Amperomierze w układach pomiarowych Arduino i Raspberry Pi to kluczowy element wielu projektów elektronicznych, pozwalający monitorować wartość prądu płynącego przez obwód i zabezpieczać urządzenia przed przeciążeniem.
Podstawy pomiaru prądu
Pomiary prądu elektrycznego można realizować metodami bezpośrednimi lub pośrednimi. Najpopularniejsze techniki to pomiar spadku napięcia na rezystorze pomiarowym (metoda shunt) oraz wykorzystanie czujników Halla.
- Shunt – polega na pomiarze niewielkiego napięcia U = I·R na dokładnie dobranym rezystorze o niskiej wartości oporu. Wadą jest straty mocy i konieczność pracy w niskich zakresach napięć, zaletą wysoka dokładność.
- Hall – czujnik indukcyjny wykorzystuje zjawisko Halla do pomiaru natężenia prądu bez kontaktu elektrycznego. Charakteryzuje się izolacją galwaniczną, ale niższą rozdzielczością przy małych prądach.
Wymagania dla mikrokontrolerów
Aby skutecznie integrować amperomierz z platformami jak Arduino czy Raspberry Pi, należy zadbać o:
- odpowiedni zakres pomiarowy (niskie i wysokie natężenia),
- izolację galwaniczną, jeśli mierzony obwód pracuje przy napięciach niebezpiecznych,
- pasmo przenoszenia dostosowane do częstotliwości pomiarów,
- możliwość kalibracji i kompensacji offsetu.
Amperomierze dla Arduino
Platforma Arduino udostępnia wejścia analogowe o rozdzielczości 10-bitów i zakresie napięć od 0 do 5 V (lub 3,3 V w niektórych modelach). Do pomiaru prądu można wykorzystać zewnętrzne moduły z gotowymi przetwornikami.
Moduł ACS712
ACS712 to popularny sensor Halla, dostępny w trzech zakresach: ±5 A, ±20 A i ±30 A. Charakteryzuje się prostą integracją – wystarczy zasilić go 5 V, masę podłączyć do masy Arduino, a wyjście analogowe do wejścia ADC. Przykładowy algorytm:
- odczyt surowej wartości ADC,
- konwersja do napięcia: U = odczyt·(Vref/1023),
- obliczenie prądu: I = (U − Vcc/2) / czułość (np. 185 mV/A dla zakresu ±5 A),
- filtracja wartości, kalibracja offsetu.
Moduł INA219
INA219 z rodziny układów firmy Texas Instruments to precyzyjny wzmacniacz pomiarowy z interfejsem I2C. Umożliwia jednoczesny pomiar napięcia (do 26 V) i prądu na rezystorze shunt do 320 mV. Jego zalety:
- wysoka rozdzielczość (12-bitowy przetwornik prądowy i napięciowy),
- możliwość programowego ustawienia kalibracji,
- komunikacja poprzez dwukierunkowe magistrale I2C.
Dzięki tej konstrukcji pomiar staje się odporny na zakłócenia, a Arduino może odczytywać wartości prądu bezpośrednio, korzystając z bibliotek dostępnych w środowisku IDE.
Amperomierze dla Raspberry Pi
Raspberry Pi domyślnie nie posiada wejść analogowych, dlatego pomiar prądu wymaga zastosowania zewnętrznego przetwornika ADC lub gotowego modułu I2C.
ADS1115 jako przetwornik ADC
ADS1115 to czterokanałowy 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy podłączany przez I2C. Pozwala na pomiary napięcia na rezystorze shunt o wartości kilkudziesięciu miliohmów. Najważniejsze kroki integracji:
- podłączenie SDA, SCL do odpowiednich pinów Raspberry Pi,
- zasilanie modułu 3,3 V,
- kalibracja przetwornika (określenie pełnej skali),
- implementacja skryptu w Pythonie, np. z użyciem biblioteki smbus.
Gotowe moduły INA219 i INA226
Podobnie jak w przypadku Arduino, można wykorzystać moduły INA219 lub nowszy INA226, który dodatkowo mierzy moc w paśmie do 10 kHz. Dzięki dostępności bibliotek Pythonowych (np. adafruit-circuitpython-ina219) integracja sprowadza się do kilku linijek kodu:
- inicjalizacja I2C bus,
- odczyt napięcia shunt i napięcia zasilania,
- automatyczne obliczenie prądu i mocy.
Taka konstrukcja jest idealna do monitoringu energii z paneli słonecznych lub pomiaru poboru prądu w urządzeniach sieciowych.
Zastosowania w projektach
Amperomierze w połączeniu z Arduino lub Raspberry Pi znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach:
- Akumulatorowe systemy zasilania – monitorowanie stanu naładowania i zabezpieczenie przed głębokim rozładowaniem.
- Instalacje fotowoltaiczne – pomiar prądu wyjściowego paneli i optymalizacja pracy inwerterów.
- Robotyka – kontrola prądu silników DC, zapobieganie przeciążeniom.
- Projekty IoT – zdalny nadzór zużycia energii w inteligentnym domu.
Dokładna kalibracja i dobór odpowiedniego modułu pomiarowego pozwalają uzyskać błyskawiczne i wiarygodne wyniki, a wykorzystanie popularnych platform skraca czas implementacji nowych rozwiązań.
