使用Arduino構(gòu)建電阻色碼計(jì)算器和歐姆表

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我使用ATmega328微控制器和1.8英寸彩色液晶顯示器構(gòu)建了一個(gè)手持電阻色碼計(jì)算器和歐姆表。

對(duì)于我們的項(xiàng)目，我們將創(chuàng)建一個(gè)基于Arduino的歐姆計(jì)，它也可以作為一個(gè)電阻顏色代碼計(jì)算器，在視覺上模仿All About Circuits流行的在線電阻顏色代碼計(jì)算機(jī)。以下是我們已完成項(xiàng)目的運(yùn)行視頻：

項(xiàng)目概況

該系統(tǒng)的大腦是一個(gè)ATmega328微控制器（Arduino UNO）。我們還將使用：

一個(gè)小型TFT液晶顯示器。

用于與簡(jiǎn)單GUI交互的六個(gè)按鈕，

CD4051多路復(fù)用器/多路分用器

八個(gè)不同的電阻器，用于在測(cè)量范圍之間切換。

與我之前的幾個(gè)項(xiàng)目類似，我為這個(gè)設(shè)備創(chuàng)建了一個(gè)專用的All About Circuits品牌PCB；但是，您也可以使用面包板或perfboard復(fù)制此項(xiàng)目。

這個(gè)項(xiàng)目旨在既有趣又有教育意義。有更準(zhǔn)確和可靠的方法來測(cè)試您的組件，因?yàn)榧词故亲畋阋说娜f用表也可能會(huì)給您更好的結(jié)果。典型的電阻器的容差為5%，ATmega328的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的分辨率僅為10位。所以，我們的精度將低于一個(gè)好的歐姆表。

電阻器顏色代碼

電阻器色標(biāo)系統(tǒng)最初由無線電制造商協(xié)會(huì)在20世紀(jì)20年代開發(fā)，用于提供電阻器值和額定值的視覺指示（圖1）。

電阻色帶編碼系統(tǒng)

圖1。電阻色碼表。圖片由EEPower提供

我們將在這個(gè)項(xiàng)目中構(gòu)建的顏色代碼計(jì)算器只涵蓋四個(gè)帶電阻。對(duì)于這些類型的組件，前兩個(gè)帶表示電阻值的兩個(gè)最高有效數(shù)字，第三個(gè)帶表示十進(jìn)制乘數(shù)，第四個(gè)帶表示以百分比表示的值公差。

什么是歐姆表？

歐姆表是每個(gè)EE實(shí)驗(yàn)室的重要工具，它是一種測(cè)量電阻的儀器，既可以作為專用單元，也可以作為萬用表的一部分。它需要一個(gè)內(nèi)部電壓源來產(chǎn)生必要的工作電流，以及適當(dāng)?shù)臏y(cè)距電阻器來有效測(cè)量被測(cè)設(shè)備。

雖然有各種不同類型的歐姆表，但這個(gè)項(xiàng)目使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器。分壓器是一種電路，其中串聯(lián)連接的兩個(gè)電阻器兩端的輸入電壓與兩個(gè)電阻器的比率成比例地減小。

我們將在串聯(lián)連接到被測(cè)電阻器（未知值）的多個(gè)測(cè)距電阻器（已知值）之間進(jìn)行切換，并使用歐姆定律根據(jù)測(cè)量的輸出電壓和已知的輸入電壓計(jì)算其值。

電路設(shè)計(jì)

圖2的示意圖向我們展示了如何將此項(xiàng)目的面包板或PCB版本的所有組件連接在一起。如果您使用的是開發(fā)板，請(qǐng)確保您的組件與代碼中的引腳配置相匹配。

電阻色碼計(jì)算器和歐姆表示意圖

圖2:電阻色碼計(jì)算器和歐姆表示意圖。

由于我沒有使用電壓調(diào)節(jié)器，因此最好使用插入穩(wěn)壓5V電源的設(shè)備。我的PCB使用一個(gè)專用的USB B端口，可以插入電腦、手機(jī)充電器或移動(dòng)電源，這也使它變得便攜。

圖形顯示和用戶界面

我們的系統(tǒng)使用一系列七個(gè)嵌套屏幕（專用功能），能夠出現(xiàn)在128x160 TFT LCD上，作為其基本的圖形用戶界面（GUI）。這些屏幕的插圖是通過使用Adafruit的GFX和ST7735庫(kù)在顯示器上直接繪制字母數(shù)字和基本形狀而生成的。ST7735是嵌入到本項(xiàng)目使用的1.8英寸TFT LCD模塊中的顯示驅(qū)動(dòng)芯片。

注意：將形狀組合為圖形是因?yàn)槭褂棉D(zhuǎn)換為Arduino代碼的大位圖會(huì)損害系統(tǒng)性能。

控制

我們GUI的每個(gè)屏幕功能最多可以響應(yīng)六個(gè)觸覺按鈕。在專用PCB上，外兩個(gè)標(biāo)有“選擇”和“返回”，而內(nèi)四個(gè)標(biāo)有左、右、上、下箭頭符號(hào)。這些按鈕構(gòu)成了用于瀏覽菜單、選擇菜單項(xiàng)和返回上一屏幕的控件。

主菜單

初始化屏幕作為其主菜單。GUI的這一部分提示用戶在兩個(gè)主要功能之一之間進(jìn)行選擇——?dú)W姆表或顏色代碼計(jì)算器（圖3）。對(duì)于這個(gè)菜單，我決定在兩個(gè)菜單項(xiàng)上方放置一個(gè)All About Circuits徽標(biāo)，使用幾個(gè)相互連接的圓形矩形重新創(chuàng)建。

歐姆表和電阻器色碼計(jì)算器功能的主菜單

選擇

圖3.歐姆表和電阻器色碼計(jì)算器功能選擇的主菜單

導(dǎo)航和選擇

我們系統(tǒng)的每個(gè)屏幕都包含多個(gè)可選擇的菜單項(xiàng)，顯示為圓角矩形。要瀏覽這些項(xiàng)目，每個(gè)菜單都有一個(gè)額外的輪廓矩形，可以使用四個(gè)導(dǎo)航按鈕向上或向下移動(dòng)。

通過單擊菜單中的“選擇”按鈕，我們的代碼通過檢查輪廓矩形的當(dāng)前位置以及相應(yīng)的輪廓項(xiàng)目來確定用戶從該菜單中選擇了什么項(xiàng)目。

菜單之間的切換是使用一個(gè)標(biāo)志變量在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，該變量根據(jù)用戶的選擇跟蹤LCD上需要顯示的內(nèi)容。也就是說，在Arduino代碼循環(huán)的下一次迭代中，需要調(diào)用七個(gè)屏幕函數(shù)中的哪一個(gè)。

歐姆表應(yīng)用程序

我們系統(tǒng)中的第二個(gè)屏幕是自包含的歐姆表應(yīng)用程序，如圖4所示。此屏幕的頂部顯示被測(cè)電阻器的值以及所選的測(cè)量范圍。屏幕底部顯示八個(gè)可選范圍，對(duì)應(yīng)于連接到CD4051芯片輸出的每個(gè)測(cè)距電阻器的值。

<em>歐姆表主屏幕</em>

圖4.歐姆表主屏幕

在我們的項(xiàng)目中，我們使用CD4051作為解復(fù)用器，并使用ATmega328的三個(gè)引腳對(duì)其進(jìn)行尋址。這樣做將使我們能夠從八個(gè)CD4051輸出通道中數(shù)字選擇一個(gè)，將測(cè)距電阻器物理連接到其輸入端的未知電阻器，從而完成我們的分壓器電路。

一旦從GUI中選擇了一個(gè)范圍，微控制器將尋址多路分解器，并在其模擬引腳之一上測(cè)量分壓器的輸出電壓。從這里開始，它根據(jù)前面討論的公式計(jì)算未知電阻，并在系統(tǒng)的LCD上顯示其測(cè)量值。

為了了解如何正確選擇或校準(zhǔn)測(cè)量范圍，您應(yīng)該查看AAC的Intro Lab-如何使用歐姆表測(cè)量電阻文章。

電阻器顏色代碼計(jì)算器應(yīng)用程序

我們系統(tǒng)中的第三個(gè)屏幕是電阻器顏色代碼計(jì)算器應(yīng)用程序（圖5）。此屏幕分為三個(gè)部分，可以將用戶帶到四個(gè)附加的嵌套菜單。

<em>電阻色碼計(jì)算器主屏幕</em>

圖5.電阻色碼計(jì)算器主屏幕

此屏幕的頂部顯示了一個(gè)以All About Circuits的電阻器顏色代碼計(jì)算器為藍(lán)本的四帶電阻器，該計(jì)算器是使用一系列不同大小和顏色的矩形重新創(chuàng)建的。在這張圖上，代表電阻器色帶的四個(gè)矩形能夠根據(jù)用戶輸入動(dòng)態(tài)切換顏色。

右下角部分包含四個(gè)菜單項(xiàng)，一個(gè)用于設(shè)置將用戶帶到附加菜單屏幕的每個(gè)色帶，而左下角部分則包含應(yīng)用程序標(biāo)題以及所選色帶序列的計(jì)算結(jié)果（電阻值和公差）。

為了設(shè)置色帶，用戶必須首先進(jìn)入四個(gè)附加菜單屏幕中的一個(gè)。這些屏幕由一個(gè)適當(dāng)?shù)臉?biāo)題以及一系列顏色或菜單項(xiàng)組成（如圖6所示）。每次用戶從這些菜單中選擇一種顏色時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)將其保存到該特定波段，返回上一屏幕，更改電阻器圖示上該波段的顏色，并將其值輸入顏色代碼計(jì)算器公式。

電阻色碼計(jì)算器第一位色帶選擇屏幕

圖6.電阻色碼計(jì)算器第一位數(shù)字色帶選擇屏幕

這樣，所示電阻器上當(dāng)前描繪的頻帶序列的電阻和公差就會(huì)被計(jì)算出來，并顯示在我們的電阻器顏色代碼計(jì)算器屏幕的左下角。

上傳代碼

一旦你連接好所有東西，你需要將代碼上傳到你的微控制器。如果你使用的是普通的Arduino或類似的開發(fā)板，這個(gè)過程很簡(jiǎn)單，只需插入U(xiǎn)SB連接器，選擇你的板和相應(yīng)的com端口，然后單擊上傳按鈕。你可以從Github下載Arduino代碼。

另一方面，如果你想使用我的PCB設(shè)計(jì)將這個(gè)項(xiàng)目重新創(chuàng)建為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，你需要一個(gè)額外的USB到串行模塊，以便按照面包板文章中Arduino的從Arduino到微控制器對(duì)ATmega328 IC進(jìn)行編程。

物料清單和PCB文件

表1包含物料清單（BOM）。您可以下載PCB板文件。

表1.物料清單電阻器色碼計(jì)算器和歐姆表

讓我知道進(jìn)展如何

如果你試圖重新創(chuàng)建這個(gè)項(xiàng)目或用它來開發(fā)其他東西，請(qǐng)?jiān)谙旅娴脑u(píng)論中留言。All About Circuits團(tuán)隊(duì)和我都很想知道這件事。