Voltmetro e Amperometro con PIC16F88 e Display HP5082-7300
Per visualizzare caratteri o cifre in un progetto elettronico ci affidiamo a dispositivi elettronici che permettono di mostrare informazioni all’utente. Molti anni fa, quando ancora non erano stati inventati i led si utilizzavano i tubi Nixie. Il tubo nixie è sostanzialmente un corpo in vetro simile ad una valvola termoionica ma al cui interno sono disposti una serie di elettrodi sagomati a forma delle dieci cifre decimali, sovrapposti uno sull’altro e leggermente distanziati tra di loro.
Successivamente i tubi Nixie vennero sostituiti dai display Split-Flap e quindi dai display a led a 7 segmenti, quest’ultimi tutt’ora difusissimi. Oltre ai classici display a 7 segmenti, la HP creò dei display a punti con logica integrata: la visualizzazione avviene attraverso l’illuminazione di piccoli punti (led) che formano dei segmenti. La particolarità di questi display è l’utilizzo di una logica integrata che provvede a convertire e visualizzare le informazioni BCD inviate agli appositi ingressi, per cui, a differenza dei classici display a 7 segmenti, non andiamo a pilotare direttamente i segmenti bensì degli ingressi BCD.
L’utilizzo di questi componenti non è molto diffuso, infatti è difficile trovare progetti che adottano tale dispositivo per la visualizzazione. L’idea di realizzare un progetto integrando questi display mi è stata suggerita dal mio amico Claudio (Clodetheone); la proposta era allettante anche perché non mi era mai capitato di gestire dei display con logica integrata. E’ nato quindi questo utilissimo Voltmetro/Amperometro facente uso di tale tipo di display.
Indice dei contenuti
Descrizione
Il circuito è il seguente:
La gestione di tutto è affidata al microcontrollore pic che provvede a leggere gli ingressi analogici e visualizzare le cifre sui display. Il micro utilizzato è il PIC16F88 della microchip. Esso possiede oltre alle solite periferiche anche un convertitore A/D a 10bit. Sia il display che il microcontrollore necessitano di un’ alimentazione di 5 volt per operare, fornitagli dal regolatore lineare IC2, il diodo D1 è stato previsto per evitare che una possibile inversione di polarità possa danneggiare l’intero circuito, il led LED1 notifica l’utente che il circuito è alimentato.
Le linee dati dei display sono collegate direttamente alle uscite del pic senza l’utilizzo di resistenze di limitazione, inevitabili quando invece si utilizzano dei classici display a 7 segmenti: ricordo, difatti, che in questo tipo di display non stiamo pilotando direttamente i segmenti bensì la logica integrata nel display, attraverso gli ingressi BCD, per cui non sono necessarie resistenze.
Le connessioni da utilizzare sono riportate sul datasheet del display, in particolare il pin di enable deve essere a livello logico basso per poter aggiornare la cifra da visualizzare. Il punto decimale non è disponibile per tutti i modelli di display della serie 5082, infatti il 5082-7340 tramite il pin 5 permette di controllare la luminosità del display ovvero di spegnere o accendere il display senza intervenire sull’alimentazione. In questo progetto ho utilizzato dei display HP5082-7300, dotati di punto decimale sulla destra.
Maggiori informazioni su questo tipo di display possono essere reperite a questo link.
Gli ingressi analogici permettono di acquisire tensioni di 5 volt massimi, per poter leggere tensioni maggiori è necessario condizionare il segnale da rilevare in modo da non danneggiare il micro, la soluzione adottata è un partitore resistivo che riduce la tensione di 10 volte, cosi facendo è possibile rilevare tensioni di massimo 50 volt; consiglio di utilizzare trimmer multigiro per la regolazione fine del partitore anche se nessuno vieta di utilizzare i normali trimmer: sul pcb sono presenti gli alloggiamenti per entrambi i tipi.
Anche se lo ritengo inutile ho preferito inserire un trimmer sull’ingresso della corrente per un’ eventuale regolazione. La tensione proveniente dalla resistenza di shunt essendo molto bassa deve essere amplificata per poter essere letta correttamente dal micro; la resistenza di shunt deve essere inoltre scelta in base alle proprie esigenze prestando particolare attenzione alla potenza massima dissipabile, per cui di seguito do alcune indicazioni su come effettuare tale scelta.
Il connettore X2 permette la connessione di un deviatore esterno, necessario per commutare le due letture sui display; esso infatti comunica al micro se far visualizzare la lettura della tensione o della corrente.
Calcolo del guadagno dell’amplificatore e scelta della resistenza di shunt
Il guadagno dell’amplificatore deve essere calcolato in base alla resistenza di shunt utilizzata, quindi prima di procedere bisogna scegliere la resistenza più adatta al nostro scopo. Ipotizzando di voler leggere una corrente massima di 10A analizziamo quali valori possiamo scegliere:
| Corrente massima (A) | Resistenza di shunt (Ω) | Tensione ai capi della resistenza (V) | Potenza dissipata dal resistore (W) |
|---|---|---|---|
| 10 | 0.47 | 4.7 | 47 |
| 10 | 0.22 | 2.2 | 22 |
| 10 | 0.1 | 1 | 10 |
| 10 | 0.01 | 0.1 | 1 |
Per il calcolo della tensione ai capi del resistore si utilizza la formula seguente:
V = R * I
Per il calcolo della potenza si utilizza la formula seguente:
W = V * I
A questo punto possiamo calcolare il guadagno che deve avere l’amplificatore:
| Resistenza di shunt (Ω) | Tensione ingresso amplificatore (V) | Tensione uscita amplificatore (V) | Guadagno |
|---|---|---|---|
| 0.47 | 4.7 | 5 | 1.064 |
| 0.22 | 2.2 | 5 | 2.27 |
| 0.1 | 1 | 5 | 5 |
| 0.01 | 0.1 | 5 | 50 |
Il guadagno è calcolato con la formula seguente:
G = V Tensione uscita / V Tensione ingresso
Di seguito ho elencato la corrente massima rilevabile dalle resistenze in ceramica con potenza di 5W:
| Potenza resistore (W) | Resistenza di Shunt (Ω) | Corrente massima rilevabile (A) | Tensione ai capi della resistenza (V) |
|---|---|---|---|
| 5 | 0.47 | 3.25 | 1.52 |
| 5 | 0.22 | 4.75 | 1.04 |
| 5 | 0.1 | 7.05 | 0.70 |
| 5 | 0.01* | 22.3 | 0.22 |
* la resistenza da 0,01Ohm non è disponibile in commercio.
Amplificazione del segnale
In questo progetto ho utilizzato un MAX492:
Per realizzare uno stadio amplificatore è possibile utilizzare anche altri operazionali e non necessariamente il MAX492. Ho preferito quest’ultimo in quanto è del tipo rail-to-rail, ovvero permette di avere una dinamica di uscita pari alla tensione di alimentazione, quindi è alimentabile con una tensione singola anzichè duale.
La tabella seguente riporta i valori delle resistenze R1 ed R2 calcolati per avere il guadagno desiderato:
| Guadagno amplificatore | Valore R1 (KΩ) | Valore R2 (KΩ) |
|---|---|---|
| 1.064 | 200 | ˜12 |
| 2.27 | 12 | ˜15 |
| 5 | 30 | ˜120 |
| 50 | 6.8 | ˜330 |
La formula utilizzata è la seguente:
G = 1+ R2 / R1
Per una regolazione fine del guadagno consiglio di inserire in serie alla resistenza R2 un trimmer di valore adeguato.
Immagini della realizzazione
Video del funzionamento:
Downloads
Il file zip contiene: schema e stampe per PCB in formato PDF, file precompilato (HEX) da caricare sul PIC e codice sorgente in MikroC
Voltmetro Amperometro by Egidio Vasile (1025 download)
