Миллиомметр с ЖК-индикатором на Arduino своими руками

У каждого радиолюбителя, инженера, разработчика есть различного рода измерительные приборы. Это могут быть как сложные многофункциональные приборы промышленного изготовления, так и простые вольтметры, амперметры, измерители емкости аккумуляторов, омметры, измерители ESR, которые собраны своими руками. Об одном из таких приборов, который пригодиться любому радиолюбителю, пойдет речь в статье (Рисунок 1).

Миллиомметер – прибор, использующийся для измерения малых сопротивлений резисторов, проводников на печатной плате, обмоток двигателя, катушек индуктивности, обмоток трансформатора, а также может использоваться для расчета длины проводов. Он имеет высокое разрешение, несвойственное обычным мультиметрам, что позволяет получать точные данные измерений в диапазоне миллиом.

Рисунок 1.	Миллиомметр с ЖК-индикатором на Arduino.

В сети Интернет можно встретить много подобных конструкций, но в статье мы рассмотрим версию прибора, которая отличается реализацией аппаратной части. В миллиомметре используется прецизионный приемник тока и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) высокого разрешения. Управление приемником тока (для выбора диапазона измерений) и АЦП осуществляет микроконтроллер (МК) на плате Arduino Nano (Рисунок 2). Полный список компонентов, примененных в приборе, приведен в Таблице 1 ниже.

Рисунок 2.	Принципиальная схема миллиомметра на Arduino.

Микросхема LT3092 представляет собой интегральный прецизионный источник тока, но в данной конструкции используется в режиме приемника тока (или источника втекающего тока). Для управления приемником тока использованы цепи на транзисторах T1, T2, T3 и резисторах R12, R13, R14. Управление транзисторами (выбор диапазона измерения) выполняет МК через микросхему ULN2003 (набор мощных составных ключей).

В качестве АЦП используется микросхема MCP3422A0. Это 18-разрядный двухканальный АЦП последовательного приближения со встроенным источником опорного напряжения и выходным интерфейсом I²C. Входные каналы АЦП являются дифференциальными, поэтому в приборе используется только один канал микросхемы (CH1+ и CH1-), который подключается к тестируемому резистору (сигналы S+ и S-). АЦП настроен на разрешение 18 бит, но, поскольку S+ всегда больше чем S-, эффективное разрешение будет 17 бит.

Чтобы уменьшить влияние сопротивления измерительных проводов (щупов) на результаты измерений, в приборе для подключения исследуемого резистора к точке измерения используются специальные тестовые зажимы Кельвина (Рисунок 3). Это 4-проводные щупы предназначенные для измерения сопротивления методом Кельвина.

Рисунок 3.	Специализированные тестовые щупы Кельвина.

Прибор имеет три диапазона измерений:

• Диапазон 0m1:  от 0.1 мОм до 12.999 Ом;
• Диапазон 1m0: от 1 мОм до 129.999 Ом;
• Диапазон 10m: от 10 мОм до 1299.99 Ом.

Выбор диапазона измерения производится одной из двух кнопок в приборе. Результаты измерений и текущий диапазон измерения отображаются на двухстрочном ЖК индикаторе (стандартный ЖК индикатор 16×2).  

Питается прибор от внешнего блока 12 В. Питание измерительных цепей, приемника тока, АЦП, ЖК индикатора осуществляется от встроенного на плату Arduino Nano регулятора напряжения 5 В.

Из-за сложности проекта не рекомендуется выполнять монтаж элементов на монтажной плате, это отнимет много времени и не исключит ошибки. Для прибора была разработана печатная плата в САПР Eagle. Внешний вид проекта печатной платы изображен на Рисунке 4. Схема и проект печатной платы доступны для скачивания в разделе загрузок. Вид готовой платы представлен на Рисунке 5. Как можно заметить (по печатной плате и по списку примененных компонентов), большинство элементов в корпусах для поверхностного монтажа, поэтому для их установки потребуется пинцет, паяльный фен или паяльник с тонким жалом.

Рисунок 4.	Проект печатной платы для миллиомметра разработан в САПР Eagle.

Рисунок 5.	Внешний вид готовой печатной платы миллиомметра на Arduino.

Таблица 1. Список примененных компонентов.

Обозначение в схеме Количество Описание, корпус C1, C2, C3, C4 4 100 нФ, 50 В, SMD 0603, X5R R1, R2, R5, R6, R7, R8, R9, R16, R17 9 4.7 кОм, 5%, SMD 0603 R3, R4, R18, R19, R20 5 470 Ом, 5%, SMD 0603 R10 1 30.9 кОм, 0.1%, SMD 0603 R11 1 31.6 кОм, 0.1%, SMD 0603 R12 1 1 Ом, 0.5%, SMD 1206 R13 1 10 Ом, 0.1%, SMD 0603 R14 1 100 Ом, 0.1%, SMD 0604 R15 1 Самовосстанавливающийся предохранитель, 250 мА, SMD 1206 D1 1 Защитный диод, SMBJ12CA-13-F D2 1 Диод Шоттки, B340LB-13-F D3, D4 2 MMBZ10VAL, SMD SOT23 IC1 1 Arduino Nano IC2 1 MCP3422A0, SMD SOIC8 IC3 1 ULN2003APWR, SMD TSSOP16 IC4 1 LT3092EST T1 1 PSMN0R9-25YLC, SMD LFPAK T2, T3 2 PMV20EN, SMD SOT23 J1, J2, J4 3 2--выводные угловые разъемы на плату J3, J5 2 4-выводные угловые разъемы на плату

Корпус

Чтобы прибор имел презентабельный вид, для него был разработан алюминиевый корпус. Необходимые файлы проекта (Inkscape), шаблоны и трафареты также доступны в разделе загрузок.

На передней панели прибора расположены кнопки управления (выбор диапазона измерения, удержание показаний), разъемы для подключения тестовых щупов и ЖК-индикатор. Внешний вид передней панели прибора и расположение на ней кнопок, разъемов и индикатора изображено на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Вариант передней панели и корпуса миллиомметра.

Подключение ЖК-индикатора, разъемов  и кнопок указано на Рисунке 7. На рисунке отмечено: 1 – печатная плата прибора, 2 – разъем внешнего питания, 3 – ЖК-индикатор, 4 –разъемы для тестовых щупов Кельвина, 5 –кнопки управления.

Рисунок 7.	Подключение кнопок управления, ЖК индикатора, тестовых щупов к разъемам на печатной плате миллиомметра.

Программная реализация

Алгоритм работы прибора и сам код довольно сложны. Необходимо установить диапазон измерения, управляя входами ULN2003 (выходы Arduino D10, D11, D12), который вместе с режимом работы (определяется состоянием кнопок) учитывается в дальнейшем. Затем выполняется считывание АЦП для расчета сопротивления и отображение значения на индикаторе.

С целью упрощения программного кода в скетче было использовано несколько библиотек, в том числе Wire.h, LiquidCrystal_I2C и библиотека для работы с EEPROM. Библиотека Wire используется для облегчения процесса обмена данными по шине I²C между Arduino, ЖК индикатором и АЦП. Частота тактового сигнала шины I²C выбрана 400 кГц. Библиотека LiquidCrystal_I2C (не предустановленная в Arduino IDE) помогает взаимодействовать с ЖК-индикатором, а библиотека EEPROM используется для доступа к энергонезависимой памяти МК, обеспечивая хранение информации о режиме работы и диапазоне измерения.

Библиотеки Wire и EEPROM предуставновлены в среде Arduino IDE, библиотеку LiquidCrystal_I2C можно установить с помощью менеджера билиотек.

Исходный код довольно громоздкий, но снабжен подробными комментариями. Тем не менее, стоит пояснить, что работа с измерительным узлом, АЦП и индикатором в исходном коде строится на основе определений, макросов и функций. Поэтому основные функции setup() и loop() содержат очень мало строк кода. Скетч доступен для скачивания в разделе загрузок.

После компиляции скетча в Arduino IDE загрузите его в плату, и, если все правильно собрано, прибор запустится (Рисунок 8).

Рисунок 8.	Работа миллиомметра, если к измерительным щупам ничего не подключено.

Если подключить к измерительным щупам резистор с сопротивлением миллиомного диапазона, то на индикаторе вы увидете значение сопротивления (Рисунок 9).

Рисунок 9.	К измерительным щупам миллиомметра подключен тестовый резистор.

Ниже вы можете посмотреть видео о работе миллиомметра.

Загрузки