Przenośny rejestrator mocy z zapisem wyników

[crbjsfso]

1. Wprowadzenie

Od czasu do czasu każdej osobie związanej z elektroniką zawodowo lub hobbystycznie zdarza się mierzyć napięcie, czy też natężenie prądu elektrycznego. Przynajmniej z moich obserwacji tak wynika. Zazwyczaj pomiary takie dokonywane są przy użyciu wszelakiej maści multimetrów, czy oscyloskopów. Czasami może zaistnieć potrzeba zapisania wyniku pomiaru i w warunkach amatorskich przeważnie dokonywane jest to ręcznie. Zastanawiałem się, czy istnieje możliwość zautomatyzowania pomiarów i zapisu wyników, zwłaszcza że czasami mierzone wartości zmieniają się w czasie. Dodatkowo urządzenie to powinno być stosunkowo niedrogie i proste do wykonania. Po przejrzeniu zasobów Internetu i kilku naprawdę ciekawych rozwiązań postanowieniem zbudować urządzenie tego typu. Więc bez dalszej zwłoki chciałbym zaprezentować poręczny, przenośny rejestrator mocy, który zapisuje mierzone wartości na karcie SD.

Autorem projektu jest GreatScott!, a oryginalna instrukcja jest dostępna tutaj.

2. Schemat

Schemat połączeń jest dość prosty i bazuje na gotowych modułach. Sercem całego systemu jest pytka oparta o chip INA219B, który jest przeznaczony do mierzenia napięcia oraz prądu stałego DC przez magistralę I2C, a jego dokładność to do 1%. Układ obsługuje prąd do 26 VDC, a zasilany jest napięciem zasilania 3,3 V. Maksymalna różnica wejściowa wzmacniacza wynosi +/- 320 mV, co oznacza, że może mierzyć natężenie prądu do +/- 3,2 A. Przy 12-bitowym ADC rozdzielczość wynosi 0,8 A. 

2.1. Schemat połączeń.

3. Części i narzędzia

Aby wykonać projekt będą nam potrzebne następujące elementy:

• Arduino Pro Mini 328 - 5V/16MHz - 1 sztuka.
• Moduł INA219 - 1 sztuka.
• Ładowarka Li-Pol TP4056 pojedyncza cela 1S 3,7V microUSB z zabezpieczeniami - 1 sztuka.
• Akumulator Li-Pol lub akumulator Li-Ion - 1 sztuka, ja użyłem jednego ogniwa Li-Ion 18650 o pojemności około 2000 mAh.
• Wyświetlacz OLED niebieski graficzny 0,96'' 128x64px I2C - 1 sztuka.
• Moduł czytnika kart microSD - 1 sztuka.
• Płytka prototypowa - 1 sztuka.
• Złącze ARK raster 3,5mm 2 pin (+) - 1 sztuka.
• Mikroprzełącznik bistabilny ON-ON 7x7mm - 1 sztuka
• Lutownica, cyna, przewody i inne niezbędne narzędzia. Tu według własnego uznania i umiejętności.

4. Oprogramowanie

Do Arduino należy załadować poniższy kod.

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_INA219.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <SPI.h>
#include "SdFat.h"
SdFat SD;

#define OLED_RESET 4
Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);
Adafruit_INA219 ina219;

unsigned long previousMillis = 0;
unsigned long interval = 100;
const int chipSelect = 10;
float shuntvoltage = 0;
float busvoltage = 0;
float current_mA = 0;
float loadvoltage = 0;
float energy = 0;
File TimeFile;
File VoltFile;
File CurFile;

void setup() {
  SD.begin(chipSelect);
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  ina219.begin();
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();
  if (currentMillis - previousMillis >= interval)
  {
    previousMillis = currentMillis;
    ina219values();

    TimeFile = SD.open("TIME.txt", FILE_WRITE);
    if (TimeFile) {
      TimeFile.println(currentMillis);
      TimeFile.close();
    }

    VoltFile = SD.open("VOLT.txt", FILE_WRITE);
    if (VoltFile) {
      VoltFile.println(loadvoltage);
      VoltFile.close();
    }

    CurFile = SD.open("CUR.txt", FILE_WRITE);
    if (CurFile) {
      CurFile.println(current_mA);
      CurFile.close();
    }
    displaydata();
  }
}

void displaydata() {
  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println(loadvoltage);
  display.setCursor(35, 0);
  display.println("V");
  display.setCursor(50, 0);
  display.println(current_mA);
  display.setCursor(95, 0);
  display.println("mA");
  display.setCursor(0, 10);
  display.println(loadvoltage * current_mA);
  display.setCursor(65, 10);
  display.println("mW");
  display.setCursor(0, 20);
  display.println(energy);
  display.setCursor(65, 20);
  display.println("mWh");
  display.display();
}

void ina219values() {
  shuntvoltage = ina219.getShuntVoltage_mV();
  busvoltage = ina219.getBusVoltage_V();
  current_mA = ina219.getCurrent_mA();
  loadvoltage = busvoltage + (shuntvoltage / 1000);
  energy = energy + loadvoltage * current_mA / 3600;
}

Kod oprócz podstawowych bibliotek wymaga dodatkowo: 

https://github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library
https://github.com/adafruit/Adafruit_INA219
https://github.com/adafruit/Adafruit_SSD1306
https://github.com/greiman/SdFat

Przed użyciem kart SD należy ją sformatować, najlepiej przy użyciu programu SD Memory Card Formatter. Ponieważ czasami karta sformatowania ręcznie spod systemu Windows może nie współpracować z czytnikiem.

5. Efekt końcowy

Poniższe zdjęcia prezentują proces budowy i gotowy układ w działaniu.

Podczas pracy na karcie SD generowane są 3 pliki tekstowe zwierająca pomiary. CUR.txt - dla natężenia, VOLT.txt - dla napięcia i TIME.txt - dla czasu w milisekundach. Wszystkie nowe wartości dopisywane są do już istniejących plików, nawet po resecie urządzenia. Dzięki czemu nie ma obawy o utratę danych. Dodatkowo wszystkie wyniki z chwili obecnej pomiaru są wyświetlane na ekranie OLED.

Edytowano Październik 22, 2019 przez crbjsfso
Dodanie źródła oryginalnego projektu.

[Treker (Damian Szymański)]

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum 🙂

[Treker (Damian Szymański)]

Czy to jest Twoje dokładne odtworzenia projektu wykonanego przez GreatScotta, czy coś w nim zmieniałeś?

Porównując projekt z tym filmem oraz tą instrukcją (i umieszczonym tam programem) ciężko dostrzec jakieś większe różnice. Oczywiście doceniam fakt odtworzenia konstrukcji, fajnie, że spełnia swoją rolę. Pytam jednak w kontekście dwóch spraw. Pierwszy to nasza akcja rabatowa, do której zgłosiłeś projekt - nie wiem co z tym zrobić w takiej sytuacji. Po drugie... czy nie uważasz, że wypadałoby podpisać autora programu i ogólnie wspomnieć o fakcie, że to "gotowiec"? 😉

[RFM]

13 godzin temu, crbjsfso napisał:

Schemat połączeń jest dość prosty i bazuje na gotowych modułach. Sercem całego systemu jest pytka oparta o chip INA219B, który jest przeznaczony do mierzenia napięcia oraz prądu stałego DC przez magistralę I2C, a jego dokładność to do 1%

Nie prościej i lepiej, zrobić interfejs do multimetru? Nie ma wtedy ograniczenia do pomiaru napięcia i prądu stałego jak w INA219B. Można rejestrować wszystko co potrafi mierzyć multimetr jak napięcie przemienne, częstotliwość itd. 0,1 czy 0,01% dokładności w multimetrze to nie problem, wskazania do 20'000 też nie są niczym nadzwyczajnym a i 500'000 można mieć za niekoniecznie cenę samochodu.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[crbjsfso]

5 godzin temu, Treker napisał:

Czy to jest Twoje dokładne odtworzenia projektu wykonanego przez GreatScotta, czy coś w nim zmieniałeś?

Porównując projekt z tym filmem oraz tą instrukcją (i umieszczonym tam programem) ciężko dostrzec jakieś większe różnice. Oczywiście doceniam fakt odtworzenia konstrukcji, fajnie, że spełnia swoją rolę. Pytam jednak w kontekście dwóch spraw. Pierwszy to nasza akcja rabatowa, do której zgłosiłeś projekt - nie wiem co z tym zrobić w takiej sytuacji. Po drugie... czy nie uważasz, że wypadałoby podpisać autora programu i ogólnie wspomnieć o fakcie, że to "gotowiec"? 😉

Tak, zgadzam się, masz rację. Dodałem linki do oryginalnego projektu, projekt zostanie również usunięty ze wpisu o akcji rabatowej. Pierwotnie nie dodałem linku do oryginalnego projektu, ponieważ nie jest w języku polskim.

1 godzinę temu, RFM napisał:

Nie prościej i lepiej, zrobić interfejs do multimetru? Nie ma wtedy ograniczenia do pomiaru napięcia i prądu stałego jak w INA219B. Można rejestrować wszystko co potrafi mierzyć multimetr jak napięcie przemienne, częstotliwość itd. 0,1 czy 0,01% dokładności w multimetrze to nie problem, wskazania do 20'000 też nie są niczym nadzwyczajnym a i 500'000 można mieć za niekoniecznie cenę samochodu.

Wydaje mi się, że interfejs do multimetru jest trudniejszy do wykonania. Tak naprawdę nigdy o czymś takim nie słyszałem, mógłbyś dać jakiś schemat, czy opis? Jaka taka modyfikacja wpływa na gwarancję urządzenia?

[Zealota]

15 minut temu, crbjsfso napisał:

Tak, zgadzam się, masz rację. Dodałem linki do oryginalnego projektu, projekt zostanie również usunięty ze wpisu o akcji rabatowej. Pierwotnie nie dodałem linku do oryginalnego projektu, ponieważ nie jest w języku polskim.

Wydaje mi się, że interfejs do multimetru jest trudniejszy do wykonania. Tak naprawdę nigdy o czymś takim nie słyszałem, mógłbyś dać jakiś schemat, czy opis? Jaka taka modyfikacja wpływa na gwarancję urządzenia?

Wszystko zależy jaki multimetr i jaki interfejs.

Polecam przeglądnąć film:

Oprócz tego polecam kanał tego autora. Ma tam mnóstwo bardzo pożytecznych projektów.

[RFM]

30 minut temu, crbjsfso napisał:

Wydaje mi się, że interfejs do multimetru jest trudniejszy do wykonania. Tak naprawdę nigdy o czymś takim nie słyszałem, mógłbyś dać jakiś schemat, czy opis? Jaka taka modyfikacja wpływa na gwarancję urządzenia?

Multimetry mają RS232C albo USB albo oba interfejsy.

[crbjsfso]

6 godzin temu, RFM napisał:

Multimetry mają RS232C albo USB albo oba interfejsy.

W instrukcji dla tanich modeli nie ma nic o RS232C, czy USB.
https://www.atp-instrumentation.co.uk/manuals/electrical/DM-830C-Manual.pdf
https://alfaelektronik.mk/uploads/product_option_values/MS8229 manual ENG.pdf
Dopiero w droższych modelach jest wzmianka o tego rodzaju interfejsie.
https://diolut.pl/download/instrukcje/ut70b.pdf

Z moich obserwacji wynika, że dla hobbysty DIY nawet z gotowych modułów daje więcej frajdy i jest tańsza. Mimo wszystko radził bym traktować to jedynie jako moją subiektywną opinię, a nie jak wynik jakiegoś niezależnego badania na ludziach.

[RFM]

34 minuty temu, crbjsfso napisał:

W instrukcji dla tanich modeli nie ma nic o RS232C, czy USB.

Często ten interfejs jest ale nie są zamontowane elementy izolacji optycznej no i kabelek RS232C trzeba sobie zrobić. Gdy informacje odbierane z miernika mają trafić do uC a nie na port RS232C to budowa kabelka (elektryczna) jest banalna.

[crbjsfso]

17 godzin temu, RFM napisał:

Często ten interfejs jest ale nie są zamontowane elementy izolacji optycznej no i kabelek RS232C trzeba sobie zrobić. Gdy informacje odbierane z miernika mają trafić do uC a nie na port RS232C to budowa kabelka (elektryczna) jest banalna.

Bardzo interesujące, na pewno warte głębszego zbadania, muszę w wolnej chwili poszukać jakiś schematów. Tylko pozostaje jedna kwestia, jak przy pomocy jednego multimetru mierzyć jednocześnie napięcie i natężenie?

[RFM]

12 minut temu, crbjsfso napisał:

Tylko pozostaje jedna kwestia, jak przy pomocy jednego multimetru mierzyć jednocześnie napięcie i natężenie?

Używasz 2 multimertów.

[Treker (Damian Szymański)]

9 godzin temu, crbjsfso napisał:

Tylko pozostaje jedna kwestia, jak przy pomocy jednego multimetru mierzyć jednocześnie napięcie i natężenie?

Niestety raczej nie ma takiej możliwości (przynajmniej w takich najpopularniejszych, jednokanałowych miernikach).

[crbjsfso]

Czyli jednak zaprezentowany powyżej układ wydaje się być najrozsądniejszym rozwiązaniem, jeśli chodzi o budżetowe przenośne rejestratory mocy z zapisem wyników, które można z radością złożyć w zaciszu domowym, czy też warsztatowym. Chyba, że ktoś nie czerpie radości z tego typu hobby, to inna sprawa. Jeśli jednak cena nie ma żadnego znaczenia i nie lubimy konstruować różnych przydatnych gadżetów lepiej będzie zaopatrzyć się chociażby w coś pokroju przenośnego oscyloskopu DSO Nano v3, lub nawet coś z gołą innego.