SV1HAG: Κατασκευή και τα μυστικά ενός Voltmeter 0-40V DC με LED display using PIC16F876A

Το βολτόμετρο αυτό μετράει τάσεις από 0 – 40 V DC. Εμφανίζει την ένδειξη των Volt σε 4 led ( 7 segment led display κοινής καθόδου) , με δύο δεκαδικά στο τέλος π.χ. 13.72 . Χρησιμοποιώ για την κατασκευή του βολτομέτρου το pic16f876a ο οποίος έχει ADC 10bit δηλ. μετατροπή αναλογικού σήματος σε αντίστοιχο ψηφιακό σήμα των 10 bit. Τώρα τι είναι τα 10 bit , το αναφέρω αυτό γιατί έχω καταλάβει από αυτά που ακούω στις ραδιοερασιτεχνικές συχνότητες ότι πολλοί ραδιοερασιτέχνες δεν έχουν κατανοήσει τι σημαίνει 10bit , 12bit …κ.ο.κ . Οι μικροελεγκτές και γενικά ο ψηφιακός κόσμος αντιλαμβάνεται μόνο το 1 & 0 δηλ. ρεύμα και καθόλου ρεύμα αυτά είναι τα βασικά bit στο δυαδικό σύστημα το bit=1 & bit= 0. Τώρα όταν λέμε 10bit σημαίνει στο δυαδικό σύστημα ότι το ψηφιακό σήμα μπορεί να πάρει τιμές 2¹⁰ δηλαδή (2 * 2 * 2…2)=1024 διαφορετικές τιμές .Τώρα ένα άλλο παράδειγμα αν το ADC ήταν 12bit τότε έχουμε 2¹² δηλαδή (2 * 2 * 2 ….2) = 4096 διαφορετικές τιμές με άλλα λόγια θα έχουμε καλλίτερη ανάλυση με τα 12bit αντί των 10bit. Για να καταλάβετε τι σημαίνει ανάλυση θα εξηγήσω την λειτουργία του βολτομέτρου που έχω κατασκευάσει. Το βολτόμετρο αυτό το χαρακτηρίζει η ακρίβεια και η ανάλυση , η ακρίβεια της κατασκευής οφείλεται στα υλικά που θα χρησιμοποιήσουμε στον διαιρέτη τάσεως δηλ. αν οι ονομαστικές τιμές των αντιστάσεων είναι και οι πραγματικές και όσο για την ανάλυση εξαρτάται από το pic που θα χρησιμοποιήσουμε ο 16F876A έχει 10bit , πάντως η ανάλυση των 10bit είναι αρκετή δεν μας χρειάζεται μεγαλύτερη . Πρέπει να γνωρίζεται ότι όσο ανεβαίνουν τα Bit τόσο η κατασκευή μας είναι επιρρεπής σε θόρυβο και έχουμε μεγαλύτερη κατανάλωση υπολογιστικής ισχύος. Μεγαλύτερη ανάλυση θα μας χρειαζόταν αν θέλαμε να κατασκευάσουμε π.χ. ένα βολτόμετρο 1000 βολτ με ανάλυση 0,5 βολτ , με 10bit η ανάλυση θα ήταν 1000 - 0 / 1024 - 1 = 0,977 βολτ περίπου ανά ένα βολτ σε αυτήν την περίπτωση πρέπει να χρησιμοποιήσουμε π.χ. 12bit 1000 - 0 / 4096 - 1 = 0,244 βολτ πιο κάτω από το 0,5 βολτ που θέλαμε. Τώρα η ύπαρξη του διαιρέτη τάσεως είναι απαραίτητη όταν έχουμε να μετρήσουμε τάσεις πάνω από 5 βολτ για τον εξής λόγο , αν πάει τάση μεγαλύτερη των 5 βολτ στο pic τότε αυτό καταστρέφεται.

Την Zener 5.1V που βλέπεται στο σχηματικού του διαιρέτη τάσεως τοποθετείτε για προστασία στην περίπτωση που η τάση είναι μεγαλύτερη των 40 βολτ , ώστε η τάση που θα πάει στο pic να μην ξεπερνάει ποτέ τα 5,1 βολτ. Αλλά εδώ θα υπάρξει ένα πρόβλημα ακρίβειας του οργάνου με την τοποθέτηση της zener στο υψηλό κατώφλι δειγματοληψίας και τι εννοώ ο pic χρησιμοποιεί δύο τάσεις αναφοράς που τις ονομάζουμε Vref που σημαίνει voltage reference (τάση αναφοράς) και έχει δύο τάσεις αναφοράς μια για το υψηλό Vref+ και μια για το χαμηλό Vref-. Το Vref- είναι 0 βολτ και το Vref+ είναι η τάση που τροφοδοτείτε το pic Vdd =5V. Στην δικιά μου περίπτωση η τάση Vdd δηλαδή η έξοδος του LM7805 ήταν 5,07 βολτ άρα όταν θα πάει στην είσοδο του adc του pic μια τάση 5,07 βολτ από τον διαιρέτη τότε το adc = 1024 και η οθόνη των led θα γράφει με την βοήθεια του προγράμματος που έχω γράψει 40,0 βολτ .Αλλά η zener θα δημιουργήσει μια μικρή πτώση τάσεως όπως βλέπετε και στις παρακάτω φωτογραφίες.

Στην φωτογραφία αυτή βλέπετε ότι η zener δεν είναι συνδεδεμένη και στην είσοδο του διαιρέτη εισέρχονται 40 βολτ με την βοήθεια του ποτενσιόμετρου ρυθμίζω ώστε στην έξοδο του διαιρέτη να έχω τα 5,03 βολτ. Τώρα στην επόμενη φωτογραφία θα δείτε χωρίς να έχω πειράξει το ποτενσιόμετρο απλά συνδέω την zener παράλληλα με το ποτενσιόμετρο και τώρα στην έξοδο έχω 4,87 δηλαδή πτώση τάσεως 5,03 – 4,87 = 0,16 βολτ αυτά βέβαια στις ιδανικές συνθήκες του προσομοιωτή στην πραγματικότητα είναι μεγαλύτερη η πτώση τάσεως , αλλά και να κάνουμε το τέχνασμα μικραίνοντας την αντίσταση R1,2 του διαιρέτη ώστε η τάση στην zener να πλησιάσει στην ονομαστική τιμή της αυτή στην καλλίτερη περίπτωση θα είναι κάπου 4,91 βολτ.

Τώρα με τα μαθηματικά θα δούμε το πρόβλημα για τις ενδείξεις στο υψηλό κατώφλι δειγματοληψίας δηλαδή στα 40 βολτ. Όπως έγραψα παραπάνω όταν έχουμε τάση 5,07 βολτ στην έξοδο του διαιρέτη και στην έξοδο του LM7805 έχουμε 5,07 τότε το adc είναι 1024 για τα 10bit και το όργανο πρέπει να δείξει την ένδειξη 40 βολτ με την τοποθέτηση της zener έχουμε 4,87 βολτ στην έξοδο του διαιρέτη η οποία δεν ανεβαίνει με τίποτα όσο και εάν πειράξουμε το ποτενσιόμετρο , αλλά τα 4,87 βολτ είναι adc = 984 με αυτό το adc και τον αλγόριθμο που έχει το πρόγραμμα η οθόνη θα δείξει 38,3 βολτ λάθος δηλαδή αφού η τάση δειγματοληψίας είναι 40 βολτ. Πως λύνουμε αυτό το πρόβλημα υπάρχουν δύο τρόποι ο ένας είναι να αφήσουμε την zener και να μετρούμε τάσεις χαμηλότερες των 35 βολτ με άλλα λόγια ο τίτλος της κατασκευής μας αντί να λέει βολτόμετρο 0 - 40 βολτ θα λέει 0 - 35 βολτ και η άλλη περίπτωση είναι εάν δεν υπάρχει περίπτωση η δειγματοληψία να ξεπεράσει τα 40 βολτ να αφαιρέσουμε εντελώς την zener με την προϋπόθεση προτού τοποθετείστε το pic στην πλακέτα δώστε στην είσοδο του διαιρέτη ακριβώς 40 βολτ και με το ποτενσιόμετρο ρυθμίστε την έξοδο να είναι ακριβώς ίδια με την τάση εξόδου του LM7805 , την δεύτερη λύση έχω κάνει εγώ. Αφού κάνετε αυτό τότε θα έχετε βολτόμετρο ακριβείας με ανάλυση 40 βολτ - 0/ 1024 - 1 = 0,039 βολτ ή 39 mV. Πάντως αξίζει να το κατασκευάσετε και εάν προσέξτε τις παραπάνω παρατηρήσεις μου , θα έχετε ένα βολτόμετρο ακριβείας και αξιόπιστο.

Σχηματικό