Egyszerű multiméter tervezése és gyakorlati kivitelezése
Átfogó projekt feladat a KE1 tananyaghoz
A Bolyai Farkas Elméleti Líceum partnerintézményünk oktatója, Domokos József diákjaival tovább gondolták a 2024-es Kristálytiszta Elektronika nyári tábor projekt feladatát. Szakköri keretek között a feladatot tovább vitték nyomtatott áramköri tervezéssel. Ehhez készítettek egy projekt dokumentációt, amit az alábbiakban lehet megtekinteni. A bónusz feladaton kívül a Kristálytiszta Elektronika tananyag által elsajátítható tudás elegendő a projekt feladat megvalósításához.
A projekthez tartozó fájlokat itt lehet letölteni: Letöltés
Projekthez szükséges fejezetek
A KE1 tananyagból a következő fejezetek részletes ismeretére van szükség a projekt megvalósítása során:
- 03 Rajzjelek
- 05 Multiméter, Ohm-törvény a gyakorlatban
- 06 Lineáris tápegységek, diódák
- 09 Mikrovezérlők I.
- 10 Informatikai alapok
- 11 Mikrovezérlők II.
- 12 Debuggolás - hibakeresés a programban
- 18 USB kapcsolat
- 22 Analóg jelek feldolgozása, ADC
2024 KE1 nyári tábor projekt
A projekt célja gyakorolni a KE1 tananyag mikrovezérlőkről szóló fejezeteit és ezeket felhasználva egy átfogó jellegű projekt készítése. A téma egy egyszerű multiméter tervezése és gyakorlati kivitelezése. A multiméterrel egy potenciométeren eső feszültséget, valamint 2 párhuzamosan kapcsolt LED-en átfolyó áramot tudunk mérni. A multimétert úgy tervezzük, hogy feszültség és áram mérésére is használható legyen. A követelmény az, hogy feszültséget a 0 - 5 V-os tartományban, míg áramot a 0 - 50 mA tartományban tudjon mérni. Az árammérés valójában feszültségmérésre van visszavezetve, felhasználva az 5. Multiméter, Ohm-törvény a gyakorlatban fejezetben tanultakat. A feszültségek mérését a tananyagban használt ATMega16A mikrovezérlőben található ADC felhasználásával végezzük, a 22. fejezetben (Analóg jelek feldolgozása, ADC) bemutatott elméleti és gyakorlati ismereteket felhasználva.
A projekt két jól elkülöníthető részből áll: az első rész az elektronikai áramkör megépítése, a második rész pedig a mikrokontroller programozása.
Elektronikai áramkör megépítése
Az elektronikai áramkör tartalmaz egy 5V feszültséget előállító 7805-ös integrált áramkörrel megvalósított egyszerű tápegységet a 6. tananyagrész 15. ábrája szerint megépítve (7805 tápegység LED-el a kimenetén), amelyet polaritásvédelemmel láttunk el a 6. tananyagrész 22. ábráján bemutatott áramkör szerint (Tápegység diódás polaritásvédelemmel).
5V-os kimenettel rendelkező 7805-ös IC polaritásvédő diódával és indikátor LED-el
A feszültségmérő áramkör hasonlít a 22. fejezet 4. ábráján bemutatott kapcsolási rajzra (Mérési elrendezés), melyben a mikrokontroller két ADC csatornáját is használjuk: az ADC1-es csatornán az R2 potenciométer 2 - 1 lábai között eső feszültséget mérjük, míg az ADC2-es csatornán az R19-es ellenálláson mért feszültség értékét mérjük. Ez az ellenállás sorosan lett kötve egy kapcsolható ágú ellenállás létrával valamint a 2 párhuzamosan kapcsolt LED-el. Mivel R19 ellenállása ismert, így Ohm törvényével meghatározható a rajta átfolyó áram erőssége, amely a soros kapcsolás miatt egyenlő lesz a LED-eken is átfolyó árammal.
Az R13 - R18 ellenállások az S1 mikrokapcsoló segítségével kapcsolhatóak be, vagy iktathatóak ki az áramkörből. A kapcsoló használatával növelhető vagy csökkenthető az
eredő ellenállás, így változtatható az R19 ellenálláson és a LED-eken áthaladó áramerősség értéke.
Az alábbi ábrán látható még az U$2 csatlakozó, amely a mikrokontroller programozó csatlakoztatására lesz használva.
Potenciométer feszültséget és LED áramot mérő elrendezés
A LED2 - LED6 fénykibocsátó diódákat a mért feszültségérték kijelzésére, míg a LED7 - LED11 fénykibocsátó diódákat a mért áramerősség kijelzésére használjuk. A terv az, hogy a világító LED-ek száma arányos legyen a mért értékkel. Ezek vezérlésére a Port B PB0 - PB4 digitális GPIO lábakat, illetve a port D PD2 - PD6 GPIO lábakat használjuk. Az SV1 csatlakozó ugyancsak a programozó áramkör csatlakoztatását szolgálja.
A mért értékeket visszajelző LED-ek bekötése
A teljes kapcsolási rajz az alábbi ábrán látható.
A teljes kapcsolási rajz
Mikrokontroller programozása
A mikrokontroller programozása a tananyagban is használt Atmel Stúdió fejlesztőkörnyezetben történt. A megírt szoftvert két részre lehet osztani. Az első rész tartalmazza a GPIO portok és az ADC-csatornák konfigurálását, a mérés megvalósítását és a kijelzést. Ezt a részt a tananyag 22. fejezetében is bemutatott példakód alapján készítettük. A második rész pedig egy kiegészítő funkció megvalósítását tartalmazza, melynek segítségével, USB kapcsolatot létrehozva egy számítógéppel, soros kommunikációt használva a mért feszültség és áramerősség értékeket elküldjük a számítógépnek megjelenítés céljából. A számítógépen telepíteni kell az FTDI drivert, illetve a Hterm nevű terminált kell használni az adatok fogadására és megjelenítésére, a tananyag 18.-as fejezetében leírtak szerint.
A megírt programkód elérhető a csatolt fájlokban is. A kommentek, valamint a tananyag korábbi fejezeteit tanulmányozva egyszerűen megérthető a program működése.
Tananyagon túlmutató bónusz feladat
A KE1 tananyagon túlmutatóan a projekt gyakorlati kivitelezése során az áramkör kapcsolási rajzát és a nyomtatott áramkör tervezését az Eagle (Easily Applicable Graphical Layout Editor) programcsomag használatával végeztük. Az alkalmazás letölthető a https://www.autodesk.com/products/fusion-360/trial-intake-flow weboldalról és 30 napig ingyenesen használható.
Az alkatrészeket úgy helyeztük el a nyomtatott áramköri lapon, hogy az őket összekötő huzalok a lehető legkevesebb esetben keresztezzék egymást és a legegyszerűbben elvezethetők lehessenek az alkatrészek termináljaihoz. Ugyanakkor arra is törekedtünk, hogy az alkatrészek lehetőleg egymáshoz közel helyezkedjenek el annak érdekében, hogy a nyomtatott áramköri lap mérete kicsi legyen. A 7805-ös áramkörhöz a lehető legközelebb helyeztük el a szűrő kondenzátorokat. A kijelzésre használt fénykibocsátó diódákat pedig két csoportra osztva (a feszültség és az áram mérés eredményének a kijelzésére) egymás alá helyeztük. A programozó áramkör csatlakozóit közvetlenül az ATMega16A mikrokontroller pinjei mellé helyeztük el. A DIY_Multimeter.sch állomány tartalmazza a kapcsolási rajzot, míg a DIY_Multimeter.brd tartalmazza a nyomtatott áramkör tervét.
Papp Gergely és Imre Zoltán diákok által tervezett áramköri rajzolat
A könyvtárban a DIY_Multimeter.pdf dokumentum tartalmazza a nyomtatásra kész nyomtatott áramköri maszkot. A nyomtatott áramkör fotolitográfiás technikával lett megvalósítva.
Papp Gergely és Imre Zoltán diákok által tervezett áramköri rajzolat lenyomata
Az elkészített nyomtatott áramkör a beültetett alkatrészekkel az alábbi képeken látható:
Mészáros Áron és Kraütner Norbert áramkörének felső oldala
Mészáros Áron és Kraütner Norbert áramkörének alsó oldala
