Abstract | Arduino je platforma otvorenog tipa namijenjena u svrhu kreiranja raznih elektroničkih sklopova i uređaja. Od nekakvih jednostavnijih mjernih instrumenata (s obzirom da je vrlo kompatibilna sa raznim vrstama senzora te ima mogućnost mjerenja gotovo svih fizikalnih veličina) pa sve do nekakvih složenih robota. Osnovni dijelovi Arduina su mikroprocesor (vrsta ovisi o vrsti pločice), analogni i digitalni ulazi i izlazi, pinovi za napajanje, USB konektor, te konektor za napajanje. Ulazni signal može biti analognog ili digitalnog oblika, dok signal s izlaza Arduina može biti digitalni ili PWM digitalni signal namijenjen izvršavanju funkcija analognog signala s obzirom da postoji mogućnost kontrole iznosa srednje vrijednosti signala. Signal koji se dovede na analogni ulaz Arduina preko 10-bitnog ADC-a u svakom taktu bude pretvoren u odgovarajuću digitalnu razinu (jednu od mogućih 1024 s obzirom da 10-bitna razlučivost omogućuje 210 različitih razina). Jedina fizikalna veličina koju Arduino ima mogućnost direktno očitavati preko analognih ulaza je istosmjerni napon stoga mjerenje napona pomoću Arduina ne predstavlja nikakav problem. S obzirom da je tema ovog završnog rada izrada ampermetra, odnosno instrumenta pomoću kojeg će biti moguće mjerenje iznosa istosmjerne struje potrebno je bilo na neki način pretvorit struju u odgovarajući naponski iznos. U svrhu postizanja linearne ovisnosti napona o struji korišteni su shuntovi (otpornici velikih dimenzija s malim iznosima otpora) iz razloga što prolaskom struje kroz iste stvara se pad napona čija vrijednost linearno ovisi o iznosu struje preko Ohmovog zakona. Kreirane su dvije verzije ampermetra, jedna pomoću shunta nazivnog iznosa otpora 1 mΩ za mjerenje struja do 100 A i druga sa shuntom iznosa otpora 10 mΩ za mjerenje manjih struja, ali s većom preciznosti. Ampermetri, koji su izrađeni u sklopu ovog završnog rada sastojali su se od četiri osnovna stupnja. Prvi stupanj je senzor, odnosno shunt koji struju pretvara u napon. Drugi stupanj čini operacijsko pojačalo u neinvertirajućoj izvedbi u svrhu pojačanja signala kojeg generira senzor zbog mogućnosti točnijeg očitanja. Treći stupanj je Arduino koji vrši čitanje signala, njegovu obradu šalje izračunatu struju na četvrti stupanj, odnosno LCD prikaz koji u svakom trenu omogućuju prikaz iznosa mjerene struje. Međutim, prije realizacije samog sklopa i pisanja koda potrebno je bilo kalibrirati vrijednosti shuntova (pomoću funkcije linest u MS Excelu nakon mjerenja padova napona za različite iznose struja) i naponsko pojačanje operacijskog pojačala jer se javio problem ovisnosti pojačanja o iznosu napona na ulazu OP-a. Tek nakon kalibracije moguće je bilo napisati kod koristeći okruženje Arduino IDE. Nakon što je kod napisan i oba ampermetra fizički realizirana, jedino je još preostalo izvršiti nekoliko mjerenja za oba ampermetra pri različitim iznosima struja te za svako mjerenje izračunati postotnu pogrešku preko kojih će biti određena klasa točnosti instrumenata. Nakon što su izračunate sve pogreške došlo se do zaključka da su one sve manjeg iznosa što je iznos mjerene struje veći. Zanemarujući mjerenja pri malim strujama moglo se zaključiti da ampermetar realiziran sa shuntom iznosa otpora 1 mΩ, kao i ampermetar realiziran pomoću shunta nazivnog otpora 10 mΩ, pripada klasi točnosti 2,5 što ih ne čini najpreciznijim mjernim instrumentima, ali u svrhu relativno grubih mjerenja zadovoljavaju. |
Abstract (english) | Arduino is an open-source platform intended for the purpose of creating various electronic circuits and devices. From some simpler measuring instruments (since it is very compatible with various types of sensors and has the ability to measure almost all physical quantities) to some more complex robots. The main parts of an Arduino are microprocessor (type of a microprocessor depends on type of Arduino board), analog and digital inputs and outputs, power pins, a USB connector, and a power connector. The input signal can be analog or digital, while the signal from the Arduino outputs can be a digital or PWM digital signal intended to perform the functions of the analog signal since mean value of the signal can be controlled with PWM method. The signal that is fed to the analog input of the Arduino, through a 10-bit ADC, is converted to the appropriate digital level at each clock cycle (one of the possible 1024 since the 10-bit resolution allows 210 different levels). The only physical quantity that the Arduino has the ability to read directly through the analog inputs is the DC voltage so measuring the voltage using an Arduino is no problem. Since the topic of this final thesis is the production of an ammeter, that is, an instrument used to measure the amount of direct current, it was necessary to somehow convert value of the current into the appropriate voltage amount. In order to achieve a linear dependence of voltage on current, shunts (resistors of large dimensions with small amounts of resistance) were used because the passage of current through them creates a voltage drop whose value linearly depends on the amount of current, as stated by the Ohm's law. Two versions of the ammeter were created, one using a shunt with a nominal resistance of 1 mΩ for measuring currents up to 100 A and the other with a shunt of a resistance of 10 mΩ for measuring smaller currents, but with greater precision. The ammeters, which were made as part of this final work, consisted of four basic stages. The first stage is a sensor, ie a shunt that converts current into voltage. The second stage consists of an operational amplifier in a non-inverting design for the purpose of amplifying the signal generated by the sensor to achieve the possibility of a more accurate reading. The third stage is the Arduino, which reads the signal, executes the calculations and forwards the calculated current to the fourth stage, or LCD display that allows you to display the amount of measured current at any time. However, before the instrument can be created and code written, it was necessary to calibrate the shunt values (using the linest function in MS Excel after measuring the voltage drops for different currents) and the voltage amplification of the operational amplifier because there was a problem of voltage amplification-input voltage dependance. Only after calibration was it possible to write code using the Arduino IDE environment. After the code is written and both ammeters are physically created, the only thing left is to make a few measurements for both ammeters at different currents and for each measurement calculate the percentage error over which the accuracy class of the instruments will be determined. After all the errors were calculated, it was concluded that the error is smaller while measuring larger currents rather than smaller. Ignoring measurements at low currents, it could be concluded that an ammeter realized with a shunt of resistance of 1 mΩ, just like the other ammpeter that uses shunt of resistance of 10 mΩ, belongs to the accuracy class 2.5 which does not make them the most accurate measuring instruments, but still can be precise enough for rough measurements. |