Medidor de Tensão e Corrente com Cortex-M4 e Display LCD

Este tutorial descreve o desenvolvimento de um medidor de tensão e corrente, exibindo as medições em um display LCD utilizando um microcontrolador ARM Cortex-M4Visão geral dos microcontroladores ARM Cortex-M4Descubra os microcontroladores ARM Cortex-M4, que oferecem eficiência, controle em tempo real e recursos avançados para aplicações industriais, médicas e mais.. A proposta é apresentar conceitos fundamentais de hardware e firmware, abordando desde a seleção de componentes até a implementação de rotinas de leitura e exibição dos valores medidos. O público principal inclui engenheiros, estudantes e entusiastas de sistemas embarcados e desenvolvimento de firmware que desejam criar aplicações práticas e funcionais.

Visão Geral do Projeto🔗

A ideia central é construir um sistema capaz de:

1. Medir tensão da fonte ou do sinal de interesse.

2. Medir corrente por meio de um resistor de shunt ou outro sensor de corrente.

3. Exibir esses valores em um display LCD, possibilitando fácil visualização.

Para isso, utilizaremos os recursos de ADC (conversor analógico-digitalLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados.) do nosso microcontrolador Cortex-M4Visão geral dos microcontroladores ARM Cortex-M4Descubra os microcontroladores ARM Cortex-M4, que oferecem eficiência, controle em tempo real e recursos avançados para aplicações industriais, médicas e mais.. A confiabilidade e precisão das medições dependem tanto do projeto de hardware quanto das rotinas de leitura e calibração na camada de firmware.

Componentes Principais🔗

A tabela a seguir lista os componentes essenciais para o sistema, bem como as suas funções:

Arquitetura de Hardware🔗

Nesta etapa, definimos o esquema elétrico que integra o microcontrolador, o sensor de corrente, o divisor de tensão para medição e o display LCD.

Estrutura Básica

• Medição de Tensão: faz-se um divisor resistivo ligando o sinal a medir ao ADC. Se a tensão de entrada puder exceder a faixa de medição do ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados. (por exemplo, 3.3 V), é necessário reduzir adequadamente esse valor.
• Medição de Corrente: a corrente atravessa o resistor shunt (ou um sensor de efeito Hall), gerando uma pequena queda de tensão, lida pelo ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados.. A escolha do valor do shunt deve equilibrar a precisão desejada e a dissipação de potência.
• Display LCD: pode ser comandado via interface paralela ou I2C/SPI. Em projetos que visam simplificar fiações, é comum usar LCDs com interface serial (I2C ou SPILeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados.).

Proteção e Filtragem

• Proteções de ESD e diodos de clamp podem ser necessárias para proteger o microcontrolador contra surtos.
• Utiliza-se capacitores para formar filtros de passagem baixa, reduzindo ruídos de alta frequência nos sinais analógicos antes de irem ao ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados..

Firmware: Leitura e Processamento🔗

O passo fundamental é configurar corretamente o ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados. do microcontrolador. A precisão das leituras depende de parâmetros como:

• Configuração de sample time (tempo de amostragem) apropriado.
• Ajuste de clock e resolução do ADC (p. ex., 12 bits).
• Offset e ganho do sensor de corrente, se aplicável.

Ajuste do ADC

1. Seleção do canal: escolha o canal ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados. vinculado ao pino conectado ao divisor de tensão ou sensor de corrente.

2. Configuração de resolução: 12 bits costuma ser um padrão para microcontroladores Cortex-M4Visão geral dos microcontroladores ARM Cortex-M4Descubra os microcontroladores ARM Cortex-M4, que oferecem eficiência, controle em tempo real e recursos avançados para aplicações industriais, médicas e mais..

3. Taxa de amostragem: depende da frequência de atualização desejada e do ruído presente no sinal.

Conversão e Cálculo de Tensão

Supondo que o ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados. trabalhe em 3.3 V de referência e 12 bits de resolução, o valor lido pode ser processado conforme:

Caso exista um divisor de tensão:

onde:

• \( R_1 \) e \( R_2 \) são resistores do divisor.
• \( V_{medido} \) é a tensão na entrada do ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados..

Conversão e Cálculo de Corrente

Para um resistor shunt de valor \( R_{shunt} \), a corrente calculada:

onde \( V_{shunt} \) é a tensão medida pelo ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados. na queda do resistor.

Se estiver utilizando um sensor de corrente com ganho interno (por exemplo, 100 mV/A), ajusta-se a fórmula conforme o fator de conversão fornecido pelo datasheet.

Exibição dos Resultados no LCD🔗

A exibição no LCD exige rotinas de inicialização e escrita de caracteres. Em geral, o fluxo básico é:

1. Inicializar o barramento (I2C, SPI ou GPIOsConfigurando e manipulando GPIO, Timers e PWM no Cortex-M4Configure GPIO, Timers e PWM no Cortex-M4. Aprenda os passos essenciais e boas práticas para sistemas embarcados de alta performance., dependendo do tipo de LCD).

2. Enviar comandos de configuração (tamanho, cursor, estilo de exibição etc.).

3. Formatar a string com as leituras de tensão e corrente.

4. Enviar a string ao LCD, mostrando valores numéricos como “V: 12.34” e “I: 1.23”.

Seu firmware poderá atualizar o display em intervalos regulares (por ex., a cada 500 ms). Isso evita a cintilação e não sobrecarrega o microcontrolador com atualizações constantes.

Calibração e Precisão🔗

Para obter leituras confiáveis, é preciso calibrar o sistema. Alguns pontos:

• Offset: medir quando não há tensão ou corrente para compensar leituras espúrias.
• Ganho: comparar a leitura do sistema com um multímetro de referência em pontos conhecidos (ex.: 5 V, 12 V, 24 V, etc.) e ajustar o firmware.
• Temperatura: componentes como resistores e shunts variam levemente sua resistência com a temperatura, o que pode afetar a exatidão.

Boas Práticas de Projeto🔗

• Organização de Código: separar drivers de ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados., drivers do LCD e aplicação principal em arquivos distintos, facilitando manutenção e expansão.
• Tratamento de Erros: prever condições em que os valores lidos podem estar fora de alcance ou em overflow.
• Gerenciamento de Energia: caso o sistema seja alimentado por bateria, considere modos de baixo consumo quando não estiver realizando medições críticas.

Conclusão🔗

Construir um medidor de tensão e corrente baseado em um microcontrolador Cortex-M4Visão geral dos microcontroladores ARM Cortex-M4Descubra os microcontroladores ARM Cortex-M4, que oferecem eficiência, controle em tempo real e recursos avançados para aplicações industriais, médicas e mais. e exibindo resultados em um display LCD é uma experiência enriquecedora para quem deseja aprofundar conhecimentos em sistemas embarcados. A integração de hardware (divisor de tensão, resistor shunt/sensor de corrente, filtragem e proteção) e firmware (configuração de ADCLeitura de sinais analógicos com ADC e interface SPIAprenda a configurar o ADC interno e a interface SPI em microcontroladores ARM Cortex-M4, garantindo precisão e desempenho em sistemas embarcados., cálculos de conversão e exibição em LCD) permite entender, na prática, conceitos fundamentais de leitura de sinais analógicos e comunicação com periféricos.

Seguindo uma arquitetura organizada e fazendo uso de calibração adequada, é possível obter medições confiáveis e precisas, tornando o projeto válido para diversos cenários, como testes em bancada, sistemas de monitoramento e dispositivos portáteis.

Destaque: A aplicação real pode ser expandida para incluir alarmes de sobrecorrente, registro de dados em memória ou comunicação via interfaces sem fio, de acordo com as necessidades do projeto. Entretanto, a base apresentada aqui – medição confiável e exibição amigável – forma o alicerce de qualquer sistema de monitoração de grandezas elétricas.