DIY Stromsensor für Arduino - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Hallo, ich hoffe, es geht Ihnen gut und in diesem Tutorial zeige ich Ihnen, wie ich einen Stromsensor für Arduino mit einigen sehr einfachen elektronischen Komponenten und einem hausgemachten Shunt hergestellt habe. Dieser Shunt kann problemlos große Stromstärken verarbeiten, etwa 10-15 Ampere. Die Genauigkeit ist auch ziemlich gut und ich konnte sehr anständige Ergebnisse beim Messen von niedrigen Strömen um 100 mA erzielen.

Lieferungen

1. Arduino Uno oder gleichwertig und Programmierkabel
2. Operationsverstärker LM358
3. Überbrückungsdrähte
4. 100 KOhm Widerstand
5. 220 KOhm Widerstand
6. 10 Kohm Widerstand
7. Veroboard oder Zero PCB Board
8. Shunt (8 bis 10 Milliohm)

Schritt 1: Sammeln der erforderlichen Teile

Die Hauptteile, die Sie für diesen Build benötigen, sind ein Shunt zusammen mit dem Operationsverstärker-IC. Für meine Anwendung verwende ich den IC LM358, einen Dual-OP-AMP-8-Pin-DIP-IC, von dem ich nur einen der Operationsverstärker verwende. Sie benötigen auch Widerstände für die nicht invertierende Verstärkerschaltung. Als Widerstände habe ich 320K und 10K gewählt. Die Wahl Ihres Widerstands hängt vollständig von der gewünschten Verstärkung ab. Jetzt wird der OP-AMP von den 5 Volt des Arduino gespeist. Daher müssen wir sicherstellen, dass die Ausgangsspannung des OP-AMP, wenn der volle Strom durch den Shunt fließt, weniger als 5 Volt betragen sollte, vorzugsweise 4 Volt, um eine gewisse Fehlertoleranz zu gewährleisten. Wenn wir eine Verstärkung wählen, die für einen niedrigeren Stromwert sehr hoch genug ist, geht der OP-AMP in den Sättigungsbereich und gibt nur 5 Volt über jeden Stromwert hinaus. Achten Sie also darauf, den Wert der Verstärkerverstärkung entsprechend zu wählen. Sie benötigen auch eine Prototyping-Platine oder ein Steckbrett, um diese Schaltung auszuprobieren. Für den Mikrocontroller verwende ich das Arduino UNO, um den Eingang vom Verstärkerausgang zu erfassen. Sie können ein beliebiges gleichwertiges Arduino-Board auswählen, das Sie möchten.

Schritt 2: Machen Sie Ihren eigenen Shunt-Widerstand

Das Herzstück des Projekts ist der Shunt-Widerstand, der für den kleinen Spannungsabfall verwendet wird. Sie können diesen Shunt ganz einfach ohne großen Aufwand herstellen. Wenn Sie einen dicken massiven Stahldraht haben, können Sie eine angemessene Länge dieses Drahts abschneiden und als Shunt verwenden. Eine andere Alternative dazu besteht darin, Shunt-Widerstände aus alten oder beschädigten Multimetern zu retten, wie hier gezeigt. Der Strombereich, den Sie messen möchten, hängt weitgehend vom Wert des Shunt-Widerstands ab. Normalerweise können Sie Shunts in der Größenordnung von 8 bis 10 Milliohm verwenden.

Schritt 3: Schaltplan des Projekts

Hier ist die gesamte Theorie als Zusammenfassung und auch das Schaltbild des Stromsensormoduls, das die Implementierung der nicht invertierenden Konfiguration des OP-AMP zeigt, die die notwendige Verstärkung liefert. Ich habe auch einen 0,1uF-Kondensator am Ausgang des OP-AMP angeschlossen, um die Ausgangsspannung zu glätten und Hochfrequenzrauschen zu reduzieren, falls es auftreten kann.

Schritt 4: Alles zusammenbringen…

Jetzt ist es endlich an der Zeit, das aktuelle Sensormodul aus diesen Komponenten zu machen. Dazu habe ich ein kleines Stück Veroboard ausgeschnitten und meine Bauteile so angeordnet, dass ich auf jegliche Überbrückungsdrähte oder Stecker verzichten konnte und die gesamte Schaltung über direkte Lötverbindungen verbunden werden konnte. Für den Anschluss der Last über den Shunt habe ich Schraubklemmen verwendet, was die Verbindungen viel sauberer macht und gleichzeitig das Schalten / Ersetzen verschiedener Lasten, für die ich Strom messen möchte, viel einfacher macht. Stellen Sie sicher, dass Sie Schraubklemmen von guter Qualität auswählen, die für große Ströme geeignet sind. Ich habe einige Bilder des Lötvorgangs beigefügt und wie Sie sehen können, kamen die Lötspuren ziemlich gut heraus, ohne dass ein Jumper oder Drahtverbinder verwendet wurde. Das hat mein Modul noch haltbarer gemacht. Um Ihnen eine Perspektive zu geben, wie klein dieses Modul ist, habe ich es zusammen mit einer indischen 2-Rupie-Münze aufbewahrt und die Größe ist fast vergleichbar. Diese geringe Größe ermöglicht es Ihnen, dieses Modul problemlos in Ihre Projekte zu integrieren. Wenn Sie SMD-Bauteile verwenden können, kann die Größe sogar reduziert werden.

Schritt 5: Kalibrieren des Sensors, um korrekte Messwerte zu erhalten

Nach dem Aufbau des gesamten Moduls kommt hier ein kleiner kniffliger Teil, das Kalibrieren oder besser gesagt den notwendigen Code, um den richtigen Wert des Stroms zu messen. Jetzt multiplizieren wir im Wesentlichen den Spannungsabfall des Shunts, um eine verstärkte Spannung zu erhalten, die hoch genug ist, damit sich die Arduino analogRead ()-Funktion registriert. Da nun der Widerstand konstant ist, ist die Ausgangsspannung in Bezug auf die Stromstärke, die durch den Shunt fließt, linear. Die einfache Möglichkeit, dieses Modul zu kalibrieren, besteht darin, ein tatsächliches Multimeter zu verwenden, um den Wert des Stroms zu berechnen, der durch einen bestimmten Stromkreis fließt. Notieren Sie sich diesen Stromwert mit der Arduino- und der seriellen Überwachungsfunktion, um zu sehen, was der Analogwert ist, der kommt (von 0 bis 1023. Verwenden Sie die Variable als Float-Datentyp, um bessere Werte zu erhalten). Jetzt können wir diesen analogen Wert mit einer Konstanten multiplizieren, um unseren gewünschten Stromwert zu erhalten nachträgliche Anpassungen. Sie können mit 4-5 bekannten Stromwerten versuchen, Ihren konstanten Wert zu erhalten. Ich werde den Code erwähnen, den ich für diese Demonstration verwendet habe.

Schritt 6: Abschließende Schlussfolgerungen

Dieser Stromsensor funktioniert in den meisten gleichstrombetriebenen Anwendungen ziemlich gut und hat bei richtiger Kalibrierung einen Fehler von weniger als 70 mA. Allerdings gibt es bei diesem Design einige Einschränkungen, bei sehr niedrigen oder sehr hohen Strömen wird die Abweichung vom tatsächlichen Wert erheblich. Für die Grenzfälle ist also eine Modifikation des Codes erforderlich. Eine Alternative besteht darin, einen Instrumentenverstärker zu verwenden, der über eine präzise Schaltung zum Verstärken sehr kleiner Spannungen verfügt und auch in der High-Side der Schaltung verwendet werden kann. Auch kann die Schaltung verbessert werden, indem ein besserer OP-AMP mit geringem Rauschen verwendet wird. Für meine Anwendung funktioniert es gut und liefert eine wiederholbare Ausgabe. Ich plane, ein Wattmeter zu bauen, bei dem ich dieses Shunt-Strommesssystem verwenden würde. Ich hoffe, euch hat dieser Build gefallen.