Fig. 1: Imagem mostrando a leitura de tensão no voltímetro miniatura baseado no AVR Attiny85 e no monitor de tensão da bateria
Na maioria das vezes, a medição em circuitos eletrônicos é feita medindo a tensão CC. Normalmente, colocaremos o multímetro no modo de tensão CC e verificaremos os níveis de tensão em vários pontos da PCB… Normalmente, colocaremos o multímetro no modo de tensão CC e verificaremos os níveis de tensão em vários pontos da PCB. Principalmente, nossa exigência está entre 5V e 15V DC. O circuito mostrado é simples, ocupa menos espaço e pode ser conectado diretamente à tensão CC para medição. Para minimizar o tamanho e o consumo de energia, MCU de 8 pinos e 0,96” OLED é usado no circuito.
O Voltímetro Miniatura possui dois modos de operação. No primeiro modo (modo bateria de 12V), pode ser conectado diretamente à bateria de 12V, para medir a tensão e monitorar o status da bateria. No segundo modo (modo voltímetro de 20 VCC), funciona como um voltímetro CC normal, que pode medir de 0,0 a 20,0 VCC.
Dois jumpers J1 e J2 foram fornecidos para escolher entre o modo 1 e o modo 2. Uma vez selecionado o modo, o Attiny85 MCU mede continuamente a tensão através de seu canal ADC, no pino 7 e converte-a em valor digital. O valor do ADC é convertido no valor de tensão correspondente usando um algoritmo no código. No modo bateria, dependendo do valor do ADC, diferentes status da bateria (BAIXA, Carregada, Sobrecarregada, etc.), juntamente com o nível de tensão atual da bateria, são exibidos no OLED. No modo voltímetro, o nível de tensão correspondente é exibido no OLED.
Neste projeto, o ATtiny85 está programado para exibir o status de carregamento da bateria de 9V ou 12V (conforme o modo selecionado) medindo a tensão terminal da bateria. O MCU é codificado com C incorporado usando AVR Studio 4.
Constantes usado no código–
#define F_CPU 1000000UL :- Constante usada para definir a frequência do clock do MCU
#define BLINKER 0b00000001 :- Constante usada para piscar o LED como indicação de que o MCU está funcionando corretamente.
#define BATT12V 0B00000010 :- Constante usada para definir o modo de bateria de 12V.
Variáveis usado no código–
A: – Variável usada para armazenar leitura analógica do canal ADC de 10 bits
V: – Variável usada para converter a leitura ADC em tensão e indicar o status da bateria
Prev_mode: – Variável usada para indicar o modo de bateria anterior (modo de bateria de 12V ou 20V)
current_mode: – Variável usada para indicar o modo atual da bateria (modo bateria de 12V ou 20V)
dispstr(6)={'0′,'0′,'.','0′,'/',0} :- Matriz usada para definir o formato do OLED
Arquivos de cabeçalho e bibliotecas usado no código–
#include : – Cabeçalho AVR padrão para entrada e saída
#include : – Cabeçalho AVR padrão para fornecer atrasos de tempo
#include Cabeçalho AVR padrão incluindo utilitários de espaço de programa
#include “OLED_LIB.C”: – Biblioteca de uso geral contendo funções para trabalhar com OLED de 0,96”. Esta biblioteca pode ser usada com qualquer microcontrolador AVR. Observe que OLED_LIB define o pino 2 como SDA e o pino 3 como SCL de ATtiny85.
#include “FONT_BASIC_16x8.H”: – Este arquivo de cabeçalho contém alfabeto, números e símbolos de tamanho 16 × 8 pixels (pequeno).
#include OLED_NUMS_32x24.H: – Este arquivo de cabeçalho contém apenas números de tamanho de 32 × 24 pixels (grande) para exibir o valor da tensão.
Funções usado no código–
ADC_init : – função usada para inicializar o canal ADC.
readADC : – função usada para ler a tensão analógica do canal ADC 1
OLED_init : – função usada para iniciar a exibição OLED
OLED_floodfill : – função usada para exibir luz brilhante passando o parâmetro 0xFF ou limpar OLED passando o parâmetro 0x00.
Algoritmo –
1) Quando o circuito do voltímetro é ligado, em primeiro lugar, o OLED é inicializado e verificado exibindo uma luz brilhante. Em seguida, o display OLED é apagado e uma mensagem de boas-vindas – “Bem-vindo ao Voltímetro Miniatura” pisca nele. O MCU começa a piscar um LED para indicar que está funcionando corretamente. O MCU verifica o status do modo bateria (modo 12V ou 20V) verificando a entrada digital no pino 6 do Attiny85. Agora o controlador está pronto para fazer leituras de tensão.
DDRB = BLINKER;
OLED_init ; //começa a exibir OLED
_atraso_ms(10);
OLED_floodfill(0xFF); // exibe OLED com luz brilhante como autoteste
_atraso_ms(500);
ADC_init ; // inicializa o sistema ADC
OLED_floodfill(0x00); //exibição em branco do OLED
_atraso_ms(500);
OLED_show_str_16x8 ( ”BEM-VINDO A“,6,0); // uma mensagem de boas-vindas
OLED_show_str_16x8 ( ”MINIATURA“,11,3); //é exibido no OLED
OLED_show_str_16x8 ( ” VOLTÍMETRO “,6,6); // como autoteste de exibição de texto em OLED
_atraso_ms(1000);
OLED_floodfill(0x00); //exibição em branco do OLED
_atraso_ms(300);
2) O usuário pode fazer a leitura de tensão de uma fonte de tensão padrão (ou conhecida) e ajustar o respectivo potenciômetro (de acordo com o modo atual da bateria) para calibrar o voltímetro. Neste circuito, o voltímetro é calibrado usando uma fonte de tensão padrão de 12 V onde a leitura ADC é ajustada para 900 (para entrada de 12 V) no modo bateria de 12 V e 750 (para entrada de 12 V) no modo bateria de 20 V. Após a calibração, espera-se que o voltímetro em miniatura forneça leituras de tensão exatamente precisas.
3) O MCU detecta a tensão da bateria de 12 V ou 20 V no pino 7 (Canal ADC 1) usando a função readADC e armazena esse valor lido na variável A. O ATtiny85 possui canal ADC de 10 bits, então a leitura do ADC (armazenada em variável A) pode variar de 0 a 1023. Para comparação de tensão para indicar o status da bateria, a leitura ADC de 750 é equivalente a 12 V no caso do modo bateria de 20 V e a leitura ADC de 900 é equivalente a 12 V no caso do modo bateria de 12 V .
4) O valor armazenado em A é convertido em tensão e armazenado na variável V assumindo que o valor de A sendo 750 (no caso do modo bateria de 20V) ou 900 (no caso do modo bateria de 12V) é equivalente à tensão real de 12V. Observe que as condições para indicar o status da bateria são definidas no código de acordo. A suposição acima é derivada da calibração do voltímetro miniatura. No modo bateria de 20 V, usando tensão conhecida de 12 V, a leitura do ADC é calibrada para 750 usando o potenciômetro. Da mesma forma, no modo bateria de 12V, ao usar a tensão conhecida de 12V, a leitura do ADC é calibrada para 900 usando o respectivo potenciômetro. Observe que a conversão da leitura do ADC em tensão depende aqui da calibração. A fórmula padrão para conversão de terminação única (Vin = ADC*Vref/1024) não é usada no código, considerando o fato de que a tensão de repouso de baterias diferentes pode ser diferente e pode não se ajustar a uma equação de calibração padrão.
PORTB ^= BLINKER; // toggle blinker to indicate MCU is working A = readAdc ( 1 ); // read ADC value from channel no 1 curr_mode = (PINB & BATT12V); // check the mode of operation by usage of jumper J2 // for 12V battery mode or 20VDC voltmeter if ( prev_mode != curr_mode ) { OLED_floodfill(0x00); _delay_ms ( 50 ); } if ( curr_mode>0 ) V = A/6; else V = A/5;
5) O valor de V é comparado em instruções else-if para indicar o status de carregamento da bateria conectada.
if ( curr_mode>0 ) // in case of 12V battery mode, appropriate status is diplayed on OLED { OLED_show_str_16x8 ( "12V BAT.METER",0, 0); if ( V>150 ) OLED_show_str_16x8 ( "NOT 12V BAT " , 0 ,6); else if ( V>135 ) OLED_show_str_16x8 ( "OVER CHARG " , 0 ,6); else if ( V>120 ) OLED_show_str_16x8 ( "BATT. GOOD " , 0 ,6); else if ( V>100 ) OLED_show_str_16x8 ( "BATT. LOW " , 0 ,6); else if ( V>90 ) OLED_show_str_16x8 ( "BATT. WEAK " , 0 ,6); else if ( V>60 ) OLED_show_str_16x8 ( "BATT. DEAD " , 0 ,6); else //if ( V<30 ) OLED_show_str_16x8 ( "BATT.ABSENT " , 0 ,6); }
6) O valor de V é formatado em notação decimal e a tensão lida é mostrada no display OLED.
dispstr(0)=V/100+'0'; V=V%100; dispstr(1)=V/10+'0'; dispstr(2)='.'; dispstr(3)=V%10+'0'; dispstr(4)='/'; dispstr(5)=0;
7) A leitura ADC armazenada em A é comparada com 1000 para verificar se a tensão excede a faixa designada.
if ( A>1000 ) // in case the ADC read value is out of range then display as OVERFLOW { OLED_show_str_16x8 ( " OVERFLOW " , 0 ,0); _delay_ms ( 150 ); OLED_show_str_16x8 ( "" , 0 ,0); _delay_ms ( 100 ); }Trabalhando: Configuração inicial:
Após montar o circuito em uma placa de circuito impresso, conecte a fonte de alimentação girando SW1 em direção à bateria de 9V. Em seguida, carregue/grave o arquivo miniVoltMeter.hex no MCU (ATTINY85) usando qualquer programador AVR.
Inicialmente, o OLED exibe todos os pixels (128×64) no modo ON, tornando a tela brilhante por um tempo. Em seguida, exibe uma mensagem de boas-vindas como BEM-VINDO AO MEDIDOR DE VOLTS MINIATURA. Em seguida, exibe a tensão aleatória, que ainda não foi calibrada.
Agora configure a placa para MODO BATERIA 12V, conectando o Jumper J1 e desconectando o Jumper J2. Em seguida, conecte uma fonte de tensão conhecida de cerca de 12 VCC ou uma bateria de 12 V aos terminais de sinal (ou conecte um multímetro paralelo aos terminais para saber a tensão de entrada exata). Agora, configure o trim-pot VR1, para mostrar no display a tensão correta no OLED.
Agora, configure a placa para VOLT METER MODE, desconectando o jumper J1 e conectando o jumper J2. Então, com a mesma fonte de tensão do sinal de entrada, ajuste o trim-pot VR2, para mostrar a tensão correta no OLED.
Agora, a calibração está concluída e o circuito está pronto para uso. Desconecte a entrada do sinal e configure a placa para um dos modos conforme a necessidade.
Existem dois modos de operação. 12V e 20V.
Para modo bateria de 12V, conecte o jumper J1 e desconecte o jumper J2. A tensão é lida pelo canal ADC do MCU e exibe a tensão da bateria no OLED em fonte grande. A linha superior do OLED é exibida como 12V BAT. METER e resultado final mostram o status da bateria como BATT.ABSENT / BATT.DEAD / BATT.WEAK / BATT.GOOD / OVER CHRG. etc.
Para modo voltímetro de 20 VCC, desconecte o jumper J1 e conecte o jumper J2. a tensão do sinal de entrada é lida pelo canal ADC do MCU e exibida em OLED com fonte grande no centro. Aqui, a linha superior do OLED mostra VOLT METER e a linha inferior mostra 20 DC VOLTS.
Em ambos os modos, se a tensão de entrada exceder o valor da tensão de entrada ADC (cerca de 5VDC), a linha superior piscará com a mensagem OVERFLOW. Caso, para ler sinais fracos ou tensões inferiores a 8VDC, o SW1 deve ser voltado para conexão da bateria de 9V. O circuito voltímetro em miniatura pode ser usado como voltímetro CC rápido para fins de mesa, monitor de tensão e status para carregadores de bateria, bancos de baterias, etc.
Código-fonte do projeto
/*
Filename : miniVoltMeter.C
author : Fayaz Hassan
Date : 15-02-2018
MCU : ATtiny85 (A)
Display : OLED (I2C)
*/
#define F_CPU 1000000UL
#include
#include
#include
#include "OLED_LIB.C"
#define BLINKER 0b00000001
#define BATT12V 0B00000010
//========================================================================================
void ADC_init ( )
{
ADCSRA = ( (1 << ADPS2) (1 << ADPS1) (1 << ADPS0) (1 << ADEN) );
}
//========================================================================================
int readAdc ( int channelno )
{
ADMUX = (channelno%4);
ADCSRA = (1 << ADSC);
while (ADCSRA & (1 << ADSC));
return ADC;
}
//========================================================================================
int main ( )
{
int V=0;
int A=0;
int prev_mode = -1;
int curr_mode = 0;
char dispstr(6)={'0','0','.','0','/',0};
_delay_ms ( 500 );
DDRB = BLINKER;
OLED_init ;
_delay_ms ( 10 );
OLED_floodfill(0xFF);
_delay_ms ( 500 );
ADC_init ( );
OLED_floodfill(0x00);
_delay_ms ( 500 );
OLED_show_str_16x8 ( " WELCOME TO ",6,0);
OLED_show_str_16x8 ( " MINIATURE ",11,3);
OLED_show_str_16x8 ( " VOLT METER ",6,6);
_delay_ms ( 1000 );
OLED_floodfill(0x00);
_delay_ms ( 300 );
readAdc ( 1 );
readAdc ( 1 );
while ( 1 )
{
PORTB ^= BLINKER;
A = readAdc ( 1 );
curr_mode = (PINB & BATT12V);
if ( prev_mode != curr_mode )
{
OLED_floodfill(0x00);
_delay_ms ( 50 );
}
if ( curr_mode>0 )
V = A/6;
else
V = A/5;
if ( curr_mode>0 )
{
OLED_show_str_16x8 ( "12V BAT.METER",0, 0);
if ( V>150 )
OLED_show_str_16x8 ( "NOT 12V BAT " , 0 ,6);
else if ( V>135 )
OLED_show_str_16x8 ( "OVER CHARG " , 0 ,6);
else if ( V>120 )
OLED_show_str_16x8 ( "BATT. GOOD " , 0 ,6);
else if ( V>100 )
OLED_show_str_16x8 ( "BATT. LOW " , 0 ,6);
else if ( V>90 )
OLED_show_str_16x8 ( "BATT. WEAK " , 0 ,6);
else if ( V>60 )
LED_show_str_16x8 ( "BATT. DEAD " , 0 ,6);
else //if ( V<30 )
OLED_show_str_16x8 ( "BATT.ABSENT " , 0 ,6);
}
else
{
OLED_show_str_16x8 ( " VOLT METER " ,4, 0);
OLED_show_str_16x8 ( "0-20 DC VOLTS" ,0 ,6);
}
dispstr(0)=V/100+'0';
V=V%100;
dispstr(1)=V/10+'0';
dispstr(2)='.';
dispstr(3)=V%10+'0';
dispstr(4)='/';
dispstr(5)=0;
if ( dispstr(0)=='0' )
dispstr(0) = ':';
OLED_show_str_32x24 ( dispstr , 5, 0,2);
if ( A>1000 )
{
OLED_show_str_16x8 ( " OVERFLOW " , 0 ,0);
_delay_ms ( 150 );
OLED_show_str_16x8 ( " " , 0 ,0);
_delay_ms ( 100 );
}
prev_mode = curr_mode;
}
return 0;
}
Diagramas de circuito
| Circuito-Diagrama-MiniaturaVOLT-METER-cum-Battery-Tensão-Monitor |  |