Alex_EXE

Ранее на сайте уже были опубликованы вольтметры собранные на PIC микроконтроллерах. В будущем, если будет интерес, могут появиться другие варианты и на других МК.

Для оттачивания ловкости рук и навыков захотелось собрать что-нибудь очень маленькое и простое, выбор остановился на миниатюрном вольтметре.

Микро вольтметр

Вольтметр получился размером 19,5х8мм. Имеет диапазон измеряемого напряжения 30В. Построен на микроконтроллере stm8s003f3u6 размером 3х3мм и семисегментном индикаторе с 6 выводами 2535.

Характеристики:

Нет защиты от переполюсовки по питанию.

Задача была собрать функциональное устройство с минимальными размерами. Выбор остановился на банальном вольтметре. В одной из предыдущих статей описал, как методом ЛУТ изготовил платы с применением термотрансферной бумаги, где получил дорожки 0,1мм, зазор 0,15мм. Односторонняя плата получилась чуть больше, чем используемый индикатор, немного по краям выходят разъёмы: PLS3 для подключения индикатора и контактные площадки для прошивки с помощью прошивающего щупа.

Большую роль в выборе конструкции для сборки послужил найденный на просторах китайской торговой площадке taobao миниатюрный 3-х семисегментный индикатор размером в 0,25 дюйма или 15х8х4мм. С интересным управлением: всего 6 выводов, вместо привычных 12.

Семисегментный индикатор 2351

Данный индикатор не имеет никакой встроенной логики, только одни диоды. Для управления требуется другой подход, отличный от управления классическими семисегментными индикаторами с общим анодом или катодом, алгоритм будет немного посложнее. Индикатор управляется 3-мя логическими уровнями (0, 1 и Z).

В качестве микроконтроллера был выбран хорошо мне знакомый 8-битный stm8s003f3u6 в QFN20 SMD корпусе (если быть точнее UFQFPN20) размером 3х3мм. Чтобы устройство могло работать от 5В (напряжение на USB и самое распространенное напряжение), напряжение питания микроконтроллера и схемы было выбрано 3,3В (возможна работа от 5В). Входное напряжение с диапазоном от 4 до 15В обеспечивает линейный стабилизатор с низким падением напряжения (low drop) LP2980AIM5-3.3. Для экономии места на печатной плате отказался от миниатюрного, но очень громоздкого для данной конструкции, подстроечного резистора 3303X-3 размером 3х3мм, в пользу программной автоматической калибровки. Большая часть резисторов и конденсаторов типоразмера 0201.

Получилась следующая схема:

Принципиальная схема

U1 — стабилизатор с обвязкой, U2 — микроконтроллер, HL1 — индикатор с токоограничивающими резисторами R1-R6. На резисторах R7 и R9 собран делитель напряжения на 30В (питание схемы 3.3В), возможна установка других резисторов для выбора делителя от 10,0 до 99,9В. С6 — фильтрующий конденсатор, D1 защита от некорректного напряжения на входе АЦП микроконтроллера (ниже 0В и выше предела измерения). X1 — входной разъём, X2 — контактные площадки для подключения программатора.

Сборочный чертеж, нижняя сторона, позиционные обозначения

Сборочный чертеж, нижняя сторона, номиналы

Контактные площадки отмеченные 1 и 1, 2 и 2 — перемычки, выполненные проволокой диаметром 0,1мм, нужны только для подключения щупа для прошивки, который был изготовлен мной ранее. Данные перемычки можно не устанавливать, тогда для прошивки микроконтроллера к площадкам 1 и 2 справа от микроконтроллера на время прошивки нужно будет подпаяться или изготовить прошивающий щуп другой конфигурации. Дисплей припаивается с верхней стороны через 6 отверстий снизу платы.

Перечень элементов:

Компонент	Позиционное обозначение	Корпус	Количество
0,1uF 25V	C1	CAP-0402	1
0,1uF 10V	C2, C5, C6, C8	CAP-0201	4
10uF 6.3V	C3	CAP-0603	1
1uF 6.3V	C7	CAP-0402	1
BAT54SWT1G	D1	SOT-323	1
2351_6pin	HL1	6pin	1
100nH	L1	CAP-0402	1
100	R1, R2, R3, R4, R5, R6	RES-0201	6
47K	R7	RES-0201	1
4,7K	R9	RES-0201	1
LP2980AIM5-3.3	U1	SOT-23-5	1
STM8S003F3U6TR	U2	UFQFPN20	1
PLS3	X1	PLS3	1
SWIM	X2		1

Марка индикатора — 2351 0.25 дюйма 3 значный цифровой LED индикатор с общим десятичным катодом 6-ти контактный. Покупался на taobao, оригинальное название — 2351 0.25寸 3位带小数 LED数码管 共阴 高亮红光 6脚 车载数码管 .

Фотография нижней стороны платы, со стороны компонентов. Платы лаком ещё не покрыты.

Микро вольтметр, со стороны элементов. Фотоаппарат

Фотоаппарат в режиме макросъемки такую мелочь уже не берет, перехожу на микроскоп:

Микро вольтметр, со стороны элементов. Микроскоп

Чем была запаяна данная плата: пинцет Wiha ZP 01 0 14 130, китайская паяльная станция Hakko T12 с неоригинальным жалом T12-BC1, припой 0,3мм, без использования микроскопа и другой оптики.

Жало и пинцет, резисторы 1206, 0402, 0201

Размеры элементов, в миллиметрах: 1206 3.1х1.6х0.55 , 0402 1.0х0.5х0.35 , 0201 0.6х0.3х0.23 .

Жало в арсенале есть и поменьше, но было лень менять. Пинцет крупноват, но качественный. Недавно пришел китайский титановый пинцет, теперь для мелочи буду использовать его. Может быть через некоторое время сделаю обзор своих пинцетов, если это кому-нибудь интересно.

Хват резистора 0201 пинцетом: слева Wiha, справа титановый

Подбор делителя

Вольтметр можно настроить на максимальный предел измерения в диапазоне от 10,0 до 99,9В. Предел измерения выбирается подбором резисторов R7 и R9 в делителе напряжения, после чего производится калибровка вольтметра.

Формула расчёта делителя напряжения:

R7=Umax/Umcu*R9

Резистор R9 должен быть больше 2,7кОм.

Пример расчёта:
напряжение питания микроконтроллера 3.3В — задан стабилизатором
максимальный диапазон измерения 50В — требуемый предел измерения
R7 = 50 В / 3,3 В * 3300 Ом = 50000Ом
50кОм округляем в большую сторону до ближайшего номинала из таблицы Е, получаем 51кОм.

Прошивка универсальная, во всем диапазоне максимального измеряемого напряжения вольтметра от 10,0 до 99,9В, для корректной работы после сборки или замены делителя нужно рассчитать калибровочный коэффициент.

Калибровка вольтметра

При первом включении на вольтметре не будет ничего отображаться, это означает, что вольтметр включается первый раз и у него не установлен калибровочный коэффициент.

Для калибровки вольтметра нужно подключить общий провод и на его измерительный вход подать 10,0В. Затем подать питание. Вольтметр секунду подождет, рассчитает калибровочный коэффициент, и запишет его в eeprom.

Для сброса калибровочного коэффициента к вольтметру нужно подключить программатор и стереть его eeprom.

Применение

Область применения получившегося миниатюрного вольтметра такая же, как и у больших его собратьев: измерять напряжения в определенной цепи. Ограничение только по напряжению питания самого вольтметра, до 15В. Из-за чего без дополнительного понижающего стабилизатора в автомобилях его использовать не стоит. Из-за его миниатюрных размеров его можно встроить в небольшие устройства, например в портативные зарядные устройства, в устройства питающиеся от аккумуляторов или батарей, для контроля их заряда. При макетировании он не займет много места на беспаечных макетных платах.

Пример использования микро вольтметра

Исходный код к статье прилагаю. Для написания прошивки использовалась среда ST Visual Develop 4.3.6 и компилятор Cosmic Version: 4.4.7 Date: 05 Oct 2017.

Скачать архив с проектом

Состав архива проекта:
каталог altium — файлы для Altium Designed
• PCB_micro_voltmeter2.PcbDoc — PCB файл для альтиум (v17.1)
каталог firmware — прошивка:
• voltmeter_micro_stm8s003f3u6tr.hex — hex формат
• voltmeter_micro_stm8s003f3u6tr.s19 — ST Visual Develop генерирует по умолчанию
каталог gerber — gerber файлы для производства печатной платы
• pcb_micro_voltmeter2.drl — сверловка
• pcb_micro_voltmeter2.gbl — проводники низ
• pcb_micro_voltmeter2.gko — контур
• gerber.txt — описание gerber формата
каталог LUT pdf, отверстия на PDF файлах адоптированы под ЛУТ, т.е. сверловка уменьшена до 0.5мм
• lut a4.pdf — 600dpi, формат лист A4
• lut a6.pdf — 600dpi, формат лист A6
каталог source — содержит исходники прошивки, перед публикацией не прибирал, как есть.

Статья дополнена 2021.02.11