Neste post vamos construir um amperímetro digital usando display LCD 16 x 2 e Arduino. Vamos entender a metodologia de medição de corrente usando um resistor shunt e implementar um projeto baseado em Arduino. O amperímetro digital proposto pode medir correntes que variam de 0 a 2 Amperes (máximo absoluto) com razoável precisão.
Como funcionam os amperímetros
Existem dois tipos de amperímetros: analógicos e digitais, seus funcionamentos são bem diferentes um do outro. Mas ambos têm um conceito em comum: um resistor de derivação.
Um resistor shunt é um resistor com resistência muito pequena colocada entre a fonte e a carga enquanto mede a corrente.
Vamos ver como funciona um amperímetro analógico e então será mais fácil entender o digital.
Um resistor de derivação com resistência muito baixa R e assume que algum tipo de medidor analógico está conectado ao resistor cuja deflexão é diretamente proporcional à tensão através do medidor analógico.
Agora vamos passar alguma quantidade de corrente do lado esquerdo. i1 é a corrente antes de entrar no resistor shunt R e i2 será a corrente após passar pelo resistor shunt.
A corrente i1 será maior que i2, pois caiu uma fração da corrente através do resistor shunt. A diferença de corrente entre o resistor shunt desenvolve uma quantidade muito pequena de tensão em V1 e V2.
A quantidade de tensão será medida por esse medidor analógico.
A tensão desenvolvida através do resistor shunt depende de dois fatores: a corrente que flui através do resistor shunt e o valor do resistor shunt.
Se o fluxo de corrente é maior através do shunt, a tensão desenvolvida é maior. Se o valor do shunt for alto, a tensão desenvolvida através do shunt é maior.
O resistor de derivação deve ter um valor muito pequeno e deve possuir uma classificação de potência mais alta.
Um resistor de pequeno valor garante que a carga esteja recebendo a quantidade adequada de corrente e tensão para operação normal.
Além disso, o resistor shunt deve ter uma classificação de potência mais alta para que possa tolerar a temperatura mais alta enquanto mede a corrente. Quanto maior a corrente através do shunt, mais calor é gerado.
Até agora você já deve ter tido a idéia básica de como funciona um medidor analógico. Agora vamos passar para o design digital.
Até agora sabemos que um resistor produzirá uma tensão se houver um fluxo de corrente. Do diagrama V1 e V2 são os pontos, onde levamos as amostras de tensão para o microcontrolador.
Calculando a conversão de tensão para corrente
Agora vamos ver a matemática simples, como podemos converter a tensão produzida em corrente.
A lei de ohm: I = V/R
Conhecemos o valor do resistor shunt R e ele será inserido no programa.
A tensão produzida através do resistor shunt é:
V = V1 – V2
Ou
V = V2 – V1 (para evitar o símbolo negativo durante a medição e também o símbolo negativo dependem da direção do fluxo de corrente)
Então podemos simplificar a equação,
I = (V1 – V2)/R
Ou
I = (V2 – V1)/R
Uma das equações acima será inserida no código e poderemos encontrar o fluxo atual e será exibido no LCD.
Agora vamos ver como escolher o valor do resistor shunt.
O Arduino possui um conversor analógico para digital (ADC) de 10 bits. Ele pode detectar de 0 a 5V em passos de 0 a 1024 ou níveis de tensão.
Portanto, a resolução deste ADC será 5/1024 = 0,00488 volt ou 4,88 milivolts por etapa.
Portanto, 4,88 milivolts/2 mA (resolução mínima do amperímetro) = resistor de 2,44 ou 2,5 ohm.
Podemos usar quatro resistores de 10 ohms e 2 Watts em paralelo para obter 2,5 ohms que foi testado no protótipo.
Então, como podemos dizer o alcance mensurável máximo do amperímetro proposto que é de 2 Amperes.
O ADC pode medir apenas de 0 a 5 V, ou seja. Qualquer coisa acima danificará o ADC no microcontrolador.
Do protótipo testado observamos que, nas duas entradas analógicas do ponto V1 e V2; quando o valor medido de corrente X mA, a tensão analógica lê X/2 (no monitor serial).
Digamos, por exemplo, se o amperímetro lê 500 mA, os valores analógicos no monitor serial lêem 250 passos ou níveis de tensão. O ADC pode tolerar até 1024 passos ou 5 V no máximo, então quando o amperímetro lê 2000 mA, o monitor serial lê 1000 passos aprox. que está próximo de 1024.
Qualquer coisa acima do nível de tensão de 1024 danificará o ADC no Arduino. Para evitar isso antes de 2000 mA, uma mensagem de aviso aparecerá no LCD dizendo para desconectar o circuito.
Até agora você teria entendido como funciona o amperímetro proposto.
Agora vamos passar para os detalhes construtivos.
Diagrama esquemático:
O circuito proposto é muito simples e amigável para iniciantes. Construa conforme o diagrama do circuito. Ajuste o potenciômetro de 10K para ajustar o contraste da tela.
Você pode alimentar o Arduino a partir de USB ou via tomada DC com baterias de 9 V. Quatro resistores de 2 watts dissiparão o calor uniformemente do que usar um resistor de 2,5 ohms com resistor de 8-10 watts.
Quando nenhuma corrente está passando, o display pode ler algum pequeno valor aleatório que você pode ignorá-lo, isso pode ser devido à tensão parasita nos terminais de medição.
NOTA: Não inverta a polaridade da alimentação da carga de entrada.
Código do programa:
//------------------Program Developed by R.GIRISH------------------//
#include
#define input_1 A0
#define input_2 A1
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
int AnalogValue = 0;
int PeakVoltage = 0;
float AverageVoltage = 0;
float input_A0 = 0;
float input_A1 = 0;
float output = 0;
float Resolution = 0.00488;
unsigned long sample = 0;
int threshold = 1000;
void setup()
{
lcd.begin(16,2);
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
PeakVoltage = 0;
for(sample = 0; sample < 5000; sample ++)
{
AnalogValue = analogRead(input_1);
if(PeakVoltage < AnalogValue)
{
PeakVoltage = AnalogValue;
}
else
{
delayMicroseconds(10);
}
}
input_A0 = PeakVoltage * Resolution;
PeakVoltage = 0;
for(sample = 0; sample < 5000; sample ++)
{
AnalogValue = analogRead(input_2);
if(PeakVoltage < AnalogValue)
{
PeakVoltage = AnalogValue;
}
else
{
delayMicroseconds(10);
}
}
input_A1 = PeakVoltage * Resolution;
output = (input_A0 - input_A1) * 100;
output = output * 4;
while(analogRead(input_A0) >= threshold)
{
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Reached Maximum");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Limit!!!");
delay(1000);
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Disconnect now!!");
delay(1000);
}
while(analogRead(input_A0) >= threshold)
{
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Reached Maximum");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Limit!!!");
delay(1000);
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Disconnect now!!");
delay(1000);
}
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("DIGITAL AMMETER");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(output);
lcd.print(" mA");
Serial.print("Volatge Level at A0 = ");
Serial.println(analogRead(input_A0));
Serial.print("Volatge Level at A1 = ");
Serial.println(analogRead(input_A1));
Serial.println("------------------------------");
delay(1000);
}
//------------------Program Developed by R.GIRISH------------------//
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