基于STM32电压检测和电流检测

1.硬件平台

  • CPU：STM32F103C8
  • 屏幕：0.96寸OLED屏幕(SPI接口)
  • 电压测量模块：INA226(IIC接口)
  • 点流测量模块：ACS712(ADC采集)

2.功能实现

1.可测量直流电压0~36V,适用于低电压电子电路中。

2.可测量直流电0~5A范围内，目前采用的ACS712测量量程为5A,该模块有多个量程，可测量到20A。

3.实时功率监测。

4.电池电量监测(采用电压压降方式计算)。

3.硬件介绍

3.1 INA226模块

  INA226是具有I2C™或SMBUS兼容接口的电流分流器和功率监控器。该设备同时监视并联电压降和总线电源电压。可编程的校准值，转换时间和平均值与内部乘法器结合使用，可以直接读取以安培为单位的电流和以瓦特为单位的功率。INA226感应共模总线电压上的电流，该电压可在0 V至36 V之间变化，与电源电压无关。该器件采用2.7V至5.5V单电源供电，典型功耗为330 µA。该器件的额定工作温度范围为–40°C至125 \ xC2°C，并且在I 2 C兼容接口上具有多达16个可编程地址。


基于STM32电压检测和电流检测_电压电流测量

根据实物和原理图可看出IN和OUT 之间进接了一个0.002R电阻。在官方提供说明文档介绍改模块是可以测量直流电压0~36V,可测量总线共模电流，测量电流范围为-20A ~ 20A之间。测量精度为±1%。但在实际使用过程中发现仅能测量测量到电压值。测量电压时接线方式为：

 INPUT接电源正极，GND接电源负极。

按照模块使用说明提示在将模块串联接入电路(即OUPUT接入到负载)，实际测量发现无法获取到正常电流值，因此采用ACS712模块通过ADC方式完成电流测量。

3.2 INA226模块相关寄存器和设备地址

 1.INA226一共有6个寄存器(0x0~0x5),关于各个寄存器详细介绍这里则不展开介绍，可自行下载相关资料。

基于STM32电压检测和电流检测_ADC_02

2.INA226模块采用IIC通讯，根据原理图可知地址A1 A0 ==00，再参考官方技术文档可知模块设备地址为：0x40

​基于STM32电压检测和电流检测_INA226_03

​基于STM32电压检测和电流检测_ACS712_04从时序可以看出，第8位为读写使能位，则地址和读写为组合则为：读0x81,写0x80

​基于STM32电压检测和电流检测_IIC_05

3.3 INA226模块时序图

 在时钟下降沿沿时发送数据，上升沿读取数据。

基于STM32电压检测和电流检测_INA226_06

3.4 INA226模块驱动

#include "sys.h"
#include "myiic.h"
#define   CFG_REG     0x00    //
#define   SV_REG      0x01    //分流电压
#define   BV_REG      0x02    //总线电压
#define   PWR_REG     0x03    //电源功率
#define   CUR_REG     0x04    //电流
#define   CAL_REG     0x05    //校准，设定满量程范围以及电流和功率测数的 
#define   ONFF_REG    0x06    //屏蔽 使能 警报配置和转换准备就绪
#define   AL_REG      0x07    //包含与所选警报功能相比较的限定值
#define   INA226_GET_ADDR 0XFF    /
//初始化INA226
void INA226_Init(void)
{ 

  IIC_Init();
  INA226_SendData(INA226_ADDR1,CFG_REG,0x8000); //重新启动
  
  INA226_SendData(INA226_ADDR1,CFG_REG,0x484f); //设置转换时间204us,求平均值次数128，采样时间为204*128，设置模式为分流和总线连续模式
  INA226_SendData(INA226_ADDR1,CAL_REG,CAL);  //设置分辨率
  //INA226_SendData(INA226_ADDR1,CAL_REG,0x0012);//设置分流电压转电流转换参数  
  INA226_Get_ID(INA226_ADDR1);          //获取ina226的id
}
//设置寄存器指针
void INA226_SetRegPointer(u8 addr,u8 reg)
{
  IIC_Start();

  IIC_Send_Byte(addr);
  IIC_Wait_Ack();

  IIC_Send_Byte(reg);
  IIC_Wait_Ack();

  IIC_Stop();
}

//发送,写入数据
void INA226_SendData(u8 addr,u8 reg,u16 data)
{
  u8 temp=0;
  IIC_Start();

  IIC_Send_Byte(addr);
  IIC_Wait_Ack();

  IIC_Send_Byte(reg);
  IIC_Wait_Ack();
  
  temp = (u8)(data>>8);
  IIC_Send_Byte(temp);
  IIC_Wait_Ack();

  temp = (u8)(data&0x00FF);
  IIC_Send_Byte(temp);
  IIC_Wait_Ack();
  
  IIC_Stop();
}

//读取数据
u16 INA226_ReadData(u8 addr)
{
  u16 temp=0;
  IIC_Start();

  IIC_Send_Byte(addr+1);
  IIC_Wait_Ack();
  
  temp = IIC_Read_Byte(1);
  temp<<=8; 
  temp |= IIC_Read_Byte(0);
  
  IIC_Stop();
  return temp;
}
//1mA/bit
u16 INA226_GetShunt_Current(u8 addr)
{
  u16 temp=0; 
  INA226_SetRegPointer(addr,CUR_REG);
  temp = INA226_ReadData(addr);
  if(temp&0x8000) temp = ~(temp - 1); 
  return temp;
}

//获取id
void INA226_Get_ID(u8 addr)
{
  u32 temp=0;
  INA226_SetRegPointer(addr,INA226_GET_ADDR);
  temp = INA226_ReadData(addr);
  ina226_data.ina226_id = temp;
}

//获取校准值
u16 INA226_GET_CAL_REG(u8 addr)
{ 
  u32 temp=0;
  INA226_SetRegPointer(addr,CAL_REG);
  temp = INA226_ReadData(addr);
  return (u16)temp;
}

//1.25mV/bit
u16 INA226_GetVoltage(u8 addr)
{
  u32 temp = 0;
  INA226_SetRegPointer(addr,BV_REG);
  temp = INA226_ReadData(addr);
  return (u16)temp; 
}

//2.5uV/bit
u16 INA226_GetShuntVoltage(u8 addr)
{
  int16_t temp = 0;
  INA226_SetRegPointer(addr,SV_REG);
  temp = INA226_ReadData(addr);
  if(temp&0x8000) temp = ~(temp - 1); 
  return (u16)temp; 
}

//获取电压
void GetVoltage(float *Voltage)//mV
{
  *Voltage = INA226_GetVoltage(INA226_ADDR1)*Voltage_LSB;
}

3.5 ACS712模块

ACS712基于霍尔感应的原理设计，由一个精确的低偏移线性霍尔传感器电路与位于接近IC表面的铜箔组成（如下图所示），电流流过铜箔时，产生一个磁场, 霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、斩波与修正电路，输出一个电压信号，该信号从芯片的第七脚输出，直接反应出流经铜箔电流的大小。ACS712根据尾缀的不一样，量程分为三个规格：±5A、±20A、±30A 。输入与输出在量程范围内为良好的线性关系，其系数Sensitivity分别为，185 mV/A、100 mV/A、66mV/A。因为斩波电路的原因，其输出将加载于0.5Vcc上。ACS712的Vcc电源 一般建议采用5V。输出与输入的关系为Vout=0.5Vcc+IpSensitivity。一般输出的电压信号介于0.5V~4.5V之间。

​典型的应用：电机领域,载荷检测和管理,开关电源领域,和各种电子产品过电流故障保护。

 器件特点​

  • 80KHZ带宽
  • 总输出误差为1.5％
  • 采用小型贴片SOIC8封装
  • 1.2mΩ内部电阻
  • 左侧大电流引脚（PIN1-4）与右侧低电压引脚（PIN5-8）最小绝缘电压为2100V
  • 5V单电压工作
  • 该器件不可应用于汽车领域

​基于STM32电压检测和电流检测_ACS712_07

CS712模块为霍尔传感器，通过ADC采集电压值，载根据电压与电流的线性关系时序电流转换，输入电流与输出电压对应曲线及计算公式：

 ACS712ELCTR-05B电流电压对应关系如下图，Ip=0A即没有输入电流的时候，对应输出电压为2.5V.精确度为185mV/A即为图中斜线的斜率。取VCC=5V,计算公式为：

Vout = 2.5 + 0.185*Ip

​基于STM32电压检测和电流检测_IIC_08

3.6 ACS712驱动

#include "adc.h"
/***************ADC规则通道初始化*************
**硬件接口：PB0 -- ADC1_CH8(模拟)
**
*注：ADC的工作频频率不能超过14MHZ
********************************************/
void ADC1_RegularChannel_Init(void)
{
  //1.开时钟
  RCC->APB2ENR|=1<<9;//ADC1时钟
  RCC->APB2ENR|=1<<3;//PB0时钟
  RCC->APB2RSTR|=1<<9;//ADC复位时钟
  RCC->APB2RSTR&=~(1<<9);//关复位
  /*2.GPIO配置*/
  GPIOB->CRL&=0xFFFFFFF0;//模式输入方式
  /*3.ADC时钟频率配置*/
  RCC->CFGR&=~(0x3<<14);//清除原来配置
  RCC->CFGR|=0x2<<14;//ADC工作频率72MHZ/6=12MZH
  /*4.配置ADC核心寄存器*/
//  ADC1->CR1&=~(0xF<<16);//独立模式
  ADC1->CR2|=1<<23;//启动温度传感器（测量CPU温度）
  ADC1->CR2|=1<<20;//规则通道外部触发转换模式
  ADC1->CR2|=0x7<<17;//外部事件通过开关事件触发
//  ADC1->CR2&=~(1<<11);//右对齐（地位对齐，高位补0）
  ADC1->SMPR1|=0x7<<18;//温度传感器采样时间通道16
  ADC1->SMPR2|=0x7<<24;//通道8采用时间
  ADC1->SQR1&=~(0xF<<20);//规则通道转换的通道数目为1个转换
//  ADC1->CR2&=~(1<<1);//单次转换模式
  ADC1->CR2|=1<<0;//开启ADC
  ADC1->CR2|=1<<3;//初始化校准
  while(ADC1->CR2&1<<3);//等待初始化校准完成
  ADC1->CR2|=1<<2;//开始校准
  while(ADC1->CR2&1<<2){}//等待校准完成
}
/****************ADC1规则通道获取数值***************/
u16 ADC1_GetRegularCHx(u8 chx)
{
  ADC1->SQR3&=~(0x1F<<0);//清除原来寄存器中的值
  ADC1->SQR3|=chx;//要转的通道号
  ADC1->CR2|=1<<22;//开启转换规则通过
  while(!(ADC1->SR&1<<1)){}//等待转换完成
  return ADC1->DR;
}

4.实物测量效果

基于STM32电压检测和电流检测_ADC_09