АЦП ADS1015 и измерение силы тока
- Войдите на сайт для отправки комментариев
Пт, 28/02/2020 - 20:05
Всем привет!
Делаю автономное устройство на базе ESP8266. Работать оно будет от аккумулятора 18650 и заряжаться от солнечной панели через схему заряда TP5000. Мне нужно измерять напряжение на аккумуляторе, напряжение на солнечной панели, а также ток заряда аккумулятора и ток разряда. Для этих целей решил использовать внешний АЦП ADS1015, так как у ESP8266 не достаточно аналоговых входов.
Как правильно организовать схему? В режиме дифференциального измерения ADS1015 использует 2 аналоговых входа. То есть получается А0 и А1 для измерения падения напряжения на шунте от солнечной панели и А2, А3 - на шунте "разряда" аккумулятора. При этом А1 и А2 соединены вместе в точке соединения шунтов и аккумулятора. То есть, вот так:
Может это неправильная схема подключения, я не знаю, прошу вашего совета. Может лучше поставить шунты в разрыв цепи GND?
У меня возникло несколько вопросов:
1) возможно ли использовать не 4 аналоговых входа, а 3? Ведь 1-й и 2-й все равно соединены вместе. Тогда останется один свободный Аналоговый вход для измерения напряжения на солнечной панели. То есть, вот так:
2) возможно ли одновременно (или поочередно) измерять и напряжение на аккумуляторе? То есть, сначала Аналоговыми входами А0 и А1 измерить падение напряжения на шунте, а потом через А1 измерить напряжение на аккумуляторе?
3) Достаточно ли разрядности ADS1015 для измерения падения напряжения на шунте? Или нужно использовать ОУ?
4) Какого номинала шунты лучше всего использовать? У меня есть на 0,033 Ом, с ноутбучных аккумуляторов могу достать других номиналов: R02, 005, 0075 и др. Или лучше по-больше поставить? На пример на 1 Ом?
#include <Wire.h> #include <Adafruit_ADS1015.h> Adafruit_ADS1015 ads; /* Use thi for the 12-bit version */ void setup(void) { Serial.begin(9600); Serial.println("Hello!"); Serial.println("Getting differential reading from AIN0 (P) and AIN1 (N)"); Serial.println("ADC Range: +/- 6.144V (1 bit = 3mV/ADS1015, 0.1875mV/ADS1115)"); // The ADC input range (or gain) can be changed via the following // functions, but be careful never to exceed VDD +0.3V max, or to // exceed the upper and lower limits if you adjust the input range! // Setting these values incorrectly may destroy your ADC! // ADS1015 ADS1115 // ------- ------- // ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x gain +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (default) // ads.setGain(GAIN_ONE); // 1x gain +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV // ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x gain +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV // ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x gain +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV // ads.setGain(GAIN_EIGHT); // 8x gain +/- 0.512V 1 bit = 0.25mV 0.015625mV // ads.setGain(GAIN_SIXTEEN); // 16x gain +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV ads.begin(); } void loop(void) { int16_t results; float multiplier = 3.0F; /* ADS1015 @ +/- 6.144V gain (12-bit results) */ results = ads.readADC_Differential_0_3(); Serial.print("Differential 0-3: "); Serial.print(results); Serial.print("("); Serial.print(results * multiplier); Serial.println("mV)"); results = ads.readADC_Differential_1_3(); Serial.print("Differential 1-3: "); Serial.print(results); Serial.print("("); Serial.print(results * multiplier); Serial.println("mV)"); int16_t adc0, adc1; //, adc2, adc3; adc0 = ads.readADC_SingleEnded(3); Serial.print("AIN3: "); Serial.print(adc0); Serial.print(" Voltage: "); Serial.println(float((adc0*3)/1000.0)); adc0 = ads.readADC_SingleEnded(2); Serial.print("AIN2: "); Serial.print(adc0); Serial.print(" Voltage: "); Serial.println(float((adc0*3)/1000.0)); Serial.println(); delay(1000); }Расставьте + и - питания по схеме и нарисуйте провода питания ESP, ADS. Сразу всё станет не так хорошо. У ADS есть ограничения по входному напряжению.
То есть, то что я проверил и это работает, то это не играет роли? :)))))
И делителями напряжения я тоже умею пользоваться ;)
А вот так выглядит схема, вместе со всеми делителями (уровень усиления АЦП нужно ставить: ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x gain +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV):
Если GND TP5000 и земля это один провод, то всё нормально. Я б ещё R16-R17 и R14-R15 перевернул, что бы сигнал тока был больше. Иначе при разбросе этих резисторов будет сигнал при отсутствии тока. Vcc c батареи?
Да, GND и земля соединены вместе. VCC - со стабилизатора на 3.3 вольта (с батареи). Делители сделаны именно так чтобы входное напряжение не превышало 1 вольт. Это ограничение усилителя АЦП:
ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x gain +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV
при этой настройке максимальное входное напряжение - 1,024 вольта, и 1 бит = 0,5 милливольт. Это позволить более точно измерять токи.
Ограничение усилителя 6.144 В. Это максимальное значение на выходе усилителя внутри (!) АЦП. На любом входе может быть напряжение от 0-0.5V до Vcc+0.5V. Соответственно максимальное напряжение на диф. входе усилителя АЦП 6.144/Ку. Если Вы измеряете ток, то в дифф режиме между ногами в выбранном Вами режиме должно быть не более 1.024 вольта. Напряжение относительно земли может быть любым в пределах от 0-0.5V до Vcc+0.5V. Это напряжение (1.024 вольта) в вашей схеме будет при 6 амперах через шунт 1.
Так, после ваших слов у меня в голове каша...
Мне не все понятно из того что написано в даташите, а в тех примерах что я смотрел входное напряжение всегда подстраивали под уровень усилителя (в моем случае это 1.024 вольта). В тому же в самих примерах библиотек написано:
The ADC input range (or gain) can be changed via the following functions, but be careful never to exceed VDD +0.3V max, or to exceed the upper and lower limits if you adjust the input range! Setting these values incorrectly may destroy your ADC!
То есть не только нельзя превышать VDD +0.3V, но и уровни установленные усилителем.
Из даташита:
FSR Full-scale input voltage range(2) (VIN = V(AINP) – V(AINN)) от ±0.256 до ±6.144 V
(2) This parameter expresses the full-scale range of the ADC scaling. No more than VDD + 0.3 V must be applied to the analog inputs of the device. See Table 1 more information. (Этот параметр выражает полномасштабный диапазон масштабирования АЦП. На аналоговые входы устройства должно подаваться не более VDD + 0,3 В. Смотрите Таблицу 1 для дополнительной информации.)
Таблица:
входное напряжение = VDD + 0,3 В
или
VIN = V(AINP) – V(AINN) (разница между двумя пинами)
Это то же самое, что я написал. АЦП может измерить +- 6 вольт, но если столько подать, оно может сгореть. Поэтому надо выбрать напряжения на входах так, что при любых колебаниях они не выходили за 0-0.5V до Vcc+0.5V. А если поставить Ку большой, то возможна ситуация, когда внутри АЦП будет ограничение по превышению напряжения и результат оцифровки будет неправильный = потерян. К аварии это не приведёт.
Попробую как-то упорядочить все. Если я правильно понял то на вход можно подавать "любое" напряжение (в пределах VDD + 0,3 В) не зависимо от уровня усилителя.
Как тогда правильно подобрать усилитель? Если рассмотреть схему выше, но без делителей напряжения. Настройки усилителя стояли "по умолчанию":
ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x gain +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (default)
Питание 5 вольт. При этом 1 бит был равен 3 милливольтам, а это не очень точно. Я тестировал на токе потребления обычного светодиода. Мультиметр показал ток 24,4 мА, АЦП выдавал 9 бит, то есть 27 мА потому что 0.4 ма - это уже следующий бит... Для увеличения точности я хочу использовать эту настройку:
ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x gain +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV
где 1 бит будет равен 0,5 милливольт. Но при этом предел измерения +- 1.024V.
Вот как правильно это настроить? Как эти 1.024V относятся к VDD? Питание будет от 3.3 вольт. Аккумулятор может иметь максимум 4,25 вольт, солнечная панель максимум 7,3 вольт, шунты в расчет беру на 1 Ом... Если в дифференциальном режиме разница между двумя Аналоговыми входами на шунте будет минимальной, и значение напряжения будет входить в 1.024V, то нужно всего лишь входное напряжение делителями опустить до VDD? Это пины А0, А1 и А3. Как теперь правильно измерить напряжение на А3 который подключен к аккумулятору (при этом делитель напряжения стоит на 3.3 вольта, и Ку до 1,024V)?
С точностью вопрос решается подбором параметров. Если выбрано напряжение питания АЦП 3.3 вольта, то мы должны не превышать это напряжение на входах АЦП. С делителями напряжения всё просто. Берём 2.048 для настройки, делаем делители так, что бы при максимальном напряжении на входом и выходном делителе напряжение на входе АЦП было около 2 вольт. Получим измерение напряжений с точностью 1mV * Кд . Лучше не получится в данной схеме. Кстати. У меня солнечная панель дает до 12 вольт на солнце при заявленных 7.
С током сложнее. На резисторах шунта будет падение напряжения, которое желательно минимизировать для уменьшения потерь. Поэтому здесь выбираем дифф режим с максимальной чувствительностью 0.256 mV. Делители около шунтов уже определены в первом пункте по условию измерения напряжения. Кд у них около 2. Т.е. При максимальном токе падение напряжение на шунте будет 0.512 В . Соответственно сопротивление шунта 0.512/Imax . Как по мне это очень много. Но это условие максимальной точности. Ставить шунт с меньшим сопротивлением - уменьшать точность. Альтернатива - добавить м.с. из серии ina12X.
1.024 к Vdd никак не относится. Это максимальное цифруемое напряжение в выбранном режиме 1.024 V при котором АЦП выдает максимальный код. Тот же код выдаст АЦП при подаче на вход 0.256 вольта в режиме 0.256. В режиме 4.096 этот код АЦП выдать не сможет, т.к. больше 3.3 вольта на вход подать не получится.
Продолжу тему.
Столкнулся небольшой трудностью. Я пытаюсь измерить ток при помощи шунта, пины А1 и А3 в дифференциальном режиме. Измеряю через делители напряжения, так как земля у ADS1015 и потребителя общая, ADS1015 питается от 3.3 вольт, а на шунте напряжение может подыматься до 4-х вольт. Делители вносят некоторую ошибку в точность измерений, но мне это не критично.
Проблема в том что потребление тока крайне не статично. Напряжение на шунте (1 Ом) прыгает 20-110 милливольт, и выглядит как синусоида с меняющейся частотой 7-50 КГц и размахом в 50 милливольт... Обычный мультиметр показывает силу тока 60-110 мА. А вот ADS1015 сходит с ума и показывает всего 35-40 мА. Я поставил элертролит на 10 мкф. на аналоговый вход, это немного уменьшило размах синусоиды и показания поднялись примерно до 70 мА. Что еще можно сделать для получения более точных показаний?
Как схема ? Оправдала задумки? Как по времени стабильность ?
Можно повторять ?
Эту схему делал и я в погодной станции именно оттуда автор выдернул эту схему, используя АЦП1015 погрешности в вычислениях будут минимальны. Для более точного получения данных нужно использовать АЦП1115 т.к оно более точно определяет показания примерно до 0.0000, а так как автор данной статьи взял эту схему у другого автора и не разобравшись во всем просил ответа здесь, поэтому и гусей за 7 лет не собрали. Но если вам не критичны разбеги 50-110млвольт то смело берите АЦП1015 и данную схему она полностью рабочая.