Làm thế nào để tạo một vôn kế DC kỹ thuật số bằng Arduino?

Vôn kế là một thiết bị đo điện áp được sử dụng để đo hiệu điện thế trên một số điểm nhất định trong mạch điện. Hiệu điện thế là hiệu điện thế được tạo ra giữa hai điểm trong một mạch điện. Có hai loại vôn kế. Một số vôn kế được thiết kế để đo điện áp của mạch DC và các vôn kế khác dùng để đo điện áp trong mạch xoay chiều. Các vôn kế này được đặc trưng thành hai loại. Một là vôn kế kỹ thuật số hiển thị các phép đo trên màn hình kỹ thuật số và một là vôn kế tương tự sử dụng kim chỉ trên thang đo để hiển thị cho chúng ta số đọc chính xác.

Trong dự án này, chúng tôi sẽ tạo một vôn kế bằng Arduino Uno. Chúng tôi sẽ giải thích hai cấu hình của vôn kế kỹ thuật số trong bài viết này. Trong cấu hình đầu tiên, vi điều khiển sẽ có thể đo điện áp trong khoảng 0 - 5V. Trong cấu hình thứ hai, bộ vi điều khiển sẽ có thể đo điện áp trong khoảng 0 - 50V.

Làm thế nào để tạo ra một vôn kế kỹ thuật số?

Như chúng ta biết rằng có hai loại vôn kế, vôn kế tương tự và vôn kế kỹ thuật số. Có một số loại vôn kế Analog khác dựa trên cấu tạo của thiết bị. Một số loại này bao gồm Vôn kế cuộn dây nam châm vĩnh cửu, Vôn kế loại chỉnh lưu, Vôn kế loại sắt di chuyển, v.v. Mục đích chính của việc giới thiệu Vôn kế kỹ thuật số trên thị trường là do xác suất sai số cao hơn trong các vôn kế tương tự. Không giống như vôn kế tương tự, sử dụng kim và thang đo, vôn kế kỹ thuật số hiển thị số đọc trực tiếp bằng chữ số trên màn hình. Điều này loại bỏ khả năng Không có lỗi. Tỷ lệ sai số giảm từ 5% đến 1% khi chúng tôi chuyển từ vôn kế tương tự sang vôn kế kỹ thuật số.

Bây giờ khi chúng ta biết phần tóm tắt của dự án này, chúng ta hãy thu thập thêm một số thông tin và bắt đầu tạo một vôn kế kỹ thuật số bằng Arduino Uno.

Bước 1: Thu thập các thành phần

Cách tiếp cận tốt nhất để bắt đầu bất kỳ dự án nào là lập danh sách các thành phần và nghiên cứu ngắn gọn về các thành phần này vì sẽ không ai muốn mắc kẹt ở giữa dự án chỉ vì thiếu một thành phần. Dưới đây là danh sách các thành phần mà chúng tôi sẽ sử dụng trong dự án này:

Bước 2: Nghiên cứu các thành phần

Arduino UNO là một bảng vi điều khiển bao gồm một vi mạch ATMega 328P và được phát triển bởi Arduino.cc. Bo mạch này có một tập hợp các chân dữ liệu kỹ thuật số và tương tự có thể được giao tiếp với các bảng hoặc mạch mở rộng khác. Bo mạch này có 14 chân Digital, 6 chân Analog và có thể lập trình với Arduino IDE (Môi trường phát triển tích hợp) thông qua cáp USB loại B. Nó yêu cầu 5V để cấp nguồn TRÊN và một Mã Cvận hành.

Màn hình LCD được nhìn thấy trong mọi thiết bị điện tử phải hiển thị một số văn bản hoặc chữ số hoặc bất kỳ hình ảnh nào cho người dùng. Màn hình LCD là một mô-đun hiển thị, trong đó tinh thể lỏng được sử dụng để tạo ra hình ảnh hoặc văn bản có thể nhìn thấy được. A Màn hình LCD 16 × 2là một mô-đun điện tử rất đơn giản, hiển thị 16 ký tự trên mỗi dòng và tổng cộng hai dòng trên màn hình của nó cùng một lúc. Ma trận 5 × 7 pixel được sử dụng để hiển thị một ký tự trong các màn hình LCD này.

A Breadboardlà một thiết bị không hàn. Nó được sử dụng để chế tạo và thử nghiệm các thiết kế và mạch điện tử nguyên mẫu tạm thời. Hầu hết các thành phần điện tử được kết nối đơn giản với một breadboard chỉ bằng cách cắm các chân của chúng vào breadboard. Một dải kim loại được đặt xuống các lỗ của breadboard và các lỗ được kết nối theo một cách cụ thể. Các kết nối của các lỗ được hiển thị trong sơ đồ dưới đây:

Bước 3: Sơ đồ mạch

Mạch đầu tiên có dải đo từ 0 đến 5V được hiển thị dưới đây:

Mạch thứ hai có dải đo từ 0 đến 50V được hiển thị dưới đây:

Bước 4: Nguyên tắc làm việc

Hoạt động của dự án vôn kế DC kỹ thuật số dựa trên Arduino này được giải thích ở đây. Trong vôn kế kỹ thuật số, điện áp được đo ở dạng tương tự sẽ được chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số tương ứng của nó bằng Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số.

Trong mạch đầu tiên có dải đo từ 0 đến 5V, đầu vào sẽ được lấy trên chân Analog0. Chân tương tự sẽ đọc bất kỳ giá trị nào từ 0 đến 1024. Sau đó, giá trị tương tự này sẽ được chuyển đổi thành kỹ thuật số bằng cách nhân nó với tổng điện áp, là 5V và chia cho tổng độ phân giải, là 1024.

Trong mạch thứ hai, vì phạm vi được tăng từ 5V lên 50V, nên cấu hình bộ chia điện áp phải được thực hiện. Mạch phân áp được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trở 10k-ohm và 100k-ohm. Cấu hình bộ chia điện áp này giúp chúng tôi đưa điện áp đầu vào đến phạm vi đầu vào tương tự của Arduino Uno.

Tất cả các phép tính toán học được thực hiện trong lập trình của Arduino Uno.

Bước 5: Lắp ráp các thành phần

Kết nối của mô-đun LCD với bảng Arduino Uno là giống nhau trong cả hai mạch. Sự khác biệt duy nhất là trong mạch đầu tiên, phạm vi đầu vào thấp, vì vậy nó được gửi trực tiếp đến chân analog của Arduino. Trong mạch thứ hai, cấu hình bộ chia điện áp được sử dụng ở phía đầu vào của bảng Vi điều khiển.

Kết nối chân Vss và Vdd của mô-đun LCD với mặt đất và 5V của bảng Arduino tương ứng. Chân Vee là chân được sử dụng để điều chỉnh các ràng buộc của màn hình. Nó được kết nối với chiết áp có một chân được kết nối với 5V và chân kia được kết nối với đất.
Kết nối chân RS và chân E của mô-đun LCD với chân 2 và chân 3 của bảng Arduino tương ứng. Chân RW của màn hình LCD được kết nối với đất.
Vì chúng ta sẽ sử dụng mô-đun LCD ở chế độ dữ liệu 4 bit, vì vậy bốn chân D4 đến D7 của nó được sử dụng. Các chân D4-D7 của mô-đun LCD được kết nối với chân 4-pin7 của bảng vi điều khiển.
Trong mạch đầu tiên, không có mạch bổ sung ở phía đầu vào vì điện áp tối đa cần đo là 5V. Trong mạch thứ hai, vì phạm vi đo là từ 0-50V, cấu hình bộ chia điện áp được thực hiện bằng cách sử dụng điện trở 10k ohm và 100k ohm. Cần phải lưu ý rằng tất cả các cơ sở là chung.

Bước 6: Bắt đầu với Arduino

Nếu bạn chưa quen với Arduino IDE trước đây, đừng lo lắng vì dưới đây, bạn có thể xem các bước ghi mã rõ ràng trên bảng vi điều khiển bằng Arduino IDE. Bạn có thể tải xuống phiên bản Arduino IDE mới nhất từ đây và làm theo các bước được đề cập bên dưới:

Khi bảng Arduino được kết nối với PC của bạn, hãy mở “Bảng điều khiển” và nhấp vào “Phần cứng và Âm thanh”. Sau đó nhấp vào “Thiết bị và Máy in”. Tìm tên của cổng mà bảng Arduino của bạn được kết nối. Trong trường hợp của tôi, nó là “COM14” nhưng nó có thể khác trên PC của bạn.
Chúng tôi sẽ phải bao gồm một thư viện để sử dụng Mô-đun LCD. Thư viện được đính kèm bên dưới trong liên kết tải xuống cùng với mã. Đi đến Phác thảo> Bao gồm Thư viện> Thêm Thư viện .ZIP.
Bây giờ hãy mở Arduino IDE. Từ Công cụ, đặt bảng Arduino thành Arduino / Genuino UNO.
Từ cùng một menu Công cụ, hãy đặt số cổng mà bạn đã thấy trong bảng điều khiển.
Tải xuống mã được đính kèm bên dưới và sao chép nó vào IDE của bạn. Để tải mã lên, hãy nhấp vào nút tải lên.

Bạn có thể tải xuống mã bằng cách nhấp vào đây.

Bước 7: Mã

Mã này khá đơn giản và được bình luận tốt. Nhưng vẫn còn, một số nó được giải thích dưới đây.

1. Khi bắt đầu, thư viện được sử dụng để chúng ta có thể giao tiếp mô-đun LCD với bảng Arduino Uno và lập trình nó cho phù hợp. Chân của bảng Arduino được khởi tạo sẽ được sử dụng để kết nối với mô-đun LCD. Sau đó, các biến khác nhau được khởi tạo để lưu trữ các giá trị trong thời gian chạy sẽ được sử dụng sau này trong tính toán.

#include "LiquidCrystal.h" // bao gồm thư viện để giao diện mô-đun LCD với bo mạch Arduino LiquidCrystal lcd (2, 3, 4, 5, 6, 7); // chân của mô-đun LCD được sử dụng float điện áp = 0.0; float temp = 0.0; // biến để lưu trữ vaue kỹ thuật số của đầu vào int analog_value; // biến để lưu trữ giá trị tương tự ở đầu vào

2. void setup ()là chức năng chỉ chạy một lần khi thiết bị khởi động hoặc nhấn nút bật. Ở đây chúng ta đã khởi tạo màn hình LCD để bắt đầu. Khi màn hình LCD khởi động, dòng chữ “Vôn kế kỹ thuật số dựa trên Arduino” sẽ được hiển thị. Tốc độ Baud cũng được thiết lập trong chức năng này. Tốc độ Baud là tốc độ tính bằng bit trên giây mà Arduino giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.

void setup () {lcd.begin (16, 2); // bắt đầu giao tiếp với LCD lcd.setCursor (0,0); // khởi động con trỏ từ đầu lcd.print ("Arduino based"); // In văn bản ở dòng đầu tiên lcd.setCursor (0,1); // Di chuyển con trỏ tới dòng tiếp theo lcd.print ("Vôn kế kỹ thuật số"); // in văn bản ở dòng thứ hai delay (2000); // đợi hai giây}

3. void loop ()là một hàm chạy liên tục trong một vòng lặp. Ở đây giá trị tương tự đang được đọc ở phía đầu vào. Sau đó giá trị tương tự này được chuyển sang dạng kỹ thuật số. Một điều kiện được áp dụng và các phép đo cuối cùng được hiển thị trên màn hình LCD

void loop () {analog_value = analogRead (A0); // Đọc giá trị tương tự temp = (analog_value * 5.0) / 1024.0; // đảo ngược giá trị tương tự trong điện áp kỹ thuật số = temp / (0.0909); if (điện áp <0,1) {điện áp = 0,0; } lcd.clear (); // Xóa bất kỳ văn bản nào trên LCD lcd.setCursor (0, 0); // Di chuyển con trỏ đến vị trí ban đầu lcd.print ("Voltage ="); // In ra Voltgae = lcd.print (áp); // In giá trị số cuối cùng của áp lcd.setCursor (13,1); // di chuyển con trỏ lcd.print ("V"); // in ra đơn vị của độ trễ điện áp (30); // đợi trong 0,3 giây}

Các ứng dụng

Một số ứng dụng của vôn kế kỹ thuật số bao gồm:

Mạch được làm ở trên có thể được sử dụng để đo các dải điện áp khác nhau với độ chính xác cao trong bất kỳ mạch điện nào.
Nếu chúng ta thực hiện những thay đổi nhỏ trong mạch, Bộ vi điều khiển cũng sẽ có thể đo điện áp trong mạch xoay chiều.