Измерение напряжения питания

В различных батарейных и аккумуляторных девайсах бывает не лишним отображать оставшийся заряд и/или иметь возможность вовремя отрубиться, чтобы не переразряжать аккумулятор. Для этого нужно измерять напряжение питания, что обычно делается с помощью встроенного ADC. Впрочем, ADC может отсутствовать (например, в тиньке 2313) или быть недоступен — заниматься более важным делом, либо в качестве опоры может использоваться то самое напряжение питания, etc.

В таком случае, напряжение питания несложно измерить с помощью встроенного аналогового компаратора, используя только одну ножку.



Резистор подключается к шинке питания, на которой измеряется напряжение. Если микроконтроллер запитан от батарейки через стабилизатор — резистор нужно подключить до стабилизатора.

Через резистор заряжается конденсатор. По времени заряда конденсатора до определённого опорного напряжения можно вычислить и входное напряжение. Встроенный источник опорного напряжения Vbg можно подключить к положительному входу компаратора, установив битик ACBG в регистре компаратора.

Перед измерением нужно разрядить конденсатор, прижав ножку AIN0 к земле.

Впрочем, у данного подхода есть недостаток — напряжение низкого уровня на ножке микроконтроллера не равно нулю. Конденсатор разрядится не полностью и измерение будет неточным. Для повышения точности можно добавить полевичок, разряжающий конденсатор.


Настроим компаратор. Выберем подключение встроенной опоры к положительному входу компаратора и тактирование захвата (input capture таймера) от выхода компаратора.

ACSR = 1<<ACBG | 1<<ACIC;

Переведём таймер 1 в режим непрерывного счёта, без делителя тактовой частоты. Включим прерывание по захвату.

TCCR1A = 0;
TCCR1B = 1<<CS10;
TIMSK |= 1<<TICIE1;
sei();

Также настроим ножку, управляющую полевичком на выход.

DDRD |= 1<<PD7;

Для измерения нам нужно разрядить конденсатор, запомнить время начала заряда и дать конденсатору заряжаться.

volatile uint16_t rc_adc_offset;
//...
PORTD |= 1<<PD7;
//задержка
PORTD &= ~(1<<PD7);
rc_adc_offset = TCNT1;
//...

Когда конденсатор зарядится до опорного напряжения, сработает прерывание захвата. В регистре захвата мы получим время, когда закончился заряд.

volatile uint16_t rc_adc_value;

ISR(TIMER1_CAPT_vect)
{
    rc_adc_value = ICR1 - rc_adc_offset;
}

Мы получили время заряда конденсатора до опорного напряжения в тактах микроконтроллера, перевести время в секунды можно разделив полученное значение на тактовую частоту. Измеряемое напряжение — функция от полученного нами времени.



Вычислять это напрямую — довольно долго. Куда быстрее это сделать таблично. Табличку сгенерим сриптом.

#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;

# тактовая частота
my $Fcpu = 20e6;

# сопротивление и ёмкость
my $RC = 22e3 * 10e-9;

# опорное напряжение
my $Vref = 1.23;

# минимальное время в тактах
my $CntMin = 1024;

# максимальное время в тактах
my $CntMax = 3072;

# размер таблицы
my $TableSize = 64;

print "{";
for my $i (0 .. $TableSize)
{
    my $cnt = $CntMin + ($CntMax - $CntMin) * $i / $TableSize;
    my $t = $cnt / $Fcpu;
    my $v = $Vref / (1 - exp(-$t / $RC));
    
    print "\n\t" if($i % 8 == 0);
    #print "/*$cnt*/ ";
    printf "%3d, ", int($v * 100);
}
print "\n};";

1024 — минимальное время зарядки конденсатора в тактах, 3072 — максимальное. Значения подобраны так, чтобы шаг таблички был равен степени двойки (3072 — 1024) / 64 = 32. Какому напряжению они соответствуют мы увидим, сгенерив саму табличку.

#define RC_ADC_TBL_L    1024
#define RC_ADC_TBL_H          3072
#define RC_ADC_TBL_SIZE       64
#define RC_ADC_TBL_STEP       ((RC_ADC_TBL_H - RC_ADC_TBL_L) / RC_ADC_TBL_SIZE)

prog_uint16_t rc_adc_tbl[] = 
{
        592, 576, 561, 547, 533, 521, 509, 498,
        487, 477, 467, 458, 449, 440, 432, 424,
        417, 410, 403, 396, 390, 384, 378, 373,
        367, 362, 357, 352, 347, 343, 338, 334,
        330, 326, 322, 318, 315, 311, 308, 304,
        301, 298, 295, 292, 289, 286, 284, 281,
        278, 276, 273, 271, 269, 266, 264, 262,
        260, 258, 256, 254, 252, 250, 248, 246,
        244,
};

Как видим, с этой табличкой диапазон измерения — от 2.44 до 5.92 В.

Сама функция измерения.

uint16_t get_supply_voltage()
{
    uint16_t t, v = 0;
    uint8_t idx, frac;
    uint16_t a, b;

    // разряжаем коненсатор
    RC_ADC_PORT |= RC_ADC_DSC;

    // пока конденсатор разряжается, вычислим напряжение,
    // используя сохранённое время зарядки конденсатора
    t = rc_adc_value;
    if(t != 0) {

        // ограничиваем время диапазоном таблицы
        if(t < RC_ADC_TBL_L) t = RC_ADC_TBL_L;
        if(t >= RC_ADC_TBL_H) t = RC_ADC_TBL_H - 1;
        t -= RC_ADC_TBL_L;
        
        // вытаскиваем два ближайших узла из таблички
        idx = t / RC_ADC_TBL_STEP;

        a = pgm_read_word(rc_adc_tbl + idx);
        b = pgm_read_word(rc_adc_tbl + idx + 1);

        // получаем значение линейной интерполяцией
        frac = t % RC_ADC_TBL_STEP;
        v = a - (a - b) * frac / RC_ADC_TBL_STEP;
    }

    // начинаем новое измерение
    RC_ADC_PORT &= ~RC_ADC_DSC;
    rc_adc_offset = TCNT1;

    return v;
}

Как видим, функция вычисляет напряжение на основе предыдущего измерения, и запускает новое измерение. Так что время между вызовами функции не должно быть меньше времени измерения.

Пример использования

//...
v = get_supply_voltage();
if(v != 0) {
    if(v < 300) shutdown(); //3.00V
    display_voltage(v);
}
//...

Точность измерения ограничивается точностью источника встроенного опорного напряжения — 10%, чего в общем-то достаточно. Повысить точность можно с помощью внешнего опорника.

При практическом испытании (без калибровки) ошибка со схемкой без полевичка составила около 400 мВ, с полевичком — около 60 мВ.



Такая мелкая заметочка.

UPD. Важно применять детальки с достаточной термостабильностью. Некоторые конденсаторы могут значительно изменять ёмкость при изменении температуры окружающей среды.