INA219: подключение датчика тока и напряжения к Arduino по I2C

Как устроен датчик: шунт, усилитель и АЦП

INA219 устроен просто и понятно. Резистор шунта стоит в разрыве измеряемой линии, напряжение на нём усиливается и попадает в 12-битный преобразователь. Рядом тот же преобразователь меряет напряжение между шиной и землёй, а процессор считает ток и мощность.

Усиление выбирают по ожидаемому току. Диапазон 40 милливольт самый чувствительный: цена деления 10 микровольт, и при шунте 0,1 Ом это 100 микроампер на одно показание. Диапазон 320 милливольт выдерживает ток до 3,2 А, но на малом токе шаг становится грубым.

Два шунта: 0,1 Ом и 0,02 Ом

На модуле стоит резистор, и от его номинала зависит всё остальное: и предел тока, и точность, и падение напряжения, которое вы теряете на нагрузке.

Обратите внимание на вторую строку таблицы. Шунт это не бесплатный элемент: на нём всегда теряется напряжение. При 0,1 Ом и токе 2 А вы теряете 0,2 В, и для схемы с питанием 5 В это уже четыре процента напряжения на нагрузке.

Подключение: модуль в разрыв питания

• VIN+ подключается к источнику питания, VIN- к нагрузке, модуль стоит в разрыв плюса.
• VCC питает логику датчика, на модуле это 3,3 или 5 В, и этому выводу нельзя дать 26 В.
• GND модуля соединяется с землёй нагрузки, иначе напряжение шины будет считаться неверно.
• SDA и SCL идут к шине I2C Arduino, на Uno это выводы A4 и A5.
• Направление тока задаётся тем, куда смотрит VIN+, при переполясовке ток уйдёт в минус.
• Модуль измеряет ток только в одну сторону, для обратного тока нужен второй датчик.

Формула и код

Ток считается по одной формуле: напряжение на шунте делится на сопротивление шунта. Удобство в том, что милливольты и омы дают миллиамперы напрямую, без пересчёта коэффициентов.

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_INA219.h>
 
Adafruit_INA219 ina = Adafruit_INA219(0x40);
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  if (!ina.begin()) {
    Serial.println("INA219 ne nayden: proverit adres i pitanye");
    while (true) delay(100);
  }
}
 
void loop() {
  float u = ina.getVoltage_V();        // napryazhenie shiny
  float s = ina.getShuntVoltage_mV();  // padenie na shunt
  float i = ina.getCurrent_mA();       // tok
  float p = ina.getPower_mW();         // moshchnost
 
  Serial.print("U: ");  Serial.print(u, 3); Serial.print(" V  ");
  Serial.print("Shunt: "); Serial.print(s, 2); Serial.print(" mV  ");
  Serial.print("I: ");  Serial.print(i, 1); Serial.print(" mA  ");
  Serial.print("P: ");  Serial.print(p, 1); Serial.println(" mW");
 
  delay(1000);
}

#define ADRES        0x40
#define R_SHUNT_OHM  0.1        // 0.1 Ohm ili 0.02 Ohm
 
float current_mA() {
  Wire.beginTransmission(ADRES);
  Wire.write(0x01);                   // registr napryazheniya na shunt
  Wire.endTransmission(false);
 
  if (Wire.requestFrom(ADRES, 2) != 2) return -1;
 
  uint16_t raw = (uint16_t)Wire.read() << 8;   // starshii bait pervym
  raw |= Wire.read();
 
  int16_t shunt = (int16_t)raw;      // dopolnitelnyi kod, tok mozhet byt otricatelnym
  float shunt_mV = shunt * 0.01f;    // 10 mkV na odin schyotok
  return shunt_mV / R_SHUNT_OHM;     // mV / Ohm = mA
}
 
void loop() {
  Serial.print("I: ");
  Serial.println(current_mA());
  delay(500);
}

Регистры, которые пригодятся

Регистр калибровки задаёт, сколько миллиампер соответствует одному показанию. По даташиту Current_LSB равно цене деления напряжения на шунте, делённому на сопротивление шунта, а Power_LSB равно Current_LSB умноженному на 25. Библиотека считает это за вас, но если считаете ток сами, помните про эти два числа.

INA219 против ACS712 и мультиметра

Два других способа измерить ток дают другой результат, и разница не в цене, а в самом принципе. Датчик Холла ACS712 меряет магнитное поле и отдаёт аналоговое напряжение, а INA219 меряет падение напряжения на резисторе и отдаёт цифру.

Мультиметр точнее всего, но он не пишет лог и не следит за током в фоне. INA219 даёт поток чисел, которые можно сохранять и строить по ним график. Про то, как правильно мерить ток мультиметром и почему его нельзя включать параллельно нагрузке, написано в уроке про мультиметр.

Что сначала не получилось

Первый провал выглядел как поломка датчика: ток 0,8 ампера при полностью выключенной нагрузке. Я подключил мультиметр последовательно и увидел честный ноль. Через час я нарисовал схему на бумаге и понял, что земля модуля и земля нагрузки у меня разные: у блока питания была своя земля, и я её не связал с Arduino.

Второй раз датчик работал, но ток скакал: 1,7 ампера, потом 0,9, потом ноль. Я грешил на питание и на сопротивление проводов, пока не посмотрел на сам шунт. На модуле стоял 0,1 Ом, а я гонял через него зарядку для телефона, и шунт нагревался. При 2 амперах на нём рассеивалось 0,4 ватта, и это было видно на пальцах.

Личный опыт: контроль заряда батареи

Первое устройство с INA219 у меня было зарядным устройством для сборки аккумуляторов 18650. Нужно было видеть ток заряда и напряжение на ячейке, чтобы не перезарядить её.

Что выяснилось по ходу. Модуль с шунтом 0,02 Ом я поставил сразу, и он держал пиковые 6 амперов без просадки питания. При этом падение напряжения на шунте было 0,12 В, и его пришлось вычитать из показаний, иначе напряжение на ячейке выглядело на 120 милливольт больше настоящего. А ещё я обнаружил, что библиотека по умолчанию пересчитывает ток по своей калибровке, и при шунте 0,02 Ом цифры занижались примерно в пять раз, пока я не задал калибровку вручную.

Авторская позиция: когда INA219 уместен

Если задача разовая, например замерить ток зарядки и записать его в таблицу, то INA219 избыточен. Мультиметр даст то же самое быстрее и без единого провода к Arduino.

Датчик оправдан там, где ток надо видеть постоянно: ограничение по току, отключение по перегреву, накопление статистики, экономия заряда батареи. Тут цифровой поток с I2C окупается и точностью, и тем, что данные можно писать на карту памяти без участия человека.

И отдельно про шунт. Покупать модуль, не разобравшись, какой в нём резистор, бессмысленно: при неверном выборе либо получите копейку точности, либо упрётесь в предел. Сфотографируйте маркировку резистора на плате, измерьте его мультиметром и только потом подключайте нагрузку.

Частые вопросы