Датчик тока DIY для Arduino: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Здравствуйте, надеюсь, у вас все хорошо, и в этом уроке я покажу вам, как я сделал датчик тока для Arduino, используя некоторые очень простые электронные компоненты и самодельный шунт. Этот шунт легко справляется с током большой величины, порядка 10-15 ампер. Точность также довольно хороша, и я смог получить очень приличные результаты при измерении малых токов около 100 мА.

Запасы

1. Arduino Uno или аналог и провод для программирования
2. OP- Усилитель LM358
3. Провода перемычки
4. Резистор 100 кОм
5. Резистор 220 кОм
6. Резистор 10 кОм
7. Плата Veroboard или Zero PCB
8. Шунт (от 8 до 10 миллиом)

Шаг 1: Сбор необходимых деталей

Основные детали, которые вам понадобятся для этой сборки, - это шунт вместе с ИС операционного усилителя. Для моего приложения я использую IC LM358, который представляет собой двойной 8-контактный DIP IC OP-AMP, из которого я использую только один операционный усилитель. Вам также понадобятся резисторы для схемы неинвертирующего усилителя. В качестве сопротивления я выбрал 320К и 10К. Выбор сопротивления полностью зависит от величины усиления, которую вы хотите получить. Теперь OP-AMP питается от 5 вольт от Arduino. Поэтому нам нужно убедиться, что выходное напряжение OP-AMP, когда полный ток проходит через шунт, должно быть меньше 5 вольт, предпочтительно 4 вольт, чтобы сохранить некоторую погрешность. Если мы выберем очень высокий коэффициент усиления, тогда для более низкого значения тока OP-AMP перейдет в область насыщения и будет выдавать только 5 вольт сверх любого текущего значения. Поэтому не забудьте правильно выбрать значение усиления усилителя. Вам также потребуется прототип печатной платы или макетной платы, чтобы опробовать эту схему. Для микроконтроллера я использую Arduino UNO для получения входного сигнала с выхода усилителя. Вы можете выбрать любую эквивалентную плату Arduino.

Шаг 2: изготовление собственного шунтирующего резистора

Основное ядро проекта - шунтирующий резистор, используемый для обеспечения небольшого падения напряжения. Вы можете легко сделать этот шунт без особых хлопот. Если у вас толстая прочная стальная проволока, вы можете отрезать ее достаточной длины и использовать в качестве шунта. Другой альтернативой этому является восстановление шунтирующих резисторов от старых или поврежденных мультиметров, как показано здесь. Диапазон тока, который вы хотите измерить, во многом зависит от номинала шунтирующего резистора. Обычно вы можете использовать шунты с сопротивлением от 8 до 10 миллиом.

Шаг 3: Принципиальная схема проекта

Вот краткое изложение всей теории, а также принципиальная схема модуля датчика тока, показывающая реализацию неинвертирующей конфигурации OP-AMP, обеспечивающей необходимое усиление. Я также подключил конденсатор 0,1 мкФ на выходе OP-AMP, чтобы сгладить выходное напряжение и уменьшить любой высокочастотный шум, если он может возникнуть.

Шаг 4. Собираем все вместе…

Теперь, наконец, пришло время сделать текущий модуль датчика из этих компонентов. Для этого я вырезал небольшой кусок верёвочного картона и расположил свои компоненты таким образом, чтобы можно было избежать использования каких-либо перемычек или соединителей, а всю схему можно было соединить с помощью прямых паяных соединений. Для подключения нагрузки через шунт я использовал винтовые клеммы, которые делают соединения намного более аккуратными и в то же время значительно упрощают переключение / замену различных нагрузок, для которых я хочу измерить ток. Убедитесь, что вы выбрали винтовые клеммы хорошего качества, которые способны выдерживать большие токи. Я приложил несколько изображений процесса пайки, и, как вы можете видеть, следы припоя хорошо видны без использования перемычек или соединителей. Это сделало мой модуль еще более долговечным. Чтобы дать вам представление о том, насколько мал этот модуль, я сохранил его вместе с индийской монетой в 2 рупии, и размер почти сопоставим. Этот небольшой размер позволяет легко разместить этот модуль в своих проектах. Если вы можете использовать компоненты SMD, размер можно даже уменьшить.

Шаг 5: Калибровка датчика для получения правильных показаний

После построения всего модуля следует небольшая сложная часть, калибровка или, скорее, создание необходимого кода для измерения правильного значения тока. Теперь, по сути, мы умножаем падение напряжения на шунте, чтобы получить усиленное напряжение, достаточно высокое для регистрации функции Arduino analogRead (). Теперь, когда сопротивление остается постоянным, выходное напряжение линейно зависит от величины тока, проходящего через шунт. Самый простой способ откалибровать этот модуль - использовать настоящий мультиметр для расчета значения тока, проходящего через заданную цепь. Обратите внимание на это значение тока, используя Arduino и функцию последовательного монитора, посмотрите, какое аналоговое значение приходит (от 0 до 1023. Используйте переменную как тип данных с плавающей запятой, чтобы получить лучшие значения). Теперь мы можем умножить это аналоговое значение на константу, чтобы получить желаемое значение тока, и, поскольку соотношение между напряжением и током является линейным, эта константа будет почти одинаковой для всего диапазона тока, хотя вам, возможно, придется сделать некоторые незначительные корректировки позже. Вы можете попробовать с 4-5 известными текущими значениями, чтобы получить постоянное значение. Я буду упоминать код, который я использовал для этой демонстрации.

Шаг 6: окончательные выводы

Этот датчик тока довольно хорошо работает в большинстве приложений с питанием от постоянного тока и имеет погрешность менее 70 мА при правильной калибровке. Несмотря на некоторые ограничения этой конструкции, при очень низких или очень высоких токах отклонение от фактического значения становится значительным. Поэтому для граничных случаев необходима некоторая модификация кода. Одна альтернатива - использовать инструментальный усилитель, который имеет точную схему для усиления очень малых напряжений и может также использоваться в цепи высокого напряжения. Также схема может быть улучшена за счет использования более совершенного малошумящего OP-AMP. Для моего приложения он работает хорошо и дает повторяемый результат. Я планирую сделать ваттметр, в котором я буду использовать эту систему измерения тока шунта. Надеюсь, вам понравилась эта сборка.