Wie erstelle ich ein digitales DC-Voltmeter mit Arduino?

Ein Voltmeter ist ein Spannungsmessgerät, mit dem die Spannung an bestimmten Punkten eines Stromkreises gemessen wird. Die Spannung ist die Potentialdifferenz, die zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis erzeugt wird. Es gibt zwei Arten von Voltmetern. Einige Voltmeter dienen zur Messung der Spannung von Gleichstromkreisen, andere Voltmeter zur Messung der Spannung in Wechselstromkreisen. Diese Voltmeter werden weiter in zwei Kategorien unterteilt. Eines ist ein digitales Voltmeter, das die Messungen auf einem digitalen Bildschirm anzeigt, und das andere ist ein analoges Voltmeter, das mit einer Nadel auf die Skala zeigt, um uns den genauen Messwert anzuzeigen.

In diesem Projekt werden wir ein Voltmeter mit Arduino Uno herstellen. In diesem Artikel werden zwei Konfigurationen eines digitalen Voltmeters erläutert. In der ersten Konfiguration kann der Mikrocontroller eine Spannung im Bereich von 0 bis 5 V messen. In der zweiten Konfiguration kann der Mikrocontroller die Spannung im Bereich von 0 bis 50 V messen.

Wie erstelle ich ein digitales Voltmeter?

Wie wir wissen, gibt es zwei Arten von Voltmetern, analoge Voltmeter und digitale Voltmeter. Es gibt einige weitere Arten von analogen Voltmetern, die auf dem Aufbau des Geräts basieren. Einige dieser Typen umfassen ein Permanentmagnet-Voltmeter mit beweglicher Spule, ein Gleichrichtertyp-Voltmeter, ein Moving-Iron-Voltmeter usw. Der Hauptzweck der Markteinführung des digitalen Voltmeters war die größere Fehlerwahrscheinlichkeit bei analogen Voltmetern. Im Gegensatz zum analogen Voltmeter, bei dem eine Nadel und eine Skala verwendet werden, zeigt das digitale Voltmeter die Messwerte direkt in Ziffern auf dem Bildschirm an. Dies beseitigt die Möglichkeit von Null Fehler. Der Fehleranteil wird von 5% auf 1% reduziert, wenn wir vom analogen Voltmeter zum digitalen Voltmeter gewechselt sind.

Nachdem wir nun die Zusammenfassung dieses Projekts kennen, lassen Sie uns weitere Informationen sammeln und mit der Herstellung eines digitalen Voltmeters mit Arduino Uno beginnen.

Schritt 1: Sammeln der Komponenten

Der beste Ansatz, um ein Projekt zu starten, besteht darin, eine Liste der Komponenten zu erstellen und diese Komponenten kurz zu untersuchen, da niemand nur wegen einer fehlenden Komponente in der Mitte eines Projekts bleiben möchte. Eine Liste der Komponenten, die wir in diesem Projekt verwenden werden, finden Sie unten:

Schritt 2: Studieren der Komponenten

Arduino UNO ist eine Mikrocontroller-Karte, die aus einem Mikrochip ATMega 328P besteht und von Arduino.cc entwickelt wurde. Diese Karte verfügt über einen Satz digitaler und analoger Datenpins, die mit anderen Erweiterungskarten oder -schaltungen verbunden werden können. Diese Karte verfügt über 14 digitale Pins, 6 analoge Pins und kann mit der Arduino IDE (Integrated Development Environment) über ein USB-Kabel vom Typ B programmiert werden. Für die Stromversorgung sind 5 V erforderlich AUF und ein C-Codezu bedienen.

LCDs sind in jedem elektronischen Gerät zu sehen, das den Benutzern Text, Ziffern oder Bilder anzeigen muss. Ein LCD ist ein Anzeigemodul, in dem Flüssigkristall verwendet wird, um ein sichtbares Bild oder einen sichtbaren Text zu erzeugen. EIN 16 × 2 LCD-Anzeigeist ein sehr einfaches elektronisches Modul, das 16 Zeichen pro Zeile und insgesamt zwei Zeilen gleichzeitig auf dem Bildschirm anzeigt. Eine 5 × 7-Pixelmatrix wird verwendet, um ein Zeichen in diesen LCDs anzuzeigen.

EIN Steckbrettist ein lötfreies Gerät. Es wird verwendet, um temporäre Prototypen elektronischer Schaltungen und Designs herzustellen und zu testen. Die meisten elektronischen Komponenten werden einfach durch Einstecken ihrer Stifte in das Steckbrett mit einem Steckbrett verbunden. Ein Metallstreifen wird in die Löcher des Steckbretts gelegt und die Löcher werden auf eine bestimmte Weise verbunden. Die Anschlüsse der Löcher sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Schritt 3: Schaltplan

Die erste Schaltung, deren Messbereich zwischen 0 und 5 V liegt, ist unten dargestellt:

Die zweite Schaltung, deren Messbereich zwischen 0 und 50 V liegt, ist unten dargestellt:

Schritt 4: Arbeitsprinzip

Die Arbeitsweise dieses Projekts eines digitalen Gleichspannungsmessers auf Arduino-Basis wird hier erläutert. Im digitalen Voltmeter wird die in analoger Form gemessene Spannung mit einem Analog-Digital-Wandler in den entsprechenden digitalen Wert umgewandelt.

In der ersten Schaltung, deren Messbereich zwischen 0 und 5 V liegt, erfolgt der Eingang über den analogen Pin0. Der analoge Pin liest einen beliebigen Wert von 0 bis 1024. Dieser analoge Wert wird dann in einen digitalen Wert umgewandelt, indem er mit der Gesamtspannung von 5 V multipliziert und durch die Gesamtauflösung von 1024 dividiert wird.

In der zweiten Schaltung muss eine Spannungsteilerkonfiguration vorgenommen werden, da der Bereich von 5 V auf 50 V erhöht werden soll. Die Spannungsteilerschaltung wird unter Verwendung eines 10k-Ohm- und eines 100k-Ohm-Widerstands hergestellt. Diese Spannungsteilerkonfiguration hilft uns, die Eingangsspannung in den Bereich des analogen Eingangs von Arduino Uno zu bringen.

Alle mathematischen Berechnungen werden in der Programmierung von Arduino Uno durchgeführt.

Schritt 5: Zusammenbau der Komponenten

Der Anschluss des LCD-Moduls an die Arduino Uno-Karte ist in beiden Schaltkreisen gleich. Der einzige Unterschied besteht darin, dass in der ersten Schaltung der Eingangsbereich niedrig ist, sodass er direkt an den analogen Pin des Arduino gesendet wird. In der zweiten Schaltung wird eine Spannungsteilerkonfiguration auf der Eingangsseite der Mikrocontroller-Karte verwendet.

Verbinden Sie den Vss- und Vdd-Pin des LCD-Moduls mit Masse und 5 V der Arduino-Karte. Der V-Pin ist der Pin, mit dem die Einschränkungen der Anzeige angepasst werden. Es ist mit dem Potentiometer verbunden, dessen ein Pin mit 5 V und der andere mit Masse verbunden ist.
Verbinden Sie den RS- und E-Pin des LCD-Moduls mit Pin2 bzw. Pin3 der Arduino-Karte. Der RW-Pin des LCD ist mit Masse verbunden.
Da wir das LCD-Modul im 4-Bit-Datenmodus verwenden werden, werden seine vier Pins D4 bis D7 verwendet. Die D4-D7-Pins des LCD-Moduls sind mit den Pin4-Pin7 der Mikrocontroller-Platine verbunden.
In der ersten Schaltung gibt es keine zusätzliche Schaltung auf der Eingangsseite, da die maximal zu messende Spannung 5 V beträgt. In der zweiten Schaltung wird, da der Messbereich von 0 bis 50 V reicht, eine Spannungsteilerkonfiguration unter Verwendung eines 10 kOhm- und eines 100 kOhm-Widerstands vorgenommen. Es ist zu beachten, dass alle Gründe gemeinsam sind.

Schritt 6: Erste Schritte mit Arduino

Wenn Sie mit Arduino IDE noch nicht vertraut sind, machen Sie sich keine Sorgen, denn unten sehen Sie klare Schritte zum Brennen von Code auf der Mikrocontroller-Karte mit Arduino IDE. Sie können die neueste Version von Arduino IDE hier herunterladen und die folgenden Schritte ausführen:

Wenn die Arduino-Karte an Ihren PC angeschlossen ist, öffnen Sie "Systemsteuerung" und klicken Sie auf "Hardware und Sound". Klicken Sie dann auf "Geräte und Drucker". Suchen Sie den Namen des Ports, an den Ihre Arduino-Karte angeschlossen ist. In meinem Fall ist es "COM14", aber es kann auf Ihrem PC anders sein.
Wir müssen eine Bibliothek einbinden, um das LCD-Modul verwenden zu können. Die Bibliothek ist unten im Download-Link zusammen mit dem Code angehängt. Gehe zu Skizze> Bibliothek einschließen> .ZIP-Bibliothek hinzufügen.
Öffnen Sie nun die Arduino IDE. Stellen Sie unter Tools die Arduino-Karte auf ein Arduino / Genuino UNO.
Stellen Sie im selben Tool-Menü die Portnummer ein, die Sie in der Systemsteuerung gesehen haben.
Laden Sie den unten angehängten Code herunter und kopieren Sie ihn in Ihre IDE. Um den Code hochzuladen, klicken Sie auf die Schaltfläche zum Hochladen.

Sie können den Code herunterladen, indem Sie hier klicken.

Schritt 7: Code

Der Code ist recht einfach und gut kommentiert. Einige werden jedoch weiter unten erläutert.

1. Zu Beginn wird die Bibliothek verwendet, damit wir das LCD-Modul mit der Arduino Uno-Karte verbinden und entsprechend programmieren können. Dann werden die Pins der Arduino-Platine initialisiert, die für die Verbindung mit dem LCD-Modul verwendet werden. Anschließend werden verschiedene Variablen initialisiert, um Werte zur Laufzeit zu speichern, die später in Berechnungen verwendet werden.

#include "LiquidCrystal.h" // Bibliothek zur Schnittstelle des LCD-Moduls mit der Arduino-Karte LiquidCrystal lcd (2, 3, 4, 5, 6, 7) einschließen; // zu verwendende Pins des LCD-Moduls Float Voltage = 0.0; Float Temp = 0,0; // Variable zum Speichern des digitalen Werts des Eingangs int analog_value; // Variable zum Speichern des Analogwerts am Eingang

2. void setup ()ist eine Funktion, die nur einmal ausgeführt wird, wenn das Gerät gestartet oder die Aktivierungstaste gedrückt wird. Hier haben wir das LCD zum Starten initialisiert. Wenn das LCD startet, wird der Text „Arduino Based Digital Voltmeter“ angezeigt. In dieser Funktion wird auch die Baudrate eingestellt. Die Baudrate ist die Geschwindigkeit in Bit pro Sekunde, mit der der Arduino mit den externen Geräten kommuniziert.

void setup () {lcd.begin (16, 2); // Kommunikation mit LCD lcd.setCursor (0,0) starten; // starte den Cursor von Anfang an lcd.print ("Arduino based"); // Text in der ersten Zeile drucken lcd.setCursor (0,1); // Bewegen Sie den Cursoor in die nächste Zeile lcd.print ("Digital Voltmeter"); // Text in Verzögerung der zweiten Zeile drucken (2000); // warte zwei Sekunden}

3. void loop ()ist eine Funktion, die kontinuierlich in einer Schleife ausgeführt wird. Hier wird der Analogwert eingangsseitig gelesen. Dann wird dieser analoge Wert in eine digitale Form umgewandelt. Eine Bedingung wird angewendet und die endgültigen Messungen werden auf dem LCD-Bildschirm angezeigt

void loop () {analog_value = analogRead (A0); // Analogwert lesen temp = (analog_value * 5.0) / 1024.0; // Analogwert in digitale Spannung umkehren = temp / (0.0909); wenn (Spannung <0,1) {Spannung = 0,0; } lcd.clear (); // Löschen Sie jeglichen Text auf dem LCD lcd.setCursor (0, 0); // Bewegen Sie den Cursor auf die Ausgangsposition lcd.print ("Voltage ="); // Print Voltgae = lcd.print (Spannung); // Den endgültigen digitalen Wert der Spannung lcd.setCursor (13,1) drucken; // bewege den Cursor lcd.print ("V"); // drucke die Einheit der Spannungsverzögerung (30); // 0,3 Sekunden warten}

Anwendungen

Einige seiner Anwendungen eines digitalen Voltmeters umfassen:

Die oben hergestellte Schaltung kann verwendet werden, um verschiedene Spannungsbereiche mit hoher Präzision in jeder elektrischen Schaltung zu messen.
Wenn wir geringfügige Änderungen an der Schaltung vornehmen, kann der Mikrocontroller auch die Spannung in Wechselstromkreisen messen.