Контроль аккумуляторной батареи от которой питается плата Arduino и остальная нагрузка!

Возникла потребность контролировать напряжение аккумуляторной батареи у автономно работающей конструкции под управлением Arduino. Применять дополнительные модули и платы мне не захотелось а методы типа "собираем вольтметр" на ардуино в которых напряжение подавалась на аналоговый вход через делитель - очень неточные потому что и нагрузка и Arduino питались от одного и того-же аккумулятора и таким образом любое включение/выключение нагрузки приводило к скачкам напряжения и искажало показания. В качестве выхода из ситуации было решено собрать стабилизированный источник опорного напряжения на 5V, подключить его на вход AREF и использовать функцию analogReference(EXTERNAL). Готовых примеров с применением этой функции я не нашел - поэтому собрал и оттестировал свой и хочу поделиться с другими. Данный вариант подойдет для контроля батареи любого робота, р/у модели который работает на базе любой платы Arduino и возможно кому-то еще окажется полезным для решения такой задачи.
Собственно схема:

Код (C++):

#define SDI 12
#define CLK 11
#define LE 10
#define analogPin 0
#define LOAD 3
#define buttonLOAD 2
byte loadST = 0;             //Состояние нагрузки
byte oldloadST = 1;        //Последнее состояние нагрузки, для исключения ложных переключений
long previousMillis = 0;  //Время последнего нажатия кнопки
int value = 0;
float vout = 0.0;
float vbat = 0.0;
//поправка на маленькое внутренне сопротивление аналогового входа Arduino
float kpop = 0.1;

void setup() {
  // при измерении напряжения будем отталкиваться от значения на входе AREF
  analogReference(EXTERNAL);
  pinMode(SDI, OUTPUT);
  pinMode(CLK, OUTPUT);
  pinMode(LE, OUTPUT);
  pinMode(LOAD, OUTPUT);
  pinMode(buttonLOAD, INPUT);
}

void loop()
{

//Метка разряженой батареи - никакой другой код выполняться не должен !!!
battery_low:
  // считываем аналоговое значение
  value = analogRead(analogPin);
  // рассчитываем напряжение на аналоговом входе
  vout = (value * 4.32) / 1024.0;
  // рассчитываем напряжение на батарее (4.065 коэффициент делителя)
  vbat = vout * 4.065 + kpop;

  // Если напряжение на батарее <12V отключаем всю нагрузку и переходим на battery_low:
  if (vbat <= 12) {
    //проверяем не было ли вызвано падения напряжения скачком потребления в нагрузке !?
    delay(250);
    // снова считываем аналоговое значение
    value = analogRead(analogPin);
    // снова рассчитываем напряжение на аналоговом входе
    vout = (value * 4.32) / 1024.0;
    // снова рассчитываем напряжение на батарее (4.065 коэффициент делителя)
    vbat = vout * 4.065 + kpop;
    if (vbat > 12) goto battery_low;  //да это просто был скачок потребления батарея еще живая
    //Нет батарея села - отключаем всю нагрузку
    loadST = 0;
    digitalWrite(LOAD, loadST);
    Out(B00000001, B00000000); // Мигаем 1-м деленим
    delay (500);
    Out(B00000000, B00000000); // Мигаем 1-м деленим
    delay (500);
    //Переходим на метку ожидания заряженной батареи
    goto battery_low;
  }

  if (vbat > 12.0 && vbat <= 12.5) Out(B00000011, B00000000); // Рисуем 2 деления
  if (vbat > 12.5 && vbat <= 13.0) Out(B00000111, B00000000); // Рисуем 3 деления
  if (vbat > 13.0 && vbat <= 13.5) Out(B00001111, B00000000); // Рисуем 4 деления
  if (vbat > 13.5 && vbat <= 14.0) Out(B00011111, B00000000); // Рисуем 5 делений
  if (vbat > 14.0 && vbat <= 14.5) Out(B00111111, B00000000); // Рисуем 6 делений
  if (vbat > 14.5 && vbat <= 15.0) Out(B01111111, B00000000); // Рисуем 7 делений
  if (vbat > 15.0 && vbat <= 15.5) Out(B11111111, B00000000); // Рисуем 8 делений
  if (vbat > 15.5 && vbat <= 16.0) Out(B11111111, B00000001); // Рисуем 9 делений
  if (vbat > 16.0) Out(B11111111, B00000011); // Рисуем 10 делений (свежая батарея)

  //Программная стабилизация кнопки
  if (digitalRead(buttonLOAD) == HIGH) { //Когда нажата кнопка
    //Если от предыдущего нажатия прошло больше 100 миллисекунд
    if (millis() - previousMillis > 100) {
      //Запоминаем время первого срабатывания
      previousMillis = millis();
      if (loadST == oldloadST) { //Проверка, что состояние кнопки изменилось
        loadST = !loadST;
      }
    }
  } else {
    oldloadST = loadST;
  }

//Включаем / выключаем нагрузку
digitalWrite(LOAD, loadST);

}

void Out(byte data1, byte data2)
{
  shiftOut(SDI, CLK, MSBFIRST, data2);
  shiftOut(SDI, CLK, MSBFIRST, data1);
  digitalWrite(LE, HIGH);
  delayMicroseconds(1);
  digitalWrite(LE, LOW);
}

Видео где показано как это все работает

Съемка процесса разряда батареи выполнена в формате timelapce
Погрешность данного метода измерения находится в сотых вольта....

 

Не понял. Вам не нравилось, что ардуино и нагрузка питались от одного аккумулятора, поэтому вы оставили всё так же один аккумулятор, но поставили второй стабилизатор на aref?

 

Если использовать analogReference(DEFAULT) - любое включение выключение нагрузки будет влиять на опорное напряжение по умолчанию (5V) в этом очень легко убедиться воткнув вольтметр, а все измерения на аналоговом входе ардуино производит сравнивая опорное напряжение с измеряемой величиной. Если к аналоговому входу подключить переменный резистор и измерять его сопротивление то там разницы не будет так как напряжение будет изменяться пропорционально - а если измерять что-то внешнее - пропорция будет нарушена и точности не будет никакой.
Скажет так при analogReference(DEFAULT)
натяжение на пине (+5V) Arduino = напряжению на пине (AREF) поэтому для измерения внешних величин метод бесполезный

 

Так у вас что 5V, что aref подаются чрез два одинаковых стабилизатора от одинакового источника. Что влияет на 5V, то и на aref будет влиять, разве нет? Ну по 5V что больше тока течь будет ладно, этот стабилизатор будет чуть горячее и выдаст чуть другой результат. Но разница все равно будет в милливольтах исчисляться, по-моему..

 

одинаковый стабилизатор был использован потому что под рукой не было маломощного (туда подойдет что-угодно лишь бы оно было способно выдавать ровно 5V в широком диапазоне входных напряжений). У любого источника питания есть такая неприятная вещь как ВНУТРЕННЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ и микросхема 7805 и внутренний стабилизатор самой платы ARDUINO не исключение - при включении моей мощной люстры от 5V там что то около 4.2 с копейками оставалось - а если цепи индикации зацепить на сам м.к. от 5V там тоже будет достаточно далеко..... спорить не буду, но не один вариант описанный в интернете нормальных показаний не выдавал а чтобы понять почему не выдавал рекомендую погуглить Закон Ома для полной цепи

 

Как пример или для точных измерений - интересно. А конкретно для задачи контроля питания, достаточно использовать внутренний источник опорного напряжения INTERNALxVy.

 

если вы про analogReference(INTERNAL) то этот метод для решения данной задачи также не подойдет....

 

Почему? У всех подходит.
Если вы включаете силовую нагрузку на выход 5V Arduino, то понятно, что набортный стабилизатор не справится.

 

метод (INTERNAL) хорош для измерения небольших интервалов напряжений - например напряжение поданное через делитель напряжения 1.1V или 1.0V вы измерите с очень большой точностью - а если подадите туда напряжение 0.5 метод выдаст полную охинею потому-что сам аналоговый вход при проведении измерений тоже потребляет некоторый ток (отъедает часть измеряемого напряжения - недостаточно высокоомный) и зависимость там при таких измерения ооооочень нелинейная - свою первую схему я собрал именно по такому принципу делитель был 150\10 kom
т.е. 17-12V преобразовывались в 1.063....0.750V - так вот при приближении на батареи к 12V точность измерений становилась уже неприемлимая (диапазон 17-15V измерялся без проблем) (возможно конечно ардуина слишком Китайская) но я не думаю что в АЦП в разных Ардуинах собран на разных компонентах

 

Сделайте делитель напряжения не 10кОм, а 1кОм.

 

10\1 если измерять до 12V ? попробую сегодня - такая мысль у меня была....

 

В примерах я видел делители напряжения с общим сопротивлением 2кОм. Десятки и сотни кОм это многовато.
Попробуйте так же в формуле расчета напряжения учесть сопротивление самого АЦП.

 

поправка на АЦП (float kpop =0.1 и в моем примере была )))) она была именно с этим и связана что при падении напряжения к 12V схема начинала подвирать кода напряжение приближалось к 12V спасибо за совет

 

В общем на номинал резисторов делителя напряжения под нагрузкой есть ограничение сверху.

Из даташита ATmega128

Из википедии

Z1 и Z2 это R1 и R2 в нашем случае.

Т.е. для нормальной работы АЦП требуется величина R1R2/(R1+R2) < 10кОм.

Резисторы следует брать с одинаковым тепловым коэффициентом и располагать так, чтобы они имели одинаковую температуру.

 

При INTERNAL другая проблема больше актуальна - для измерения напряжения до 11V придется брать делитель с коэффициентом 10, а это означает что если напряжение на внутреннем опорном стабилизаторе гульнет всего на 0,01V то показания гульнут на 0,1V - если ARDUINO используется только для измерения напряжения то метод достаточно точный, а вот если даже просто мигать светодиодиками которые подключены к цифровым пинам во время изменений - они оказывают влияние на работу внутреннего стабилизатора. Со своим "Китайцем" погрешность в 0,2....0,5V я думаю точно обеспечена ))) ну + на разных платах оно изначально разное т.е. придется подгонять код..... (сняв всего около 20ma c 8 цифровых пинов у меня напряжение на AREF съехало с 1.10 до 1.08). За инфу спасибо.

 

Понятно. На внутренний стабилизатор многие жалуются. Для повышения точности даташит рекомендует отправлять МК в сон и т.п. В главе про ADC много полезного есть.
Номинал резисторов в первую очередь влияет на скорость замеров, поскольку цепочка из резисторного делителя напряжения и внутреннего резистора и конденсатора создает RC фильтр. Он срезает быстрые изменения сигнала. В данном случае это даже хорошо.
Собственное сопротивление порта составляет 100МОм, и на делитель в сотни кОм не повлияет.
Выходит, что нужно добиться стабильности от стабилизатора питания Ардуино.

 

Есть и хорошая "новость". МК умеет замерять разность напряжений на двух входах АЦП с усилением сигнала. Раз вам нужно точно измерить напряжение вблизи 12Вольт, то стоит сравнивать его не с нулем вольт, а с 12Вольт. Режим программируется через регистры МК.

 

можно какую-нибудь ссылку.... где про это можно почитать.... ?

 

Схема не открывается, повторите пожалуйста.
Други! Научите как заставить робоплатформу Няшу или miniQ кроме руления движками, сенсорами контролировать свою АКБ "не пора ли менять/заряжать?".
Платформа на Strela или Iskra+T-Shsild

 

Что-то у меня вылетели все ссылки с Яндекс диска....
https://yadi.sk/i/6EW-8PE432trgC