Гальванически разделённый аналоговый вход для Arduino на LM331 и оптопаре 4N25

Компоненты и материалы

Инструменты

• Паяльник

Программное обеспечение

• Arduino IDE
• Библиотека FreqCounter (Martin Nawrath) — ссылка

Зачем нужна гальваническая развязка

Сигналы от полевых датчиков могут быть повреждены импульсными помехами, грозой, EMI и разницей потенциалов земель. Полная изоляция входного цепи от Arduino решает эти проблемы. Для этого нужно изолированное питание для датчика и входного тракта (трансформатор T1), преобразование сигнала в частоту (LM331) и передача через оптопару (4N25).

Принцип работы

1. Входное напряжение (20 мВ – 5 В) или ток (4–20 мА, с джампером W1) поступает на LM331.
2. LM331 выдаёт импульсы с частотой ~1 кГц/В (настраивается подстроечником P1).
3. Импульсы через оптопару 4N25 попадают на Arduino D5 (T1 вход Timer1).
4. Arduino измеряет частоту библиотекой FreqCounter (gate time 1000 мс = 50/60 периодов сети → отличная помехоустойчивость).

Схема подключения к Arduino

• Коллектор 4N25 → D5 (с подтяжкой 2.2 кОм к +5V Arduino)
• Эмиттер 4N25 → GND Arduino
• Питание изолированной части: T1 → диодный мост → LM7808 → схема LM331 + датчик.

Скетч (Arduino)

#include <FreqCounter.h>

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Optoisolated analog input");
}

long int frq;

void loop() {
  FreqCounter::f_comp = 0;
  FreqCounter::start(1000);           // gate time 1000 мс
  while (FreqCounter::f_ready == 0);  // ждём готовности
  frq = FreqCounter::f_freq;          // частота в Гц
  Serial.println(frq);
  delay(100);
}

Почему частотомер, а не pulseIn? pulseIn измеряет период (два вызова), точность низкая, чувствителен к 50/60 Гц. FreqCounter использует Timer1 (счёт импульсов) и Timer2 (gate time 1 мс прерывания), за 1000 мс накапливает счёт — разрешение в 5 раз лучше, плюс подавление сетевых помех.

Принципиальная схема

Примечание: для диапазона 10 В замените LM7808 на LM7815 и используйте трансформатор с большим напряжением. Подстроечник P1 настраивается на 1 кГц/В.

Подробнее в блоге автора

ardupiclab.blogspot.it