AVRマイコンの「ATtiny2313」を使って電圧計を製作しました。3桁の7セグLEDに電圧を表示します。ケースにはフリスクを使いました。
原理・回路構成
ATtiny2313を使い、3桁の7セグLEDに測定電圧を表示します。今回は、電源電圧を表示する2線式電圧計とします。必然的に測定電圧範囲は、6～30Vになります（回路の動作電圧範囲）。
AD変換器
ATtiny2313にはAD変換器が付いていないので、アナログ比較器を使用します。
アナログ比較器のAIN1には測定対象の電圧を、AIN0にはコンデンサ(図中C2)を繋ぎ、このコンデンサはPB3ピンから定電流ダイオードを介して充電できるようにしておきます。
PB3をHiレベルにすると、コンデンサC2は定電流で充電され、電圧が直線的に増加していきます。この電圧が測定対象の電圧を上回るまでの時間を測れば、AD変換の値を得ることができます。
実際の流れは次のようになります。
- コンデンサを0Vまで放電させる
- コンデンサを充電開始 ＆ カウンタを起動
- コンパレータの出力が変わったところでカウンタをストップ
- カウンタの値が測定電圧（に比例した数）
ここで重要なのは、コンデンサや分圧抵抗、ツェナーダイオードの精度、クロック源の精度です。これらを測定していって真面目に計算するのは結構大変なので、最初に適当なプログラムを作り、入力した電圧と、出てきたAD変換の値から逆算しました。また、AD変換器のコンデンサは特性の良いフィルム系の物を使います。セラミックコンデンサは向きません。
なお、測定したい電圧が30Vまであるので、ツェナーダイオードと抵抗分圧により降圧します。
表示部
表示には文字高さが14.2mmの7セグLEDを3桁分使います。これだとフリスクのケースに何とか収まります。マイコンに直結してダイナミック・ドライブさせます。
制作過程
回路の製作
フリスクに収めるために、0.8mm厚の片面プリント基板を製作しました。部品は全て表面実装します。
7セグLEDは、そのままだとフリスクのケースに収まらないので、高さを低くする加工します。
四隅の出っ張りが邪魔なので、ニッパで取る。
そして足を曲げて表面実装部品風にします。
マイコンも足を曲げて切って表面実装できるようにします。DIPじゃなくてSOPを使えよ、という指摘はナシです。手持ち部品で作ったのです。
下図はすべての部品を実装した様子です。
基板の裏面はツルツルです。
プログラムの作成
回路が完成したらマイコンのプログラムを作っていきます。書き込みは…板バネのソケットを使うとよいです。
まずは7セグの確認・・・
つぎにAD変換の確認・・・
コンデンサの電圧波形を見ると、直線的に電圧が増えていく様子がわかります。
下図は仮のプログラムを作ってデータを取ったグラフです。直線性は結構良さそうです。
最終的に組んだプログラムです。
電圧計
○○○○○○○○○○○○○○○○
*********************************/
#define F_CPU 12000000UL //12.0MHz#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdlib.h>
#include <util/delay.h>// グローバル変数
char keta = 0;
volatile int num = 0;
volatile unsigned long volt = 0;void Set7seg( char number){
// セグ初期化
PORTB |= 0b00010100;
PORTD |= 0b01110111;
// セグメント割り当て
switch(number){
case 0:
PORTB &= ~0b00010100;
PORTD &= ~0b01010011;
break;
case 1:
PORTB &= ~0b00010000;
PORTD &= ~0b00010000;
break;
case 2:
PORTB &= ~0b00000100;
PORTD &= ~0b00110011;
break;
case 3:
PORTB &= ~0b00010100;
PORTD &= ~0b00110010;
break;
case 4:
PORTB &= ~0b00010000;
PORTD &= ~0b01110000;
break;
case 5:
PORTB &= ~0b00010100;
PORTD &= ~0b01100010;
break;
case 6:
PORTB &= ~0b00010100;
PORTD &= ~0b01100011;
break;
case 7:
PORTB &= ~0b00010100;
PORTD &= ~0b00010000;
break;
case 8:
PORTB &= ~0b00010100;
PORTD &= ~0b01110011;
break;
case 9:
PORTB &= ~0b00010100;
PORTD &= ~0b01110010;
break;
default:
break;
}
}// タイマ0割り込み
ISR(TIMER0_OVF_vect){
// TCNT0 = 150;
PORTB &= 0x00; // 消灯
if(keta == 2){
Set7seg(num%1000/100);
PORTB |= _BV(PB5); // 3桁目 点灯
keta = 1;
}else if(keta == 1){
Set7seg(num%100/10);
PORTB |= _BV(PB6); // 2桁目 点灯
PORTD &= ~_BV(PD2);
keta = 0;
}else if(keta == 0){
Set7seg(num%10);
PORTB |= _BV(PB7); // 1桁目 点灯
keta = 2;
}
}
// カウンタ1の捕獲発生
ISR(TIMER1_CAPT_vect){
TCNT1 = 0;
volt = ICR1;
}
int main(void) {
/*
a PB2
b PD4
c PB4
d PD1
e PD0
f PD6
g PD5
DP PD2
COM1 PB5
COM2 PB6
COM3 PB7
コンデンサは、500uSで満タン
*/
DDRD = 0b01110111;
PORTD = 0b00001000;
DDRB = 0b11111100;
PORTB = 0b00000000;
// タイマー0
TCCR0B = 0x03; // プリスケーラは (dataseet p.66)
TCNT0 = 0; // タイマ0の初期値
TIMSK |= _BV(TOIE0);// タイマ0オーバーフローだけ割り込み許可
// タイマー1
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0b11000001;
TIMSK |= _BV(ICIE1);// 捕獲割り込み許可
TCNT1 = 0x0000;
// アナログコンパレータ
ACSR = _BV(ACIC); // ｱﾅﾛｸﾞ比較器捕獲起動許可
//ACSR = _BV(ACIS1); // コンパレータ上昇で
//ACSR = _BV(ACIS0); //
DIDR = 0b11; // デジタル入力禁止
sei(); // 割り込み許可
char ave_cnt = 0;
long volt_ave = 0;
while(1){
volt_ave += (((volt*100)+69863)/1800);
volt_ave = volt_ave/2;
ave_cnt++;
if(ave_cnt >= 20){
num = volt_ave;
ave_cnt = 0;
}
_delay_ms(20);
DDRB &= ~_BV(PB0); // コンデンサのピンをオープン
cli(); // 割り込み禁止
// Cを充電開始
TCNT1 = 0x0000;
PORTB |= _BV(PB3); // 充電開始
// コンパレータが1を吐くまで待つ
while(!(ACSR & (1<<ACO))){
}
PORTB &= ~_BV(PB3); // 充電を止める
sei(); // 割り込み許可
// Cを放電
DDRB |= _BV(PB0); // コンデンサのピンを接地＝放電
}
}
ケースの加工
フリスクケースの小部屋を削って、真ん中の凸も削り、7セグLEDの窓を開けます。
まとめ
定電流ダイオードとコンデンサによるAD変換は、そこそこの直線性を得られることがわかりました。温度特性については評価できていませんが、常温ならそこそこ使えそうではあります。
文字高さ14.2mmの7セグLEDはフリスクケースに入ります！
昔はATtiny2313が秋月で100円で売っていたのですが、いつの間にか値上がりして230円（2016年12月現在）になってしまいました。AD変換器が付いて多機能なATmega48やATmega88の方が安くなってしまいました。もはや2313を使うメリットが見当たらないですね。
電圧計ができるなら、電流計もできそうですか？
電流はシャント抵抗を使用し、その倍率で電圧計の小数点を移動させる。10Aを1Vとして読み取るシャント抵抗なら、それに補正して小数点を移動させれば電流計と読めそうですよね？電圧のVと電流のAのところはLEDで分けるという。
仰るとおりで、シャント抵抗を使えば電流計にできます。