1

Секретный вольтметр в Arduino — измерение напряжения батареи средствами микроконтроллера

В основном перевод статьи Secret Arduino Voltmeter – Measure Battery Voltage с некоторыми дополнениями.

Мало известная фишка Ардуино и многих других AVR чипов это возможность измерить внутренний источник опорного напряжения 1.1 В. Эта функция может быть использована для повышения точности функции Arduino analogRead () при использовании стандартного опорного напряжения 5 В (на платформах с напряжением питания 5 В) или 3.3 В (на платформах с напряжением питания 3.3 В). Она также может быть использована для измерения Vcc, поданного на чип, обеспечивая средство контроля напряжения батареи без использования драгоценных аналоговый выводов.

Мотивация

Есть, по крайней мере, две причины для измерения напряжения, питающего наш Arduino (Vcc). Одним из них является наш проект, питающийся от батареи, если мы хотим следить за уровнем напряжения батареи. Кроме того, когда питание от батареи (Vcc) не может быть 5,0 вольт(например питание от 3-х элементов 1.5 В), а мы хотим сделать аналоговые измерения более точными — мы должны использовать либо внутренний источник опорного напряжения 1,1 В либо внешний источник опорного напряжения. Почему?

Обычно предполагают при использовании analogRead () то, что аналоговое напряжение питания контроллера составляет 5.0 вольт, когда в действительности это может быть совсем не так(например питание от 3-х элементов 1.5 В). Официальная документация Arduino даже может привести нас к этому неправильному предположению. Дело в том, что питание не обязательно 5,0 вольт, независимо от текущего уровня это питание подано на Vcc чипа. Если наше питание не стабилизировано или если мы работаем от аккумулятора, это напряжение может меняться совсем немного. Вот пример кода, иллюстрирующий эту проблему:

double Vcc = 5.0; // не обязательно правда
int value = analogRead(0); / читаем показания с А0
double volt = (value / 1023.0) * Vcc; // верно только если Vcc = 5.0 вольт

Для того чтобы измерить напряжение точно, необходимо точное опорное напряжение. Большинство чипов AVR обеспечивает три источника опорного напряжения:
  • 1,1 в от внутреннего источника, в документации он проходит как bandgap reference (некоторые из них 2,56  В, например ATMega 2560). Выбор осуществляется функцией analogReference() с параметром INTERNAL: analogReference(INTERNAL) ;
  • внешний источник опорного наптяжения, на ардуинке подписан  AREF. Выбор: analogReference(EXTERNAL);
  • Vcc — источник питания самого контроллера. Выбор: analogReference(DEFAULT).

В Arduino нельзя просто взять и подключить Vcc к аналоговому пину напрямую — по умолчанию AREF связан с Vcc и вы всегда будете получать максимальное значение 1023, от какого бы напряжения вы не питались. Спасает подключение к AREF источника напряжения с заранее известным, стабильным напряжением, но это — лишний элемент в схеме.

Еще можно соединить Vcc с AREF через диод: падение напряжение на диоде заранее известно, поэтому вычислить Vcc не составит труда. Однако, при такой схеме через диод постоянно протекает ток, сокращая жизнь батареи, что тоже не очень удачно.

Источник внешнего опорного напряжения является наиболее точным, но требует дополнительных аппаратных средств. Внутренний ИОН стабильным, но не точен + / — 10% отклонение. Vcc является абсолютно ненадежен в большинстве случаев. Выбор внутреннего источника опорного напряжения является недорогим и стабильным, но большую часть времени, мы хотели бы измеряет большее напряжение чем 1.1 В, так что использование Vcc является наиболее практичным, но потенциально наименее точным. В некоторых случаях оно может быть очень ненадежным!

Как это сделать

Многие чипы AVR включая серию ATmega и ATtiny обеспечивают средства для измерения внутреннего опорного напряжения. Зачем это нужно? Причина проста — путем измерения внутреннего напряжения, мы можем определить значение Vcc. Вот как:

  1. Установить источник опорного напряжения по умолчанию: analogReference(DEFAULT); . Используем как источник — Vcc.
  2. Снять показания АЦП для внутреннего источника 1.1 В.
  3. Расчитать значение Vcc основываясь на измерении 1.1 В по формуле:

Vcc * (Показания АЦП) / 1023 = 1.1 В

Из чего следует:

Vcc = 1,1 В * 1023 / (Показания АЦП)

Собираем все вместе и получаем код:

long readVcc() {
  // Read 1.1V reference against AVcc
  // set the reference to Vcc and the measurement to the internal 1.1V reference
  #if defined(__AVR_ATmega32U4__) || defined(__AVR_ATmega1280__) || defined(__AVR_ATmega2560__)
    ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX4) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);
  #elif defined (__AVR_ATtiny24__) || defined(__AVR_ATtiny44__) || defined(__AVR_ATtiny84__)
    ADMUX = _BV(MUX5) | _BV(MUX0);
  #elif defined (__AVR_ATtiny25__) || defined(__AVR_ATtiny45__) || defined(__AVR_ATtiny85__)
    ADMUX = _BV(MUX3) | _BV(MUX2);
  #else
    ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);
  #endif  

  delay(75); // Wait for Vref to settle
  ADCSRA |= _BV(ADSC); // Start conversion
  while (bit_is_set(ADCSRA,ADSC)); // measuring

  uint8_t low  = ADCL; // must read ADCL first - it then locks ADCH  
  uint8_t high = ADCH; // unlocks both

  long result = (high<<8) | low;

  result = 1125300L / result; // Calculate Vcc (in mV); 1125300 = 1.1*1023*1000
  return result; // Vcc in millivolts
}

Использование

Проверка напряжения Vcc или батареи

Вы можете назвать эту функцию – readVcc(), если Вы хотите мониторить Vcc. Примером может служить для проверка уровня заряда батареи. Вы также можете использовать её для определения подключены ли Вы к источнику питания или работаете от батареи.

Измерение Vcc для опорного напряжения

Вы также можете использовать её, чтобы получить правильное значение Vcc для использования с analogRead (), когда вы используете опорное напряжение (Vcc). Пока Вы не используете стабилизированный источник питания, Вы не можете быть уверенны, что Vcc = 5.0 вольт. Эта функция позволяет получить правильное значение. Хотя есть один нюанс….

В одной из статей я сделал заявление, что эта функция может использоваться, чтобы улучшить точность аналоговых измерений в тех случаях, когда Vcc было не совсем 5.0 вольт. К сожалению, эта процедура не будет давать точный результат. Почему? Это зависит от точности внутреннего источника опорного напряжения. Спецификация дает номинальное напряжение 1.1 вольт, но говорится, что оно может отличаться до 10%. Такие измерения могут быть менее точными, чем наш источник питания Arduino!

Повышаем точность

Пока большие допуски внутреннего источника питания 1.1 В. значительно ограничивают точность измерений при использовании в серийном производстве, для индивидуальных проэктов мы можем добиться большей точности. Сделать это просто, просто измерив Vcc с помощью вольтметра и нашей функции readVcc(). Далее заменяем константу 1125300L новой переменной:

scale_constant = internal1.1Ref * 1023 * 1000

где

internal1.1Ref = 1.1 * Vcc1 (показания_вольтметра) / Vcc2 (показания_функции_readVcc())

Это калиброванное значение будет хорошим показателем для измерений AVR чипом, но может зависеть от изменений температуры. Не стесняйтесь экспериментировать с вашим собственным измерениям.

 

Вывод

С этой маленькой функцией можно сделать многее. Вы можете использовать стабильное опорное напряжение близкое к 5.0 В не имея на самом деле 5.0 В на Vcc. Вы можете измерять напряжение вашей батареи или даже увидеть на каком вы питание от батареи или от стационарного источника питания.

И наконец, код будет поддерживать все Arduino, включая новый Leonardo, а также чипы ATtinyX4 и ATtinyX5 серий.

Пожалуйста, поделитесь  корректировками\замечаниями в комментариях ниже.

freeman

One Comment

  1. В сети гуляют, кроме описываемого здесь, еще два способа «особо точного» измерения опорного напряжения. Один основан на изменении стандартной библиотеки

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *