📗 Двухканальный цифровой вольтметр с графиком и шкалой на Arduino

🧾 Описание проекта

Этот проект представляет собой двухканальный цифровой вольтметр на базе Arduino, предназначенный для одновременного измерения входного и выходного напряжения, а также отображения максимального зафиксированного значения и реального графика изменения напряжения во времени.

Вольтметр отображает:

• 🟢 Входное напряжение (V In)
• 🔵 Выходное напряжение (V Out)
• 🔺 Максимальное выходное напряжение (V Max)
• 📉 График изменения выходного напряжения
• 📊 Вертикальную шкалу напряжения справа

Это отличный проект для начинающих радиолюбителей и разработчиков лабораторных блоков питания: он наглядно показывает работу стабилизаторов, поведение напряжения под нагрузкой и позволяет оценивать динамику процессов.

---

🔧 Используемые компоненты

Компонент	Кол-во	Примечание	Где Купить
Arduino Nano / Uno	1	Основной контроллер	Купить
OLED-дисплей 128×64 I2C	1	Адрес 0x3C, библиотека Adafruit	Купить
Кнопка	1	Для сброса максимума	Купить
Резисторы для делителей	4	См. ниже, для масштабирования	Купить
Провода, макетная плата	—	Подключение компонентов	Купить

⚙️ Схема подключения

---

🔌 Подключение компонентов

🖥️ OLED-дисплей:

• GND → GND
• VCC → 5V
• SCL → A5
• SDA → A4

🎛️ Измерение напряжений:

Arduino измеряет напряжения через аналоговые входы A0 и A1. Но напрямую подавать на них более 5 В опасно. Поэтому используются резистивные делители напряжения.

📥 Делитель для входного напряжения (V In → A0):

• Верхний резистор: 40 кОм
• Нижний резистор: 10 кОм
• Входной сигнал подаётся на верхний резистор
• Средняя точка подключается к A0
• Позволяет измерять до 25 В

📤 Делитель для выходного напряжения (V Out → A1):

• Верхний резистор: 40 кОм
• Нижний резистор: 10 кОм
• Средняя точка подключается к A1
• Такой делитель даёт коэффициент ≈ 1/5, что позволяет измерять до 25 В

⚠️ Подбирайте резисторы с учётом нужного диапазона. Программа изначально рассчитана на вход 0–5 В, поэтому при использовании делителей нужно изменить формулу расчёта напряжения.

---

⚙️ Как работает программа

Программа построена на основе двух объектов класса VoltMeter, каждый из которых отвечает за измерение напряжения по одному из входов.

А также один экземпляр класса Oscilloscope (осциллограф)

📦 Смотри раздел "Скетч Arduino"

Основные этапы работы:

1. Измерение напряжений:
   • Выполняется analogRead() на пинах A0 и A1.
   • Полученные значения преобразуются в вольты: voltage = raw * (5.0 / 1023.0);
   • При необходимости можно умножать результат на коэффициент делителя, например voltage *= 2.0;
2. Отображение данных:
   • Все показания (V In, V Out, V Max) отображаются в верхней части дисплея крупным текстом.
   • Используется шрифт TextSize(1) для чёткости и экономии места.
3. Фиксация максимума:
   • В каждом измерении программа сравнивает текущее значение с предыдущим максимумом.
   • При нажатии на кнопку (подключенную к D2) максимум сбрасывается.
4. График напряжения:
   • Отдельный класс Oscilloscope сохраняет последние измерения в буфере.
   • В нижней части дисплея рисуется линия, отображающая изменение напряжения во времени.
   • График занимает 110 пикселей по горизонтали и не наезжает на шкалу.
5. Вертикальная шкала справа:
   • Сегментная шкала (10 делений) показывает текущий уровень выходного напряжения.
   • Обновляется при каждом цикле измерения.

🧠 Дисплей

Размещение основных блоков отображения на экране OLED дисплея

Отображение на дисплее

Программа строит интерфейс в несколько этапов:

• Верхняя часть дисплея — отображает входное и максимальные значения напряжения
• Средняя часть —  напряжение на выходе блока питания.
• Нижняя часть — график напряжения во времени, построенный с использованием массива graphBuffer[], в котором хранятся последние 128 измерений. Этот массив сдвигается каждый раз и отображается как ломаная линия, повторяя форму изменения напряжения.
• Правая часть — визуальный уровень напряжения в виде сегментной шкалы, где каждый сегмент активен в зависимости от уровня сигнала.

Такой подход позволяет использовать OLED-дисплей максимально эффективно: информативно и красиво.

---

📜 Скетч Arduino

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64
#define OLED_RESET     -1

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

const int inputPin = A0;  // Входное напряжение
const int outputPin = A1; // Выходное напряжение
const int resetButtonPin = 2; // Кнопка сброса максимума

#define GRAPH_HEIGHT 20
#define GRAPH_WIDTH  110 // Оставляем место справа под шкалу
uint8_t graphBuffer[GRAPH_WIDTH];

// Класс вольтметра
class VoltMeter {
  private:
    int pin;
    float voltage;
    float maxVoltage;

  public:
    VoltMeter(int analogInputPin) {     // Кнструктор класса
      pin = analogInputPin;
      voltage = 0.0;
      maxVoltage = 0.0;
    }

    void measure() {      // Метод -измерение
      int raw = analogRead(pin);
      voltage = raw * (5.0 / 1023.0);
      if (voltage > maxVoltage) {
        maxVoltage = voltage;
      }
    }

    void resetMax() {      // Метод - сброс максимального значения
      maxVoltage = voltage;
    }

    float getVoltage() {      // Метод - получить измеренное напряжение
      return voltage;
    }

    float getMax() {      // Метод - получить максимальное напряжение
      return maxVoltage;
    }
};

// Класс осциллограф
class Oscilloscope {
  
  public:
    Oscilloscope() {     // Кнструктор класса
    //  pin = analogInputPin;
    }
  

  void updateGraph(float voltage) {
    for (int i = 0; i < GRAPH_WIDTH - 1; i++) {
      graphBuffer[i] = graphBuffer[i + 1];
    }
    uint8_t newY = map(voltage * 100, 0, 500, 0, GRAPH_HEIGHT);
    graphBuffer[GRAPH_WIDTH - 1] = newY;
  }

  void drawGraph() {
    int baseY = SCREEN_HEIGHT - 1;
    for (int x = 0; x < GRAPH_WIDTH - 1; x++) {
      display.drawLine(x, baseY - graphBuffer[x], x + 1, baseY - graphBuffer[x + 1], SSD1306_WHITE);
    }
  }

  void drawScale(float value) {
    const int segments = 10;
    const int startX = SCREEN_WIDTH - 10; // Правая сторона экрана
    const int startY = 58;
    const int segWidth = 8;
    const int segHeight = 4;
    const int gap = 2;

    int activeSegments = map(value * 100, 0, 500, 0, segments);

    for (int i = 0; i < segments; i++) {
      int y = startY - i * (segHeight + gap);
      if (i < activeSegments) {
        display.fillRect(startX, y, segWidth, segHeight, SSD1306_WHITE);
      } else {
        display.drawRect(startX, y, segWidth, segHeight, SSD1306_WHITE);
      }
    }
  }
};

VoltMeter vinMeter(inputPin);   //Экземпляр класса вольтметр V In
VoltMeter voutMeter(outputPin);   // Экземпляр класса вольтметр V Out
Oscilloscope oscill;   //Экземпляр класса осциллограф

void setup() {
  pinMode(resetButtonPin, INPUT_PULLUP);
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(10, 28);
  display.println("Digital Voltmeter");
  display.display();
  delay(1500);
}

void loop() {
  vinMeter.measure();
  voutMeter.measure();

  if (digitalRead(resetButtonPin) == LOW) {
    vinMeter.resetMax();
    voutMeter.resetMax();
    delay(300);
  }

  float vin = vinMeter.getVoltage();
  float vout = voutMeter.getVoltage();
  float vmax = voutMeter.getMax();

  oscill.updateGraph(vout);
  display.clearDisplay();

  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("V In:  ");
  display.print(vin, 2);
  display.println(" V");

  display.setCursor(0, 10);
  display.print("V Max: ");
  display.print(vmax, 2);
  display.println(" V");

  display.setCursor(0, 20);
  display.print("V Out: ");
  display.print(vout, 2);
  display.println(" V");

  oscill.drawGraph();
  oscill.drawScale(vout);

  display.display();
  delay(200);
}

🧠 Советы и доработки

• ✅ Добавить коэффициент делителя прямо в класс VoltMeter, чтобы учесть масштабирование.
• 💾 Сохранять максимум в EEPROM, чтобы он не сбрасывался при перезагрузке.
• 🧲 Добавить третью строку: ток или мощность, если есть токовый шунт.
• 📈 Изменить масштаб графика для отображения высокого напряжения.

---

⚡ Применение

• Настройка и тестирование лабораторных блоков питания.
• Измерение и контроль напряжения в проектах Arduino.
• Демонстрация работы стабилизаторов напряжения.
• Учебные и демонстрационные стенды.