Используемые элементы:

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:

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

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.

Как известно, ATmega может питаться от широкого диапазона напряжений, поэтому может оставаться "в строю" даже в случае постепенного разряда батареи, выражающегося в уменьшении напряжения. Ситуация эта в робототехнике более чем стандартная, за примером далеко ходить не надо: возьмем проект Voyager . Это робот-космический аппарат, запущенный за пределы солнечной системы и потому лишенный способности питаться от солнечных батарей . На него установлены радиоизотопные термические генераторы (ядерные батарейки), которые на момент старта выдавали 30В / 470Вт, но каждый год они теряют 0.78% своей мощности. Соответственно, в настоящий момент осталось около 60% от первоначальной, и приходится включать исследовательские подсистемы поочередно, чтобы не перегрузить генераторы.

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.

Как же выкрутиться из положения, не добавляя новых элементов в схему и не сокращая время работы батареи? Оказывается, выход - есть, и поможет нам внутренний источник опорного напряжения 1.1В в ATmega (в документации он проходит как bandgap reference), которое не зависит от Vcc. Получается такая формула:

V_BAT=(1.1*1024)/analogRead(14);

где V_BAT - это напряжение Vcc в вольтах, а analogRead(14) - результат прямого чтения АЦП из канала 14.

В Arduino разрешены чтения только из каналов 0-7 (не удивляйтесь, если нашли на своем Diecimila или Duemilanove только 0-5 , возьмите, к примеру, Seeeduino ;)

Чтобы появилась возможность отправлять данные в другие каналы, в том числе в 14, надо изменить маску в библиотеке-ядре Arduino. Для этого откройте файл hardware\cores\arduino\wiring_analog.c и найдите там строку:

ADMUX = (analog_reference

замените ее на:

ADMUX = (analog_reference

После этого можно написать вот такой скетч:

uint16_t raw_bandgap = 0; // значение внутреннего bandgap
float volt_battery = 0.0;

void setup (){
Serial .begin (57600);
}

void loop (){
// Чтение напряжения батареи
analogReference (DEFAULT ); // использовать Vcc как AREF
// холостое чтение после смены AREF (см. 23.5.2 в руководстве)
raw_bandgap = analogRead (14); // измерить значение внутреннего bandgap
volt_battery = (1.1 * 1024) / raw_bandgap; // вычислить Vcc
Serial .print (volt_battery);
Serial .println (" v_bat" );
delay (1000);
}

Тем, кто хочет знать напряжение на батарее, стоит иметь ввиду, что при наличии регулятора (типа L7805CV), мы будем измерять напряжение Vout регулятора, а в случае наличия входного диода - надо учесть напряжение, которое на нем падает.

Вот так выглядят вычисляемые значения в Seeeduino , в момент переключения с питания 5В на 3,3В:

При этом мой вольтметр показывает меньшие значения. Но, тем не менее - скетч работает;)

UPD: Нашел примеры, в которых вместо константы 1.1 используется 1.05. Результат получается гораздо ближе к показаниям вольтметра, ищу теоретическую базу, способную объяснить этот факт...

Представлена полезная схема для любителей поэкспериментировать с Ардуино. Это простой цифровой вольтметр, которым надежно можно измерять постоянное напряжение в диапазоне 0 – 30В. Плату Ардуино, как обычно, можно питать от 9В батареи.

Как вам вероятно известно, аналоговые входы Ардуино можно использовать для измерения постоянного напряжения в диапазоне 0 – 5В и этот диапазон можно увеличить,
используя два резистора в качестве делителя напряжения. Делитель уменьшит измеряемое напряжение до уровня аналоговых входов Ардуино. А затем программа вычислит реальную величину напряжения.

Аналоговый датчик на плате Ардуино определяет наличие напряжения на аналоговом входе и преобразует его в цифровую форму для дальнейшей обработки микроконтроллером. На рисунке напряжение подается на аналоговый вход (А0) через простой делитель напряжения, состоящий из резисторов R1 (100кОм) и R2 (10кОм).

При этих значениях делителя на плату Ардуино можно подавать напряжение от 0 до
55В. На входе А0 имеем измеряемое напряжение деленное на 11,т.е.55В / 11=5В. Иначе говоря, при измерении 55В на входе Ардуино имеем максимально допустимое значение 5В. На практике лучше на этом вольтметре написать диапазон “0 – 30В”, чтобы оставался
Запас по безопасности!

Примечания

Если показания дисплея не совпадают с показаниями промышленного (лабораторного) вольтметра, то необходимо точным прибором измерить величину сопротивлений R1 и R2 и вставить эти значения вместо R1=100000.0 и R2=10000.0 в коде программы. Затем следует измерить лабораторным вольтметром реальное напряжение между выводами 5В и “Земля” платы Ардуино. Получится значение меньшее, чем 5В, например, получилось 4.95В. Это реальное значение следует вставить в строке кода
vout = (value * 5.0) / 1024.0 вместо 5.0.
Кроме того, старайтесь применять прецизионные резисторы с допуском 1%.

Резисторы R1 и R2 обеспечивают некоторую защиту от повышенных входных напряжений.Однако следует помнить, что любые напряжения выше 55В могут вывести из строя плату Ардуино. Кроме того, в этой конструкции не предусмотрены другие виды защиты(от скачков напряжения, от переполюсовки или повышенного напряжения).

Программа цифрового вольтметра

/*
DC Voltmeter
An Arduino DVM based on voltage divider concept
T.K.Hareendran
*/
#include
LiquidCrystal lcd(7, 8, 9, 10, 11, 12);
int analogInput = 0;
float vout = 0.0;
float vin = 0.0;
float R1 = 100000.0; // resistance of R1 (100K) -see text!
float R2 = 10000.0; // resistance of R2 (10K) – see text!
int value = 0;
void setup(){
pinMode(analogInput, INPUT);
lcd.begin(16, 2);
lcd.print(“DC VOLTMETER”);
}
void loop(){
// read the value at analog input
value = analogRead(analogInput);
vout = (value * 5.0) / 1024.0; // see text
vin = vout / (R2/(R1+R2));
if (vin<0.09) {
vin=0.0;//statement to quash undesired reading !
}
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(“INPUT V= “);
lcd.print(vin);
delay(500);
}

Принципиальная схема Ардуино-вольтметра

Перечень компонентов

Плата Arduino Uno
100 кОм резистор
10 кОм резистор
100 Ом резистор
10кОм Подстроечный резистор
LCD дисплей 16?2 (Hitachi HD44780)