα έργα σας. Εάν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε στοιχεία SMD, το μέγεθος μπορεί ακόμη και να μειωθεί.

Βήμα 5: Βαθμονόμηση του αισθητήρα για τη σωστή ανάγνωση

Μετά την κατασκευή ολόκληρης της μονάδας εδώ έρχεται ένα ελαφρώς δύσκολο κομμάτι, το οποίο βαθμονομεί ή μάλλον καταλήγει στον απαραίτητο κώδικα για τη μέτρηση της σωστής τιμής του ρεύματος. Τώρα ουσιαστικά πολλαπλασιάζουμε την πτώση τάσης του shunt για να μας δώσει μια ενισχυμένη τάση, αρκετά υψηλή ώστε να καταχωρηθεί η συνάρτηση Arduino analogRead (). Τώρα η αντίσταση είναι σταθερή, η τάση εξόδου είναι γραμμική ως προς το μέγεθος του ρεύματος που διέρχεται από την παράκαμψη. Ο εύκολος τρόπος για τη βαθμονόμηση αυτής της μονάδας είναι να χρησιμοποιήσετε ένα πραγματικό πολύμετρο για να υπολογίσετε την τιμή του ρεύματος που διέρχεται από ένα δεδομένο κύκλωμα. Σημειώστε αυτήν την τιμή ρεύματος, χρησιμοποιώντας το arduino και τη λειτουργία σειριακής οθόνης, δείτε ποια είναι η αναλογική τιμή που έρχεται (που κυμαίνεται από 0 έως 1023. Χρησιμοποιήστε τη μεταβλητή ως τύπος δεδομένων float για να λάβετε καλύτερες τιμές). Τώρα μπορούμε να πολλαπλασιάσουμε αυτήν την αναλογική τιμή με μια σταθερά για να πάρουμε την επιθυμητή τιμή ρεύματος και δεδομένου ότι η σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος είναι γραμμική, αυτή η σταθερά θα είναι σχεδόν η ίδια για όλο το εύρος ρεύματος, αν και ίσως χρειαστεί να κάνετε κάποια μικρή προσαρμογές αργότερα. Μπορείτε να δοκιμάσετε με 4-5 γνωστές τρέχουσες τιμές για να πάρετε τη σταθερή τιμή σας. Θα αναφέρω τον κώδικα που χρησιμοποίησα για αυτήν την επίδειξη.

Βήμα 6: Τελικά συμπεράσματα

Αυτός ο τρέχων αισθητήρας λειτουργεί αρκετά καλά στις περισσότερες εφαρμογές που τροφοδοτούνται με DC και έχει σφάλμα μικρότερο από 70 mA εάν βαθμονομηθεί σωστά. Όσο και αν υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί αυτού του σχεδιασμού, σε πολύ χαμηλά ή πολύ υψηλά ρεύματα, η απόκλιση από την πραγματική τιμή γίνεται σημαντική. Οπότε κάποια τροποποίηση του κώδικα είναι απαραίτητη για τις οριακές περιπτώσεις. Μια εναλλακτική λύση είναι να χρησιμοποιήσετε έναν ενισχυτή Instrumentation, ο οποίος διαθέτει ακριβή κυκλώματα για την ενίσχυση πολύ μικρών τάσεων και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στην υψηλή πλευρά του κυκλώματος. Επίσης, το κύκλωμα μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας ένα καλύτερο OP-AMP χαμηλού θορύβου. Για την εφαρμογή μου λειτουργεί καλά και δίνει επαναλαμβανόμενη έξοδο. Σχεδιάζω να φτιάξω ένα βατόμετρο, όπου θα χρησιμοποιούσα αυτό το σύστημα μέτρησης ρεύματος διακλάδωσης. Ελπίζω να σας άρεσε αυτή η κατασκευή.