Задатчик тока 4-20 мА (от Arduino)

Как работает
Электросхема
Сборка платы
Тестовый стенд
Калибровка
Что нужно для проекта
Тестовый скетч

На этой страничке сайта представлен задатчик токовой петли, который обеспечивает РУЧНУЮ установку тока в диапазоне 2,2 - 22,0 мА. Такой прибор больше подходит для имитации реального аналогового датчика. Здесь же вы узнаете, как сделать задатчик, управляемый с помощью Arduino посредством кнопок. Его можно применять не только для калибровки преобразователей, но и для формирования управляющего аналогового сигнала, а также, как источник тока для питания нагрузки. Данный прибор обеспечивает установку тока в диапазоне 0 - 22,0 мА и его стабилизацию в двухпроводном подключении при изменении напряжения от 11 до 32 В.

Хочу обратить внимание на отличия данного задатчика от ручного. Последний можно назвать пассивным - он устанавливается в разрыв токовой петли, как настоящий датчик, фактически представляя из себя переменный резистор, с помощью которого мы меняем силу тока. Представленный же на этой страничке задатчик - активный - он больше похож на источник тока, и к нему даже можно подключать нагрузку (в пределах установленных ограничений). По этой причине подключение этого задатчика к контроллеру или преобразователю токового сигнала несколько отличается. Смотрите на схему ниже (можете сравнить ее с подключением ручного задатчика).

Схема подключения датчика

Как известно, Arduino UNO не имеет своего собственного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), но его можно смоделировать по средством ШИМ-сигнала, который могут выдавать определенные цифровые пины платы (у Arduino UNO это 3, 5, 6, 9, 10, 11). К сожалению, ЦАП UNO имеет разрядность 8 бит (в отличии от АЦП в 10 бит), то есть выдавать ШИМ-сигнал мы сможем с точностью 1/256 (0,4%). Если вас это не устраивает, добро пожаловать на эту страничку.

Итак, опишем принцип работы данного задатчика. По средством двух кнопок (БОЛЬШЕ и МЕНЬШЕ) задается скважность ШИМ-сигнала, поступающего на один из цифровых пинов. Меняя скважность от 0 до 255, мы получим на выходе напряжение от 0 до 5 вольт (естественно, после сглаживания и фильтрации в задатчике). Это напряжение, пройдя через операционный усилитель LM358, будет управлять открытием и закрытием биполярного транзистора BD345, который непосредственно установит требуемый нам ток.

За основу устройства взята схема с форума radiokot.ru.

Центральной частью задатчика является микросхема LM358 (datasheet), представляющая из себя два операционных усилителя на одном кристалле. Сигнал от Arduino (например с цифрового пина 3) подается на вход задатчика (1 клеммницы PWM). Далее этот сигнал фильтруется в RC-фильтре (R3-C1) и поступает в неинвертирующий усилитель напряжения на первом ОУ LM358. Затем сигнал уходит на второй ОУ микросхемы, после чего подается на базу NPN-транзистора BD435 (datasheet), который и управляет током, проходящим по клеммам LOOP(+) и LOOP(-).

Электросхема задатчика тока

Рассмотрим назначение элементов схемы подробней.

• К клемме GND надо подсоединить землю от Arduino.
• Коэффициент усиления ОУ определяется отношением номиналов резисторов R1/POTI1. Обратите внимание, что хотя номинал подстроечного резистора POTI1 - 10К, выставлен он на 5К.
• Потенциометрами POTI1 и резистором R5 можно устанавливать максимальный ток на выходе с задатчика (это может пригодиться, если вы захотите изменить диапазон рабочих токов).
• Напряжение токовой петли задатчика ограничивается напряжением питания LM358 и транзистора BD435 - 32 вольта.
• Резистор R2 выполняет роль подтягивающего. Он обеспечивает стабильность показаний на выходе при отсутствии сигнала с Arduino.
• Резистор R4 ограничивает ток на базу транзистора.

Схема пайки элементов задатчика тока представлена на рисунке ниже. За базу взята макетная плата 55х40 мм. Конечно вы можете расположить элементы по другому и более компактно.

Схема пайки задатчика тока на макетной плате

Примечания :

1. Транзистор BD435 соединяется с радиатором через термопасту.
2. Микросхема LM358 монтируется в панельку DIP8.
3. Все внешние подсоединения выполнены в трех вариантах : клеммница, штыревой соединитель "папа" и "мама" для проводов Dupont.
4. Конденсатор C1 керамический, его емкость 4,7 мкФ.
5. Мощность резисторов не менее 0,5 ватт, резистора R5 - 2 ватта.
6. Подстроечный резистор также должны иметь мощность не менее 0,5 ватт.

Прежде, чем начать работать с задатчиком тока, его нужно откалибровать. А для этого нам понадобится тестовый стенд, схема которого представлена ниже. Наша задача - настроить с помощью подстроечного резистора POTI1 максимальный выходной ток с задатчика (ограничить), а также задать токовую характеристику в контроллере, чтобы расчетный ток на экране LCD соответствовал фактическому току по показаниям мультиметра.

Схема подключения задатчика для тестирования

Управлять системой можно с помощью трех кнопок : НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ. Рассмотрим их функции подробно :

Кнопка НАСТРОЙКИ

При нажатии этой кнопки вы будете циклично переходить по пунктам меню. Изменение параметров осуществляется кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ. Изменение цифровых параметров сразу принимается системой, подтверждение не нужно.

Пройдемся по пунктам меню Настройки.

• PWM=XXX : скважность ШИМ-сигнала, которым задается напряжение на выходе с Arduino (256 градации).
• PWM_Min=XXX : ШИМ-сигнал, соответствующий нижней точке токовой характеристики.
• CurMin=XX.XX (current minimum) : нижняя точка токовой характеристики, мА.
• PWM_Max=XXX : ШИМ-сигнал, соответствующий верхней точке токовой характеристики.
• CurMax=XX.XX (current maximum) : верхняя точка токовой характеристики, мА.
• SaveSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы сохраните настройки программы в память контроллера. При перезагрузке контроллера (выключение - включение) именно эти настройки загрузятся в программу. Значение скважности ШИМ-сигнала в память не сохраняется и при запуске программы равно 0. Это сделано из соображений безопасности. Если вам важно сохранить этот параметр, внесите соответствующие изменения в скетч.
• ReadSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы перенесете настройки из памяти контроллера в программу.
• Default (UP) : загрузка значений по умолчанию (пункты 2 - 5). При нажатии кнопки ВВЕРХ параметры, определенные в начале скетча, загрузятся в оперативную память PLC (в текущие настройки). Эта функция может быть полезна, когда вы запутались в регулировках и хотите все вернуть в исходное положение. Но есть и еще одна причина ее использования. Если вы на одну и ту же плату Arduino постоянно записываете скетчи разных проектов, возможна ситуация, когда параметры одного проекта запишутся в настройки другого. Конечно, это можно исправить, но представьте, что в параметре, где должно быть, например, число 10, стоит 32000. Вручную кнопками ВВЕРХ или ВНИЗ корректировать это очень долго, проще сбросить настройки к заводским, а уже затем их подправить.

Кнопки ВВЕРХ-ВНИЗ

Этими кнопками меняются значения параметров.

Индикация LCD

Верхняя строчка
"Cur=XX.XX" (current) - расчетный ток, мА. Он получен в результате интерполяции.
В скобках - скважность сигнала (0...255).

Нижняя строчка
Пункты меню настроек.

После того, как плата собрана, ее нужно откалибровать. Для этого загрузим в Arduino тестовый скетч, а затем подключим плату к PLC согласно схеме.

Подсоедините к выходным клеммам токовой петли задатчика мультиметр в режиме замера тока. Кнопкой ВВЕРХ установите уровень ШИМ-сигнала 255, а затем потенциометром POTI1 установите ток по тестеру 22 mA.

Теперь зададим токовую характеристику. С помощью кнопок ВНИЗ и ВВЕРХ установите по мультиметру ток около 4 мА и измените соответственно параметры PWM_Min (берем с LCD) и CurMin (берем с тестера). Затем выставляем по мультиметру ток около 19,5 мА и меняем параметры PWM_Max и CurMax. Теперь при изменении силы тока задатчиком мы увидим такие же показания тока на LCD-экране, как и на мультиметре. Перепроверьте показания на LCD еще раз, при необходимости скорректируйте. Не забудьте сохранить изменения в памяти Arduino.

Стенд для калибровки

Задатчик тока

• макетная плата под пайку 55х40 мм - 1 шт
• операционный усилитель LM358 (datasheet) в корпусе DIP-8 - 1 шт
• панелька DIP-8 - 1 шт
• транзистор биполярный NPN BD435 (datasheet) в корпусе ТО-126 - 1 шт
• клеммница двойная под пайку - 3 шт
• радиатор не менее 7-8 см2 - 1 шт
• резистор подстроечный многооборотный типа 3296 (datasheet) на 10К - 1 шт
• резистор 240 Ом (2 Вт) - 1 шт
• резистор 1К (0,5 Вт) - 1 шт
• резистор 5,1К (0,5 Вт) - 1 шт
• резистор 220К (0,5 Вт) - 2 шт
• конденсатор керамический 4,7 мкФ - 1 шт
• провод типа AWG - 10 см
• штыревой соединитель - 12 шт
• разъем PBS - 12 шт
• термопаста

Тестовый стенд

• PLC Arduino UNO (datasheet) - 1 шт
• Sensor Shield v 5.0 (datasheet) - 1 шт
• понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• LCD-дисплей 1602 (datasheet) + модуль I2C - 1 шт
• кнопка тактовая с колпачком (datasheet) - 3 шт
• макетная плата под пайку 35х50 - 1 шт (для монтажа кнопок)
• резистор 10 кОм (0,25 Вт) - 3 шт
• стойка мама-мама М3х15 - 8 шт (для монтажа LCD-дисплея и задатчик тока)
• гайка М3 - 50 шт и более в зависимости от способа крепления вышеуказанных элементов
• болт М3х15, М3х10 - 20 шт и более
• провод Dupont мама-мама или папа-мама (20 см) - 30 шт и более в зависимости от типа пинов соединяемых элементов
• провод типа AWG - 50 см (соединение штекер - DC-DC преобразователь - Sensor Shield)
• штекер питания DC 2.1 мм с клеммной колодкой папа и мама - 1 пара (для подключения шилда)
• кусок оргстекла или т.п. - 20х30 см (для монтажа всех элементов)
• болт М6х15 и гайка - 4 шт (ножки оргстекла)

Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке.

Для работы этого скетча вам понадобятся дополнительные библиотеки :

• EEPROM.h - библиотека работы с памятью (она нужна для чтения и записи наших настроек в энергонезависимую память Arduino). Это стандартная библиотека, она входит в комплект среды программирования Arduino IDE.
• Wire.h - библиотека для работы с протоколом I2C. Это тоже стандартная библиотека, ее устанавливать не нужно.
• LiquidCrystal_I2C.h - библиотека для работы с LCD по протоколу I2C. Скачать.

Если есть возможность, проверьте эти библиотеки на наличие обновлений.