Миллиомметр с 7-сегментным ЖКИ. Часть 2. Конструкция прибора

Часть 1

Разводка и фотографии плат и всего устройства

Разводка всех плат сделана автором с помощью программы Sprint Layout 6.0. Таких плат три: первая – основная плата с МК, вторая – плата сопряжения ЖКИ ИЖЦ 13-8-7 с двумя контроллерами КР1820ВГ1 и третья – миниатюрная плата для установки разъема для зарядки аккумулятора. Разводка плат всех трех плат в формате *.lay6 доступна по ссылке в разделе Загрузки.

Рисунок 4.	Плата миллиомметра: разводка (а) и внешний вид (б) платы сo стороны компонентов для поверхностного монтажа, (в) – разводка платы со стороны навесных компонентов.

На Рисунке 4 приведена разводка и фотография (перед распайкой компонентов навесного монтажа) основной платы миллиомметра. Кружками на разводке показаны места с двусторонней пропайкой. На Рисунке 5 – разводка платы с разъемом для подключения зарядного устройства. Разводка платы с ЖКИ не показана в связи с тем, что она такая же, что и в [1].

Рисунок 5.	Разводка платы с разъемом для зарядного устройства.

Конструкция прибора

По фотографии прибора в открытом корпусе размером 120×60×40 мм (Рисунок 6) можно составить представление о его внутреннем устройстве.

Рисунок 6.	Внутреннее устройство миллиомметра.

Корпус состоит из двух половин. На первой расположена лицевая сторона прибора. В ней прорезано окно для дисплея, плата которого прикручена винтами М2 к пластмассовым стойкам, приклеенным к внутренней части корпуса, и дополнительно прижата к корпусу двумя пластинами, прикрученными к штатным стойкам винтами М3. На этой же половине корпуса расположены: два измерительных разъема, к которым подключаются ответные разъемы с кабелями, соединенными с зажимами Кельвина; галетный переключатель, ручка которого выведена на лицевую поверхность корпуса; выключатель питания и светодиод. На второй половине корпуса расположена основная плата прибора. Она держится на достаточно жестких выводах транзистора, который припаян к медной пластине размером 20×15×1.5 мм, прикрученной к днищу корпуса винтом М3 впотай. Аккумулятор приклеен к днищу корпуса губчатой лентой с двусторонним липким слоем. Плата с разъемом для зарядки аккумулятора прикручена к днищу корпуса двумя винтами М2, а вывод разъема расположен на торце корпуса в просверленном для него отверстии.

Обе половины корпуса скручиваются винтами М3 впотай.

Зарядка аккумулятора прибора

Как уже упоминалось выше, для зарядки аккумулятора используется специальная плата на базе микросхемы TP4056, оборудованная разъемом microUSB для подключения к ней устройства для зарядки телефона с выходным напряжением 5 В. К выходным контактам устройства на TP4056 припаян двухпроводный кабель, а на другой его конец – ответный разъем DJK-11K (2.5×0.7-L9) – вилка на кабель (Рисунок 7). Провода в месте пайки кабеля к плате укреплены каплей термоклея. Иначе от частого изгибания кабеля провода в месте пайки могут отломиться. Этот кабель подключен к разъему зарядки прибора DJK-19S (XZ, Рисунок 3б), распаянном на небольшой плате (Рисунок 5, Рисунок 6 – справа сверху), а разъем microUSB от устройства зарядки телефона – к плате. При зарядке аккумулятора питание прибора должно быть выключено, а зарядка для телефона подключена к сети. При правильном подключении на плате включится красный светодиод, и начнется зарядка аккумулятора. По завершении (когда аккумулятор зарядится до напряжения 4.2 В) красный светодиод погаснет, и включится синий, сигнализируя о конце зарядки. Здесь следует заметить, что на плате с TP4056 по умолчанию установлено максимальное значение зарядного тока в 1 А. Такой ток обеспечивают далеко не все зарядные устройства для телефона. Кроме того, при токе 1 А плата с TP4056 достаточно сильно нагревается и может выйти из строя от перегрева. Поэтому, если использовать зарядку для телефона (или, например, для зарядки аккумуляторов IQOS), обеспечивающую ток 1 А (или более), то плату необходимо установить на радиатор. Автор использовал игольчатый радиатор с площадью поверхности около 70 см². Плата приклеена к радиатору гибкой термопрокладкой с двусторонним липким слоем (она белого цвета на Рисунке 7). Если же зарядка для телефона обеспечивает ток не более 0.5 А, то радиатор не нужен, т.к. в этом случае нагрев платы небольшой; правда, время зарядки аккумулятора будет существенно больше.

Рисунок 7.	Зарядка аккумулятора прибора.

Программные средства и управление работой прибора

Метод передискретизации и осреднения для увеличения разрешающий способности 14-разрядного SAR-АЦП (встроенного в МК EFM8LB12), используемый для измерений необходимых напряжений в миллиомметре, подробно описан в [1], поэтому описывать его здесь еще раз, на взгляд автора, нет смысла. Вывод информации на ЖКИ ИЖЦ 13-8-7 также подробно описан в [1], поэтому здесь не приводится. Формула (8) для расчета измеряемого резистора RX примитивно проста, и запрограммировать ее в МК не составляет большого труда. Поэтому ниже будет описана только суть работы подпрограмм, используемых в миллиомметре, и способ их запуска.

Таких подпрограмм три: первая – подпрограмма калибровки полной шкалы АЦП МК, вторая – подпрограмма установки нуля прибора на выбранном диапазоне, третья – подпрограмма штатной работы прибора. Кроме того, в миллиомметре используется еще одна подпрограмма – для индикации уровня зарядки аккумулятора, или, другими словами, степени его разряженности.

Подпрограмма калибровки полной шкалы АЦП может быть запущена только при открытом корпусе прибора (Рисунок 6). Эту подпрограмму требуется запустить всего один раз, перед тем как корпус прибора будет закрыт.

Для запуска подпрограммы калибровки полной шкалы АЦП необходимо:

1. Снять с разъема XD/RS (Рисунок 2) ответный разъем кабеля.
2. Подключить к контактам 1-3 разъема XD/RS 3-контактную перемычку – ответный разъем с соединенными тремя контактами между собой.
3. Снять 2-контактную перемычку (джампер) с контактов разъема XR3Vref.
4. Соединить контакт 2 разъема XR3Vref с контактом одноконтактнoго разъема XRef. Для этого необходимо изготовить однопроводный кабель с двумя ответными контактами (гнездами) на его концах.
5. Включить питание прибора.

Подпрограмма измерит опорное напряжение V_REF в безразмерном виде, т.е. АЦП покажет значение близкое к 1 (например, у одного экземпляра МК это значение было равно 0.9998). Далее вычислится обратное значение (в данном случае оно будет равно 1/0.9998 ≈ 1.0002), которое в виде коэффициента К запишется во флэш-память МК (К = 1.0002) и прочитается из нее. Далее будет произведено повторное измерение напряжения, которое будет умножено на К и выведено на дисплей. Показание на дисплее должно быть: «1.0000». Если на дисплее получено такое показание, то это будет означать, что калибровка полной шкалы произведена правильно. В противном случае необходимо произвести калибровку заново, выключив и включив питание прибора.

После калибровки полной шкалы необходимо вернуть все разъемы в первоначальное состояние, и закрыть корпус прибора. На этом калибровка полной шкалы заканчивается.

Подпрограмма установки нуля для каждого диапазона измерений

Запуск этой подпрограммы необходимо проводить в следующей последовательности.

1. Подключить к прибору штекеры от зажимов и соединить их измерительные контакты между собой.
2. Не включая питания, нажать кнопку и, не отпуская ее, включить питание. Далее кнопку отпустить. Подпрограмма прочитает из флэш-памяти коэффициент К, полученный при калибровке полной шкалы АЦП, и с учетом этого коэффициента произведет измерение сопротивления (в данном случае это сопротивление равно нулю). Результат будет выведен на дисплей. Показания должны быть нулевые на каждом диапазоне. Подпрограмма вычислит разницу между нулем и измеренным сопротивлением, запишет эту разницу в виде коэффициента (К0 – для первого диапазона, К1 – для второго и К2 – для третьего).
3. Выключить питание, и включить его заново. Затем нажать и отпустить кнопку. Программа прочитает из флэш-памяти записанные ранее коэффициенты (К, К0, К1 и К2), измерит сопротивление (нулевое, т.к. зажимы закорочены) и с учетом коэффициентов выведет результат на экран дисплея. Показания прибора также должны быть нулевыми. В противном случае необходимо произвести повторно установку нуля (п. 2). Во время измерения кратковременно (не более секунды) загорится и погаснет светодиод.
4. Произвести установку нуля на всех трех диапазонах.

На этом установка нуля прибора заканчивается.

Измерение сопротивления резисторов в штатном режиме работы

1. Подключить измеряемый резистор к зажимам.
2. Установить нужный диапазон измерения.
3. Включить питание прибора.
4. Нажать и отпустить кнопку.

Программа прочитает из флэш-памяти записанные ранее коэффициенты (К, К0, К1 и К2), измерит сопротивление подключенного резистора и с учетом коэффициентов выведет результат на экран дисплея. Во время измерения кратковременно (не более секунды) загорится светодиод, который затем погаснет, а показания останутся на дисплее.

Подпрограмма для индикации уровня зарядки аккумулятора работает следующим образом.

Максимальное напряжение, до которого заряжается аккумулятор, как было упомянуто выше, составляет 4.2 В. Минимально допустимое напряжение, при котором аккумулятор функционирует в штатном режиме, составляет 2.7 В. Разница между этими двумя напряжениями составляет: 4.2 В – 2.7 В = 1.5 В. Если разделить эту разницу на 3 части, то получим 0.5 В. В соответствии с этим можно найти 3 граничных напряжения, определяющие степень заряженности аккумулятора: 2.7 В, 3.2 В и 3.7 В.

Для определения выходного напряжения аккумулятора (назовем его U_БАТ), как было указано выше (см. Рисунок 2), это напряжение (сниженное в 2 раза делителем R15-R16) подается на вход канала 1 АЦП МК (ADC0.1 – сигнал ADCIN_Vp). Индикация степени зарядки аккумулятора осуществляется на дисплее с помощью отдельного окна. В этом окне (справа) индицируется 1 разряд дисплея, состоящий из трех горизонтальных сегментов. Подпрограмма измеряет напряжение U_БАТ, и, если U_БАТ ⩽ 2.7 В, то индицируется «пустой» аккумулятор (ни один из сегментов не «горит»), если 2.7 В < U_БАТ ⩽ 3.2 В, то индицируется один нижний сегмент, если 3.2 В < U_БАТ ⩽ 3.7 В – два сегмента (нижний и средний), если U_БАТ > 3.7 В – все три сегмента. Если для измерения напряжений U_OUT и U_RОБР, использующихся в расчете значения измеряемого резистора R_X по формуле (8), производится 64-кратное осреднение результатов 1024 показаний АЦП (осредненных с децимацией), то для измерения значения U_БАТ производится 8-кратное осреднение. Это сделано в связи с тем, что высокая точность измерения U_БАТ не нужна, а 8-кратное осреднение требует в 8 раз меньше времени (т.е. почти на порядок), чем 64-кратное. А это дополнительное время, которое входит в общее время прохождения большого тока (0.5 А). Поэтому оно и снижено в 8 раз, чтобы аккумулятор меньше разряжался.

Здесь следует заметить, что если время измерения R_X не превышает 1 секунды, т.е. каждое измерение требует 0.5 А·с, то аккумулятора емкостью 3 А·ч (3600 А·с×3 = 10800 А·с) хватит на 10800 А·с /0.5 A·с = 21600 (≈ 20000) измерений до полного разряда аккумулятора.

Потребление тока миллиомметром только при индикации показаний составляет около 15 мА, т.е. существенно меньше, чем во время измерения (500 мА). Также следует отметить, что потребление тока только в режиме индикации для миллиомметра (15 мА) в 3 раза выше, чем потребление тока вольтметром (5 мА), описанным в [1]. Утроенное потребление тока – следствие учетверенной тактовой частоты процессора МК (72 МГц в миллиомметре против 18 МГц – в вольтметре [1]). Однако учетверение тактовой частоты процессора МК снизило время измерения (когда протекает ток 0.5 А) до 1 секунды (при частоте 18 МГц это время составляет 3 секунды). Здесь, на взгляд автора, комментарии излишни.

Программа для МК миллиомметра в уже готовом загрузочном *.hex-формате доступна по ссылке в разделе Загрузки.

Результаты измерений

Для проверки работоспособности прибора автор подобрал несколько однопроцентных резисторов разного номинала и два шунта (класса 0.5). Результаты измерений показаны на Рисунках 8-10, в подрисуночных подписях к которым указаны номиналы резисторов и шунтов.

Рисунок 8.	Измерения (первый диапазон) сопротивлений резисторов номиналом: (a) – 5.11 Ом 1% (С2-29В-1), (б) – 0.15 Ом 1% (С5-16МВ 1 Вт).

Проведя эксперименты по измерению сопротивлений и увидев их результаты (Рисунки 8-10), автор, признаться, был несколько изумлен. Конечно, предполагалось, что прибор, по идее, должен измерять подобные сопротивления, но откуда взялись такая невероятная чувствительность и достаточно приемлемая точность, особенно при измерении сопротивлений шунтов (Рисунок 10)?

Рисунок 9.	Измерения (второй диапазон) сопротивлений резисторов номиналом: (а) – 0.1 Ом 1% (KNP300), (б) – 0.01 Ом 1% (SMD 2512).

Если судить о погрешностях результатов измерений, то, учитывая формулу (8), можно прийти к выводу, что сопротивление измеряемого резистора R_X зависит от четырех параметров: от результатов измерений двух напряжений U_OUT и U_RОБР, от коэффициента усиления ИУ G и номинала R_ОБР. Если не учитывать погрешности измерений напряжений U_OUT и U_RОБР, то остаются 2 параметра: G и R_ОБР. Как следует из справочного листка на ИУ INA333, типовая (максимальная) погрешность установки коэффициента G при G = 1 составляет 0.01% (0.1%), при G = 10 – 0.05% (0.25%), при G = 100 – 0.07% (0.25%). Установка коэффициента G осуществляется резисторами R6 и R7 (Рисунок 2), имеющими погрешность 0.1%. Сопротивление образцового резистора R_ОБР было измерено более точным прибором, с погрешностью около 0.1%. Если принять среднее значение погрешности установки коэффициента G равной δG = 0.1% и сложить ее с погрешностями δ(R6/R7) = 0.1% и δR_ОБР » 0.1%, то получим, что осредненная погрешность измерения прибором сопротивления R_X будет равна: δR_X = δG + δ(R6/R7) + δR_ОБР ≈ 0.3%. Но даже если принять максимальную погрешность δG = 0.25%, δR_ОБР = 0.5% и δ(R6/R7) = 0.1%, то получим δR_X = 0.85%, т.е. не более 1%, причем на всех трех диапазонах.

Рисунок 10.	Измерения (третий диапазон) сопротивлений резисторов номиналом: (а) – 0.005 Ом 1% (SMD 2512), (б) – 1 мОм 0.5% (шунт 75ШСMM3-75-0.5 – 75А, 75 мВ, класс 0.5), (в) – 0.5 мОм 0.5% (шунт 75ШСМТ2 – 150 А, 75 мВ, класс 0.5).

На основе вышеприведенных рассуждений можно сделать вывод, что погрешность δR_X лежит где-то посредине между 0.3% и 0.85%. С другой стороны, если посмотреть на результаты некоторых измерений, которые вообще в точности показали номинал (Рисунки 8б, 9б и 10б), т.е. практически нулевую погрешность, то можно заключить, что погрешность, похоже, даже меньше, чем 0.3%. Здесь следует заметить, что совпадение измеренных миллиомметром значений с номиналами резисторов и шунта, скорее всего, чисто случайно, поскольку как резисторы, так и шунт имеют свои погрешности (1% и 0.5%, соответственно), и при измерении эти погрешности могли просто скомпенсироваться с погрешностями прибора. Однако этот факт еще раз подтверждает, что измерения малых сопротивлений прибором достаточно адекватны. Конечно, хорошо бы измерить сопротивления тех же резисторов, что приведены на Рисунках 8–10, более точным прибором, но, к сожалению, у автора подобного прибора нет. А если бы был, возможно, не было бы описанного миллиомметра (и, вероятно, самой статьи).

Заключение

В заключение хотелось бы отметить достаточно приличную точность измерения прибором малых сопротивлений. Простота схем и, в связи с этим, несложная разводка плат и их малый размер позволили расположить прибор в небольшом корпусе и, кроме того, определили возможность его легкого повторения. Стоимость всех комплектующих прибора, по подсчетам автора, не превышает 10$.

Литература

1. Кузьминов А. Цифровой вольтметр с повышенной разрешающей способностью.
2. Кузьминов А. Ю. Связь между компьютером и микроконтроллером. Современные аппаратные и программные средства. М.: «Перо». 2018.
3. Кузьминов А. Программирование микроконтроллеров EFM8 с помощью встроенного загрузчика программ. Радио. 2018. № 12.

Материалы по теме

1. Datasheet Silicon Labs EFM8LB12
2. Datasheet Texas Instruments INA333
3. Datasheet Texas Instruments OPA334
4. Datasheet Texas Instruments REF3125
5. Datasheet STMicroelectronics STD30PF03

Загрузки

1. Дополнительные материалы к статье