Как измерить Vcc?

Недавно наткнулся на интересную статью о том, как измерить собственное напряжение питания в Arduino.

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 << 6) | (pin & 0x07);

замените ее на:

ADMUX = (analog_reference << 6) | (pin & 0x0f);

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
  raw_bandgap = analogRead(14);               // 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...