Амперметр на ACS712: ток через эффект Холла

Сколько на самом деле ест моторчик от батарейки? Мультиметр в режиме амперметра отвечает, но его надо втыкать в разрыв, держать руками и всё время занимать им макетку. ACS712 закрывает вопрос насовсем: крошечная плата с винтовыми клеммами, провод нагрузки проходит сквозь неё, а на выходе — напряжение, пропорциональное току. Модуль стоит копейки, выпускается на 5, 20 и 30 А — смотря какая версия — и не требует лезть в цепь щупами.

Внутри — чип Allegro на эффекте Холла: датчик ловит магнитное поле вокруг проводника и переводит его в милливольты. Замеряющая часть гальванически развязана от силовой цепи — даташит заявляет изоляцию 2.1-2.4 кВ в зависимости от поколения чипа. Сам чип прожорлив скромно: порядка десяти миллиампер от пяти вольт — на фоне любого мотора это незаметно.

Здесь соберу амперметр на 5-амперной версии с LCD 16x2: вывод «I = 1.23 A», разбор формулы от 512 до амперов, честная таблица шунт против Холла и разговор о шуме, нуле и минусе. Дисплей подключается по I2C, как в уроке про первый текст, поэтому экран здесь почти не обсуждается.

Схема включения единственно правильная: разрываем плюсовой провод нагрузки. Питание приходит на винтовую клемму IP+, с IP− уходит дальше на нагрузку, и весь ток течёт сквозь чип. Проводник внутри — пластинка сопротивлением 1.2 мОм: на пяти амперах это падение в шесть милливольт, такое нагревать нечего и нечем. Вариант «подключить модуль параллельно, как вольтметр» ничего не измерит — ток через чип не пойдёт, а выход замрёт на середине.

Электрика модуля проста: VCC в 5 В, GND в землю Arduino, OUT на A0 — механику analogRead я разбирал в уроке про потенциометр. Стрелка на корпусе подсказывает направление: плюс источника к IP+, иначе на экране будет минус — для постоянного тока это не поломка, а перепутанная полярность. В этом разница с шунтом: землю нагрузки и землю Arduino соединять не нужно, развязка уже внутри чипа.

Пара слов про переменный ток: чип ACS712 меряет и его — выход колеблется вокруг середины вслед за синусоидой. Но скетч выше читает мгновенное значение, поэтому годится только для постоянного тока: для сети и трансформаторов нужен RMS — набор выборок за период, возведение в квадрат и корень. Это отдельная кухня, и здесь я её сознательно не трогаю: вся серия про DC-нагрузки, от повербанков до бортовой сети.

Формула по шагам. При нуле тока выход датчика сидит ровно посередине питания — 2.5 В, это отсчёт около 512. Отклонение от середины, raw - 512, пропорционально току: влево — течёт в обратную сторону, вправо — в прямую. Умножаем на 5.0 / 1023.0 — переводим отсчёты в вольты, делим на чувствительность 0.185 В/А — получаем амперы. Одна строка, а внутри три измерительных факта. Строго говоря, середина десятибитного диапазона — 511.5, и ушедшие в 512 пол-отсчёта соответствуют 0.013 А — цифре ниже шума прибора, поэтому округление здесь безболезненно.

Чувствительность — паспортная величина версии: 5A-чип отдаёт 185 мВ/А, 20A — 100 мВ/А, 30A — 66 мВ/А. Подставляете свою в константу SENS — скетч общий для всех трёх. Один отсчёт АЦП у 5A-версии — это 0.026 А: вот почему на экране два знака после точки и почему последний разряд дрожит даже на стабильной нагрузке — механику десятичных знаков я разбирал в уроке про числа и нули.

Диапазон ±5 А — это отсчёты примерно от 152 до 872: за ними выход чипа упирается в питание, линейность кончается, и прибор занижает. Если показания прилипли к краю, ток вышел за паспорт версии — берите 20A-модуль и меняйте SENS на 0.100.

Как проверить прибор, если эталонного амперметра нет: закон Ома. Резистор 10 Ом на 5 В обязан взять 0.5 А, и если экран показывает 0.48-0.53 — прибор честен в пределах своего шага. Токоизмерительный резистор берите мощностью от трёх ватт: половина ампера на десяти Омах рассеивает 2.5 Вт, и четвертьваттный вывод из стартового набора начнёт подкрашивать результаты запахом.

Выбор версии — вопрос задачи, а не статуса: 5A даёт шаг 0.026 А и годится для электронных проектов, 20A с шагом 0.049 А покрывает автомобильную и солнечную технику, 30A с 0.08 А — грубые силовые цепи. Меняется одна константа SENS, но меняется и цена отсчёта: чем жирнее версия, тем грубее малые токи, поэтому мёртвую зону для 20A и 30A стоит расширять пропорционально шагу.

Практическое следствие для покупок: модули с маркетплейса порой продают как «5A», а внутри стоит 20A-чип. По внешнему виду не отличишь — только по маркировке на самом чипе: ACS712ELCTR-05B против 20A-T. Тест по закону Ома из предыдущего раздела отсекает такое вранье за минуту: половина ампера на честном 5A — это половина ампера на экране, а у 20A — около четверти.

Шум — главный минус Холла. Даташит для 5A-версии честно пишет 21 мВ от пика до пика — это треть ампера на экране, если брать одиночные замеры. Лечение двухслойное: усреднение 16 чтений сглаживает дрожание, а мёртвая зона ±0.05 А заставляет экран писать честное 0.00 на холостом ходу вместо танца 0.02 и -0.03. Увидеть шум вживую удобнее графиком: Serial Plotter рисует дорожку сигнала до и после усреднения — разница убедительнее любых слов.

Живой тест каждого нового модуля у меня занимает пять минут: холостой ход — ноль и мёртвая зона; лампа на 5 В — ток по паспортной мощности, например лампа 2.5 Вт обязана взять пол-ампера; мотор — плавный разгон и рывки, где видна работа усреднения. Три точки отделяют живой модуль от подделки с чувствительностью, гуляющей вдвое от паспортной.

Ноль — вторая грабля. У реального чипа есть смещение: при отключённой нагрузке среднее может быть 511 или 514, и тогда «ноль» прибора плывёт. Лечится нулевой калибровкой: при выключенной нагрузке запоминаете среднее в переменную и вычитаете её вместо 512. Третий момент — знак: для аккумулятора минус несёт смысл разряда, а для моторчика пугает напрасно. В скетче выше стоит abs() с комментарием: уберите строку — и знак вернётся на экран.

Обновление экрана — раз в 250 мс, без clear() и без мерцания: механику точечной перерисовки я разобрал в уроке про термометр без мерцания. И про питание модуля: если пять вольт на плате просели до 4.7 от прожорливой нагрузки, середина съедет с 512 ниже — ещё один аргумент за нулевую калибровку перед каждым серьёзным замером. И дайте плате прогреться минуту: у Холла есть тепловой дрейф первых минут, и ноль на холодной плате отличается от нуля на прогретой.