[F.Abdelaziz]

مقياس جهد وتيار مستمر ومراجعة موديول ADC ووحدة العرض LCD
مقياس جهد (فولتميتر) ومقياس تيار (أميتر) للتيار المستمر باستخدام الميكروكونترولر PIC

تدريب تمهيدى عن المحول من تناظرى لرقمى ADC :
وحدة (موديول) المحول من تناظرى لرقمى ADC بالميكروكونترولر PIC عادة يكون لها 5 مداخل (قنوات) للأجهزة ذات 28 طرف و 8 مداخل (قنوات) للأجهزة ذات 40 طرف . نتيجة تحويل الإشارة التناظرية المطبقة على مدخل وحدة ADC تكون عدد رقمى مناظر بحجم 10 بتات 10-bit . وحدة ADC بالميكروكونترولر PIC تمتلك برمجيا القدرة على اختيار دخل جهد المرجع المرتفع Vref+ وجهد المرجع المنخفض Vref- . هنا , سوف يتم تحويل الدخل التناظرى باستخدام القناة المتصلة بالطرف RA1 إلى عدد رقمى بحجم 10-bit مع الأرضى كجهد المرجع المنخفض (Vref-) 0v وجهد تغذية الميكروكونترولر كجهد المرجع المرتفع (Vref+) 5V . سوف يتم عرض الخرج باستخدام 10 ليدات . يمكنك تغيير Vref- و Vref+ عن طريق تهيئة إعدادات سجل التحكم فى المحول من تناظرى لرقمى ADCON1 .
فى هذه الحالة عندما يكون جهد الدخل التناظرى 0V فأن نتيجة التحويل تكون العدد الرقمى الثنائى المكون من 10 بتات كلها أصفار , وإذا كان الدخل التناظرى 5V فإن نتيجة تكون العدد الرقمى الثنائى المكون من 10 بتات كلها آحاد. دقة التحويل فى هذه الحالة يمكن التعبيير عنها بالعلاقة :

Resolution = (Vref+ – Vref-)/(1024-1)   (as it is 10 bit ADC)
= 5/1024= 4.887 mV

وهذا يعنى أنه من أجل تغيير قدرة 4.887mV , فإن الخرج الثنائى يتغير بوحدة واحدة "1" , وبالتالى فإن أقل جهد يمكن قياسه هو4.887mV وهذا هو تعريف الدقة .

الدائرة الكهربية :

البرنامج بمترجم الميكروسى برو :

 
// ADC Tutorial
/////////////////////////////////////////////////////////
unsigned int adc;//2-byte variable 
/////////////////////////////////////////////////////////
void main()
{
//Setup ports 
TRISB = 0;    // PORTB as outputs
TRISC = 0;     // PORTC as outputs
// Infinite loop 
do
          {
// Get 10-bit results of AD conversion of channel 0 => bit0-bit9
          adc = ADC_Read(0); 
// Send lower 8 bits to PORTB => bit0-bit7
PORTB = adc;
// Send 2 most significant (bits to RC0, RC1) => bit8,bit9
          PORTC = adc >> 8;  
         } while(1);
}

يمكنك تغيير قيمة الدخل التناظرى عن طريق تغيير المقاومة المتغيرة بالدائرة .
تدريب تمهيدى عن وحدة العرض LCD :

[F.Abdelaziz]

تدريب تمهيدى عن وحدة العرض LCD :
يمكن للميكروكونترولر PIC إجراء اتصال مع وحدة العرض LCD بسهولة عن طريق استخدام المكتبات المدمجة بمترجم الميكروسى برو . يتم الربط بين الميكروكونترولر PIC ووحدة العرض LCD إما عن طريق 4 بتات (أربع خطوط بيانات ) أو عن طريق 8 بتات (8 خطوط بيانات) , هنا سوف نستخدم طريقة الربط عن طريق 4 بتات , وهو النظام الشائع الاستخدام .
فى نظام الربط 4-bit نستخدم أربع خطوط بيانات فقط هى DB4 – DB7 علاوة على خط التمكين E وخط اختيار السجل RS .

الدائرة الكهربية :

ملحوظة :
الطرف VDD والطرف VSS للميكروكونترولر PIC غير ظاهرة بالدائرة . يجب توصيل VDD بالجهد +5V وتوصيل VSS بالأرضى .

البرنامج باستخدام مترجم الميكروسى برو : 

// LCD module connections
sbit LCD_RS at RB4_bit;
sbit LCD_EN at RB5_bit;
sbit LCD_D4 at RB0_bit;
sbit LCD_D5 at RB1_bit;
sbit LCD_D6 at RB2_bit;
sbit LCD_D7 at RB3_bit;
sbit LCD_RS_Direction at TRISB4_bit;
sbit LCD_EN_Direction at TRISB5_bit;
sbit LCD_D4_Direction at TRISB0_bit;
sbit LCD_D5_Direction at TRISB1_bit;
sbit LCD_D6_Direction at TRISB2_bit;
sbit LCD_D7_Direction at TRISB3_bit;
// End LCD module connections
void main()
{
Lcd_Init();// Initialize LCD
Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);// Clear display
Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);// Cursor off
Lcd_Out(1,1,"Hello World");//Write text'Hello World' in first row
}

فى نظام 4-bit يتم توصيل الأطراف D0-D4 والطرف R/W بالأرضى .

[F.Abdelaziz]

مقياس جهد (فولتميتر) ومقياس تيار (أميتر) للتيار المستمر باستخدام الميكروكونترولر PIC
يمكن بسهولة عمل مقياس جهد ومقياس تيار باستخدام الميكروكونترولر PIC الذى يمتلك محول من تناظرى لرقمى ADC . سوف نستخدم الميكروكونترولر PIC16F877A مع العرض على وحدة عرض LCD .
سوف يتم تصميم دائرة لقياس الجهد فى المدى من 0V إلى 30V , لذلك يلزم تخفيض هذا المدى من الجهد إلى مدى جهد من 0V إلى 5V عن طريق استخدام مقسم جهد .
الدائرة الكهربية :

يمكن قياس التيار المار بالدائرة عن طريق إدخال مقاومة صغيرة جدا ( 0.1ohm/10watt على سبيل المثال) وقياس الجهد بين طرفيها ومنه يتم حساب التيار .
عندما يكون جهد الدخل 30V (أقصى جهد) فإن الجهد بين طرفى المقاومة 20K/R2 يصبح 5V والذى يتم تطبيقه على طرف الدخل التناظرى RA0 للميكروكونترولر PIC .
الجهد بين طرف المقاومة 0.1 ohm / Rs ohm يتم تطبيقه على الطرف التناظرى RA0 بعد مروره على مكبر عمليات غير عاكس . يتم إضافة ثنائى زينر بجهد 5.1V على التوازى مع المداخل التناظرية لحماية الميكروكونترولر PIC من الجهود الزائدة .
يقوم موديول المحول من تناظرى لرقمى ADC module بتحويل الدخل التناظرى إلى عدد رقمى بحجم 10-bit .المطلوب تحويل هذا العدد الرقمى إلى ما يناظره من جهد بالنظام العشرى .

خطوات حسابات مقياس الجهد :

[F.Abdelaziz]

خطوات حسابات مقياس الجهد :
1- الكمية الفيزيائية المراد قياسها هى "الجهد" بالفولت فى المدة 0-30V . هذا المدى خارج نطاق جهد الدخل التناظرى للميكروكونترولر لذلك يجب تخفيضة إلى المدى 0-5V , يتم ذلك عن طريق مقسم الجهد R1=100K و R2=20K , يتم أخذ الجهد من على طرفى المقاومة R2 وتطبيقة على المدخل التناظرى لقناة الطرف RA0 . جهد خرج مقسم الجهد نحصل علية من صيغة مقسم الجهد كما يلى :

Vo/Vi = R2/(R1+R2) = 20/120 = 1/6

أى يتم تخفيض جهد الدخل بنسبة القسمة على معامل القسمة وهو "6" .عند قسمة أقصى دخل للدائرة
Vi = 30V على "6" نحصل على أقصى خرج وهو Vo=30/6=5V .
2- جهد خرج مقسم الجهد فى المدى من "0-5V" يتم تطبيقه على المدخل التناظرى RA0 , حيث يقوم المحول ADC الداخلى للميكروكونترولر بتحويله إلى عدد رقمى فى المدى "0-1024" , أى نحصل على عدد يمثل الكمية الفيزيائية .
3- المطلوب عرض نتيجة التحويل (العدد الرقمى) على وحد العرض LCD على أن تظهر فى شكل قياس الكمية الفيزيائية , أى فى المدى "0-30V" وفى الصيغة "00.0" (عددان صحيحان وكسر) ولتنفيذ ذلك يتم اتباع الخطوات التالية :
أ‌- قراءة جهد الدخل التناظرى باستخدام الدالة :

ADC_Value = ADC_Read(0);

نتيجة تنفيذ هذه الدالة عدد "N" فى المدى 0-1024 يتم حفظه فى المتغير ADC_Value من النوع unsigned int (بحجم 2-byte) .

ب‌- إجراء حسابات تحويل هذا العدد لكى يمثل الكمية الفيزيائية كما يلى :
· نحصل على "جهد الدخل التناظرى على مدخل الميكروكونترولر" Vpic والمناظر للعدد "N" بضرب هذا العدد فى نسبة تحويل ADC وهى "5/1024" وهو فى نفس الوقت جهد خرج مقسم الجهد Vo , أى :

Vpic = Vo =  N * (5/1024) Volt

· نحصل على جهد دخل الدائرة المطلوب Vi بضرب الجهد السابق فى معامل القسمة والذى تم تخفيضه عن طريق مقسم الجهد المستخدم وهو "6" أى :

Vi = Vo *6 = N * (5/1024) * 6 = N * 0.029296875  Volt

أى يتم ضرب العدد "N" فى معامل التحويل كلى بالقيمة 0.029296875 لنحصل على التعبير عن الكمية الفيزيائية . على سبيل المثال عندما يكون N = 1024 فإن :Vi = 1024 *0.029296875 = 30 V .
لتجنب استخدام عمليات الكسور العشرية , وحتى نتمكن من عرض الكمية الفيزيائية (الجهد) فى الصيغة "00.0" يمكن أخذ "عدد صحيح إذا ضرب فى أقصى عدد وهو 1024 لا تتعدى النتيجة حجم المتغير المستخدم وهو هنا " 2-byte = 65535 . نأخذ المعامل الصحيح "3" والذى إذا ضرب فى أقصى قيمة للعدد N يعطى 1024*3 = 3072 وهو داخل حدود النوع unsigned int كما يمكن منه استخلاص مصفوفة العرض كما يلى :

DisplayVolt = ADC_Value * 3;   
volt[0] = DisplayVolt/1000 + 48;
volt[1] = (DisplayVolt/100)%10 + 48;
volt[3] = (DisplayVolt/10)%10 + 48;
Lcd_Out(1,3,volt);

ملحوظة :
لعرض النتائج على وحدة العرض LCD نحتاج لتحويل هذه القراءات إلى سلسلة نصية string حيث يتم تحويل كل رقم (خانة) digit بالقراءة إلى الحرف character المناظر وذلك بإضافة العدد "48" .

[F.Abdelaziz]

خطوات حسابات قياس التيار :
1- الكمية الفيزيائية المقاسة : التيار بالأمبير , فى المدى 0A-5A .
2- التحويل من تيار إلى جهد يتم عن طريق مقاومة بالقيمة Rs=0.1ohm , يتم حساب نتيجة هذا التحويل بضرب التيار فى المقاومة فنحصل على المدى 0V-0.5V .
3- هذا المدى صغير ويحتاج لعملية تكبير ليصل إلى المدى 0V-5V والملائم للعمل مع الميكروكونترولر , يتم ذلك باستخدام مكبر عمليات غير عاكس كما فى الدائرة الكهربية . كسب المكبر يتحدد عن طريق المقاومات Rf و Ri . إذا كان Rf = 10K وRi = 1.1K , يكون كسب المكبر حوالى "10" حيث :

Gain = (V0/Vi) = (1+Rf/Ri) = (1+ 10/1.1) = 10

الآن أصبح لدينا إشارة جهد فى المدى 0-5V (والتى تناظر تيار فى المدى 0-5A يمر فى المقاومة (0.1ohm وهى أكثر ملائمة من أجل المحول ADC مع جهد مرجع Vref = 5 V .
4- هذا الجهد يتم تحويله داخل الميكروكونترولر إلى عدد رقمى فى المدى Ni= 0-1024والمطلوب عرض هذا العدد على وحدة العرض LCD ولكن يجب أن يظهر فى شكل المدى الفعلى للتيار وهو I=0-5A وفى الصورة "0.000" ( عدد صحيح وثلاثة أرقام عشرية) :

I1 = Ni => as number (0-1023)
I2= Ni * (5/1024) => as volt at PIC pin & OP Amp output ( 0-5V)
I3 = Ni * (5/1024) / 10 => as volt at OP Amp input ( 0-0.5V)
I = I3(volt) /Rs =  Ni *[ (5/1024) / 10] / 0.1
Finally we get :
I= Ni * 0.0048828125 Amper

تحقيق :
أقصى عدد 1024 يناظر :

I = 1024 * 0.0048828125 = 5 Amper

وهو أقصى تيار نريد قياسه .
الخلاصة :
يتم ضرب نتيجة التحويل من تناظرى لرقمى فى المعامل 0.0048828125 , ولتجنب استخدام عمليات الكسور العشرية وللحصول على شكل العرض المطلوب "0.000" يمكن استخدام المعامل الصحيح المقرب 5 والذى إذا ضرب فى أعلى عدد ممكن نحصل على 1024*5 = 5120 وهو داخل الإعلان unsigned int ويمكن الحصول منه على الصيغة "0.000" . لكن لتقليل الخطأ يمكن أخذ المعامل 49 والذى إذا ضرب فى أعلى عدد ممكن نحصل على 49 * 1024 = 50176 وهو أيضا داخل الإعلان unsigned int كما يمكن الحصول منه على الصيغة "0.000" بتغيير الحسابات برمجيا كما يلى :

ADC_Value = ADC_Read(1);// as number ( 0-1024)
DisplayCurr = ADC_Value *49 ; //  => 0 - 50176 ( 0-5A) 
amp[0] = DisplayCurr/10000 + 48; // 50176/1000 = 5 
//amp[1] is DP "." 
amp[2] = (DisplayCurr/1000)%10 + 48; // (50176/1000) %10 = 50%10=0
amp[3] = (DisplayCurr/100)%10 + 48;// (50176/100) %10 = 501%10=1
amp[4] = (DisplayCurr/10)%10 + 48;// (50176/10)%10=5017%10=7
Lcd_Out(2,3,amp);

[F.Abdelaziz]

البرنامج :

/*
Project: Volt, Current meter
*/
// LCD module connections
sbit LCD_RS at RB4_bit;
sbit LCD_EN at RB5_bit;
sbit LCD_D4 at RB0_bit;
sbit LCD_D5 at RB1_bit;
sbit LCD_D6 at RB2_bit;
sbit LCD_D7 at RB3_bit;
sbit LCD_RS_Direction at TRISB4_bit;
sbit LCD_EN_Direction at TRISB5_bit;
sbit LCD_D4_Direction at TRISB0_bit;
sbit LCD_D5_Direction at TRISB1_bit;
sbit LCD_D6_Direction at TRISB2_bit;
sbit LCD_D7_Direction at TRISB3_bit;
// End LCD module connections
// Define Messages
 char message1[] = "V=";
 char message2[] = "I=";
 // End Message
unsigned int ADC_Value,DisplayVolt, DisplayCurr;
char *volt = "00.0";
char *amp = "0.000";
void main() {
 Lcd_Init();
 Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);             // CLEAR display
 Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);        // Cursor off
 Lcd_Out(1,1,Message1);
 Lcd_Chr(1,7,'V');
 Lcd_Out(2,1,Message2);
 Lcd_Chr(2,8,'A');
 do {
// Read Voltage
ADC_Value = ADC_Read(0);
DisplayVolt = ADC_Value * 3;   // max = 1023 * 3 =3069 => 30.6
volt[0] = DisplayVolt/1000 + 48;
volt[1] = (DisplayVolt/100)%10 + 48;
volt[3] = (DisplayVolt/10)%10 + 48;
Lcd_Out(1,3,volt);
// Read Current
ADC_Value = ADC_Read(1);
DisplayCurr = ADC_Value *49; //103.99; //
amp[0] = DisplayCurr/10000 + 48;
amp[2] = (DisplayCurr/1000)%10 + 48;
amp[3] = (DisplayCurr/100)%10 + 48;
amp[4] = (DisplayCurr/10)%10 + 48;
Lcd_Out(2,3,amp);

 } while(1);
}

[Abdw9]

موضوع رائع جزاك الله كل خير
موضوع رائع

[fouady2003]

شرح ممتاز
بارك الله فيك