Схемы мультиметра с компьютерным управлением

Во время выбора конфигурации измерительной цепи через установку реле происходит выбор необходимых коэффициентов и переменных для получения итогового значения, которое впоследствии в виде текстовой строки будет отправлено в последовательный порт и считано управляющей программой.

Значение вычисляется по формуле, описанной в пункте 3.2.2, далее в зависимости от режима работы мультиметра к нему добавляются единицы измерения: ампер или вольт. В конце в зависимости от значений, полученных от модуля детектора к нему возможно добавление знака «-», положительный знак не ставится.

4.2.5 Интерфейс программы управления

Интерфейс программы управления при первоначальном запуске представлен на Рис. 40.

Рис. 40. Интерфейс программы без выбора режима измерения

Для того, чтобы программа начала показывать данные и диапазоны измерений, необходимым условием является выбор между амперметром или вольтметром, а также между постоянным или переменным напряжением. Далее, в зависимости от того, что именно было выбрано появляются диапазоны измерений. Интерфейс программы в режиме работы «вольтметр» показан на Рис. 41, интерфейс программы в режиме работы «амперметр» показан на Рис. 42.

Рис. 41. Интерфейс программы в режиме работы «вольтметр»

Рис. 42. Интерфейс программы в режиме работы «амперметр»

5. Точность разработанного мультиметра

Одна из главных характеристик измерительного прибора -- точность измерений. Она определяется прежде всего принципом работы прибора и его конструкцией. В структуре разработанного мультиметра есть аналого-цифровой преобразователь -- АЦП. Данные, получаемые с АЦП -- целые числа, находящиеся в диапазоне от 0 до 1023. Отсюда следует, что эти данные передаются с абсолютной погрешностью в единицу и относительной погрешностью равной 1/1023 ? 0,001 или 0,1 %. Эта погрешность имеет принципиальный характер, она неустранима.

Второй источник погрешностей -- неточности в номиналах элементов электронной схемы, прежде всего резисторов и конденсаторов, которые приведут к расхождению между результатами вычислений каких-либо величин (например, потенциалов в конкретных точках схемы) по формулам и реальными их значениями. Погрешности этого рода в принципе могут быть устранены калибровкой прибора и введением корректирующих коэффициентов в управляющие программы.

6. Методика проверки разработанного устройства

Для того, чтобы проверить разработанное устройство, необходимо разработать методику, которая бы позволяла производить проверку не только разработчику, но и любому пользователю.

6.1 Методика проверки схемы преобразователя входного напряжения

Так как общая схема разделена на модули, проверка схемы преобразователя входного напряжения будет производиться отдельно по каждому.

6.1.1 Методика проверки релейного модуля

Для того, чтобы проверить релейный модуль, необходимо проводить проверку реле попарно. Для этого управляющие выходы двух реле подключаются ко 2 и 3 цифровым выводам на плате Arduino UNO. Обычным мультиметром в режиме прозвонки проверяются состояния каждого реле: необходимо найти вывод, называемый нормально замкнутым положением реле. При его нахождении мультиметр издаст звуковой сигнал.

Далее, с помощью Arduino IDE, в микроконтроллер загружается программа, представленная в приложении 5. С помощью Proсessing IDE запускается скетч управляющей программы, представленный в приложении 6. При нажатии на интерфейсную кнопку в управляющей программе «Перещёлкнуть реле», одно из реле издаст звуковой сигнал. Сначала мультиметром проверяется реле, подключенное ко 2 цифровому выводу (должно переключиться, в следствии чего, звуковой сигнал будет на том выходе, на котором его ранее не было), затем к 3 (не переключается). При нажатии на интерфейсную кнопку в управляющей программе «Выключить реле», реле, подключённое ко 2 цифровому выводу и к 3, должны поменять свои состояния на противоположные тем, что были описаны при нажатии на интерфейсную кнопку «Перещёлкнуть реле».

Если описанные условия выполняются -- реле работают правильно, следовательно, и можно приступать к проверке следующей пары реле.

6.1.2 Методика проверки основного модуля

Для проверки основного модуля необходимо соединить его с платой реле, как показано на Рис. 37, а также с платой инвертирования (для подачи питания на операционные усилители). В микроконтроллер загружается программа из приложения 3, на компьютере с помощью Proсessing IDE запускается управляющая программа из приложения 4.

Для начала, необходимо нажать следующую последовательность кнопок в управляющей программе:

«Вольтметр»;

«-»;

«5 В».

После этого к измерительным клеммам подключается источник напряжения постоянного тока с номиналом 5 В или ниже. Далее производится измерение обычным мультиметром напряжения между контактами 1 и 22. Если напряжение уменьшилось должным образом -- схема является рабочей.

Проверка остальных диапазонов вольтметра производится аналогичным способом.

Для проверки амперметра необходимо переключить режим измерения с помощью интерфейсной кнопки «Амперметр». Дальнейшая последовательность действий аналогична проверке для вольтметра.

6.1.3 Методика проверки модуля выпрямления

Для проверки модуля выпрямления необходим осциллограф.

Модуль подсоединяется к схеме, собранной в пункте 6.1.2.

В управляющей программе необходимо нажать следующую последовательность кнопок в управляющей программе:

«Вольтметр»;

«~»;

«5 В».

К измерительным клеммам подключается генератор переменного напряжения, от которого подаётся переменное напряжения с номиналом 5 В или ниже. К клеммам 1 на плате модуля выпрямления и к центральной клемме реле, подключённого к цифровому выводу 3, подключаются щупы осциллографа.

Если осциллограф показывает выпрямленное напряжение, значение которого совпадает со значением, поданным с генератора, схема выпрямления является рабочей.

Далее необходимо заменить генератор источником напряжения постоянного тока, переключить прибор с измерения напряжения переменного тока кнопкой «-» в интерфейсе управляющей программы и измерить обычным мультиметром в аналогичном режиме напряжение между клеммами 1 на плате модуля выпрямления и центральной клеммой реле, подключённого к цифровому выводу 3 должно совпадать с номиналом источника.

Если напряжения совпадают -- полная схема является рабочей.

6.1.4 Методика проверки модуля знакового детектора

Для проверки знакового детектора потребуется соединить плату с этой схемой с платой модуля инвертирования для подключения питания операционных усилителей. Далее ко входам 1 и 3 подключается источник напряжения постоянного тока так, чтобы минус источника шёл на вход 1, плюс источника на вход 3. В таком случае при подключении мультиметра в режиме измерения напряжения постоянного тока на выходе платы будет какое-то напряжение (отличается от напряжения источника). При обратном подключении, мультиметр должен показать отсутствие напряжения на выходе. Если данные условия выполнены -- схема является рабочей.

6.1.5 Методика проверки модуля инвертирования

Для проверки модуля инвертирования ко входам 1 и 3 подключаются источник напряжения постоянного тока так, чтобы минус источника шёл на вход 3, плюс источника на вход 1. Если на выходе источника получается положительное напряжение -- схема инвертирования работает верно. Если при изменении подключения источника на выходе также оказывается положительное напряжение -- полная схема работает верно.

6.2 Методика проверки программы измерения

Для того, чтобы проверить правильность измерений, необходимо полностью собрать мультиметр согласно Рис. 37, а также загрузить программу из приложения 3 в микроконтроллер, а программу из приложения 4 с помощью Proсessing IDE запустить на персональном компьютере.

В самом начале необходимо произвести измерения положительного напряжения постоянного тока в различных диапазонах и силы постоянного тока. Включение клемм мультиметра для каждого режима представлено на Рис. 43.

Рис. 43. Включение мультиметра в схему: а -- в режиме вольтметра, б -- в режиме амперметра

Результаты этих измерений представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты измерения силы постоянного тока и положительного напряжения постоянного тока

Далее производится проверка измерениями отрицательного напряжения постоянного тока, силы постоянного тока обратной полярности, а также напряжения переменного тока и силы переменного тока.

7. Результаты групповой работы

В связи с тем, что работа является групповой, далее приводится вклад каждого студента.

Зубакина К.Э.:

проанализированы существующие технические решения;

разработана структура программного обеспечения управления мультиметром;

разработана и протестирована программа измерения для Arduino UNO.

Сырцова А.О.:

разработана принципиальная схема мультиметра с компьютерным управлением;

разработанная схема и ее отдельные элементы протестированы с помощью программы LTSpice;

обоснован выбор инструментальных средств и элементной базы мультиметра;

разработаны и изготовлены печатные платы для модулей мультиметра, проведен монтаж схемы;

приведены испытания смонтированного устройства;

Составляющие ВКР, выполненная совместно участниками группы:

обоснован выбор методов решения поставленных задач;

разработана программа, управляющая мультиметром и ее интерфейс;

разработана структура программного комплекса мультиметра.

Результаты работы

Разработана принципиальная схема мультиметра с компьютерным управлением.

Разработанная схема и ее отдельные элементы протестированы с помощью программы LTSpice.

Характеристики разработанной схемы полностью отвечают техническому заданию.

Разработаны и изготовлены печатные платы для модулей мультиметра, проведен монтаж схемы.

Приведены испытания смонтированного устройства.

Разработана программа компьютерного управления мультиметром.

Проведены испытании в соответствие с разработанной методикой.

Испытания, проведенные на макете, показали, что устройство имеет погрешность ~1% при измерении постоянного напряжения, 5% -- при измерении тока.

Для уменьшения погрешности необходимо провести более точный подбор комплектующих, использующихся при создании макета. В целом можно сделать вывод, что разработанное устройство соответствует требованиям ТЗ.

Список используемых источников

1. Ивлев В.И., Батин В.В., Белянушкин А.В. [и др.]. Азбука физики для студентов: учеб. пособие. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. 64 с.

2. Основы использования цифровых мультиметров. [Электронный ресурс] Код доступа: http://www.kipia.info/publication/multimetryi/ (Дата обращения: 20.02.2017).

3. Устройство амперметра и вольтметра. [Электронный ресурс] Код доступа: http://electricalschool.info/spravochnik/izmeren/1840-ustrojjstvo-ampermetra-i-voltmetra.html (Дата обращения: 01.02.2017).

4. Садченков Д.А. Современные цифровые мультиметры. М.: Солон-Пресс, 2002.

5. Вознесенский А.С., Шкуратник В.Л. Электроника и измерительная техника. М.: Горная книга: Изд-во МГГУ, 2008. 480 с.

6. Действующие значения тока и напряжения. [Электронный ресурс] Код доступа: http://electricalschool.info/spravochnik/electroteh/566-dejjstvujushhie-znachenija-toka-i.html (Дата обращения: 10.04.2017).

7. Измерение действующего значения напряжения. [Электронный ресурс] Код доступа: http://arv.radioliga.com/content/view/107 (Дата обращения: 10.04.2017).

8. Arduino. [Электронный ресурс] Код доступа: http://arduino.ru/About (Дата обращения: 16.04.2017).

9. Сырцова А.О. Роль свободного ПО в образовании // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2015. № 18. С. 440-445.

10. Программирование Ардуино. [Электронный ресурс] Код доступа: http://arduino.ru/Reference (Дата обращения: 01.04.2017).

11. Processing -- язык программирования в Arduino. [Электронный ресурс] Код доступа: https://voltiq.ru/wiki/processing/ (Дата обращения: 01.04.2017).

12. Processing и Arduino. [Электронный ресурс] Код доступа: http://robocraft.ru/blog/arduino/336.html (Дата обращения: 01.04.2017).

13. Внутреннее сопротивление - амперметр. [Электронный ресурс] Код доступа: http://www.ngpedia.ru/id458464p1.html (Дата обращения: 01.04.2017).

14. Выпрямитель тока. [Электронный ресурс] Код доступа: http://bse.sci-lib.com/article007421.html (Дата обращения: 01.04.2017).

15. Прецизионные выпрямители на ОУ в устройствах на микросхемах. [Электронный ресурс] Код доступа: http://nauchebe.net/2014/06/precizionnye-vypryamiteli-na-ou-v-ustrojstvax-na-mikrosxemax/ (Дата обращения: 01.04.2017).

16. Волович Г.И. Cхемотехника аналоговых и аналого_цифровых электронных устройств. 3_е изд. стер. М.: Додэка_XXI, 2011. 528 с.

17. Егоров Е.Н., Короновский А.А, Храмов А.Е. Активные фильтры. [Электронный ресурс] Код доступа: http://www.sgu.ru/sites/default/files/textdocsfiles/2015/02/16/08_aktivnye_filtry.pdf (Дата обращения: 01.04.2017).

18. Реле модуль. [Электронный ресурс] Код доступа: http://zelectro.cc/DIY_Relay_module (Дата обращения: 05.04.2017).

19. Об операционных усилителях (ОУ). [Электронный ресурс] Код доступа: http://www.prointellekt.ru/OU1.php (Дата обращения: 02.04.2017).

Приложение 1

Приложение 2

Рис. 1. Шелкография для печатной платы модуля реле

Рис. 2. Печатная плата модуля реле

Рис. 3. Шелкография для печатной платы основного модуля

Рис. 4. Печатная плата основного модуля

Рис. 5. Шелкография для пчатной платы модуля выпрямления

Рис 6. Верхняя сторона печатной платы модуля выпрямления

Рис. 7. Нижняя сторона печатной платы модуля выпрямления

Рис.8. Шелкография для печатной платы модуля инвертирования

Рис.9. Печатная плата модуля инвертирования

Рис. 10. Шелкография для печатной платы модуля знакового детектора

Рис. 11. Печатная плата модуля знакового детектора детектирования

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Размещено на Allbest.ru