Medindo corrente e tensão com o módulo INA219

Medindo corrente e tensão com o módulo INA219

Durante o desenvolvimento de algum dos seus projetos você já deve ter tido a necessidade de medir a tensão ou a corrente consumida pelo seu projeto ou parte dele. Normalmente utilizamos um multímetro e medimos uma grandeza por vez (algo não muito prático). Neste artigo veremos como montar um simples e prático medidor de tensão e corrente DC utilizando como componente principal o current monitor módulo INA219 da Texas Instruments.

Para apresentar as leituras utilizaremos um Display de LCD 16×2 com um adaptador i2c, o que irá minimizar bastante a quantidade de pinos necessários, se comparado a tradicional utilização com interface paralela, seja de 4 bits ou 8 bits.

PRINCIPAIS MATERIAIS UTILIZADOS

• Sensor de Corrente DC INA219 I2C
• Display LCD 16×2 Backlight Azul
• Módulo Serial I2C para Display LCD Arduino
• Placa Nano V3.0

O SENSOR DE CORRENTE DC MODULO INA219

O INA219 é um componente extremamente versátil para o monitoramento de grandezas elétricas DC. Permite o monitoramento de linhas com alimentação de 0 a 26 Vdc, corrente com limite máximo dependente do resistor shunt utilizado, conversor ADC interno de 12 bit e interface i2c para comunicação. O método de medição de corrente utilizado é o high-side, onde o resistor shunt é colocado entre a fonte de alimentação e a carga. Este método permite que o dispositivo meça tanto a corrente circulante, como a tensão na carga. O datasheet do componente pode ser encontrado neste LINK.

Medição em High-Side e Low-Side

Como mencionado anteriormente, a medição da corrente é realizada através de um resistor shunt, ou seja, nossa boa e velha Lei de Ohm. Lembre-se que quando uma corrente elétrica atravessa um resistor surge em seus terminais uma diferença de potencial, ou seja, surge uma tensão que é proporcional a corrente circulando através do resistor.

 U = R x I

Ao medirmos a tensão sobre um resistor qualquer, de posse da resistência do mesmo podemos substituir os valores na equação e com isso obter a corrente elétrica.

A placa Sensor de Corrente DC INA219 I2C facilita muito os projetos envolvendo este componente pois já engloba o circuito integrado, os componentes passivos necessários para seu funcionamento, um resistor shunt de 0.100R (100 miliOhm) que permite medição de correntes máximas de +- 3,2 A (tensão máxima de +-320 mV no resistor shunt) e também terminais para conexão com o microcontrolador e com a fonte que irá alimentar a carga a ser monitorada. A placa possui também dois conjuntos de pads/jumpers que permitem modificar o endereço i2c do dispositivo, ou seja, podemos utilizar até 4 dispositivos ao mesmo tempo em uma mesma linha i2c.

Placa INA219 DC Current Sensor

A alimentação do módulo INA219 é realizada através dos terminais Vcc e Gnd, podendo variar de 3 V a 5,5 Vdc, ou seja, dentro dos limites da maiorias das placas disponíveis atualmente, incluindo a placa Nano V3.0 utilizada neste projeto.

Os pinos Sda e Scl são referentes a comunicação i2c, e devem ser conectados respectivamente aos pinos A4 e A5 da placa Nano. Os pinos Vin+ e Vin- presentes tanto na barra de pinos, como no conector parafusável, são utilizados para monitorar a carga. A fonte que alimenta a carga (com tensões de 0 a 26 V) entra no terminal Vin+, atravessa o resistor shunt e sai pelo terminal Vin-, indo para a carga a ser monitorada. Aqui fica uma dica, para cargas que consumam pouca corrente você pode utilizar os terminais na barra de pinos inferior, na dúvida, utilize o terminal parafusável superior.

Uma consideração importante, o Gnd do nosso circuito de medição deverá estar conectado ao Gnd da nossa carga, por exemplo, se você estiver monitorando o consumo de um motor conectado a uma bateria de 9V, o terminal “-” da bateria deverá ser conectado ao Gnd geral. Isto garante que os circuitos operem sob mesmo referencial, ao mesmo tempo que assegura que a tensão será medida corretamente.

DISPLAY DE LCD 16X2 E ADAPTADOR I2C

Iremos utilizar um tradicional display LCD 16×2 para apresentar as medições. nativamente este display utiliza uma interface paralela, necessitando de pelo menos 6 pinos na versão 4 bits, conforme pode ser visto neste artigo do blog,  ou até 11 pinos na versão 8 bits.

Para minimizar a quantidade de pinos necessários iremos utilizar um Módulo Serial I2C para Display LCD. Este módulo permite comunicar com o LCD através da interface serial I2C, utilizando apenas 2 terminais (SDA e SCL). O módulo pode ser soldado diretamente ao display de LCD ou então pode-se cortar e soldar uma barra de pinos fêmea. permitindo que você altere a interface de acordo com suas necessidades.

CIRCUITO MODULO INA219 COM ARDUINO

Para montagem básica precisaremos de uma protoboard, uma fonte para alimentar nosso circuito e alguns jumpers. Indico utilizarem jumpers rígidos pois além da estética melhor, eles acabam evitando problemas de mau contato.

Iremos alimentar as linhas superior e inferior do protoboard com 5 V. Essa alimentação será útil para alimentar a placa Nano, o módulo INA219 e também nosso LCD via adaptador i2c.

Os pinos SDA e SCL, tanto da placa INA219 como do adaptador i2c deverão ser conectados respectivamente os pinos A4 e A5, que neste projetos serão utilizados para comunicação i2c.

O circuito a seguir apresenta as conexões básicas necessárias.

Veja que é um circuito bastante simples, restando apenas conectar a fonte que irá alimentar a carga ao conector Vin+, conectar Vin- a carga e lembrar de interconectar o Gnd dos circuitos.

BIBLIOTECAS NECESSÁRIAS

Para realização deste projeto será necessário adicionar duas novas bibliotecas, a Adafruit_INA219 e a LiquidCrystal_I2C. Aconselho utilizar o utilitário de gerenciamento de bibliotecas para facilitar o processo. Clique em Sketch >> incluir Biblioteca >> Gerenciar Bibliotecas…. No campo de busca insira o nome das bibliotecas Adafruit INA219 e LiquidCrystal I2C. Na lista que aparecer, selecione a biblioteca indicada e então clique em “Instalar”.

CÓDIGO FONTE

As bibliotecas utilizadas para o INA219 e para o LCD via i2c possuem exemplos de sua utilização que serviram como base para este projeto.

A seguir é apresentado o código que une as funcionalidade do nosso sensor de corrente e tensão e do nosso LCD via serial I2C.

/*
 * DC Current and Voltage Meter - Basic Code
 * - Use one INA219, an i2c current monitor from TI
 * with 12 bit ADC, capable to monitor Voltage and
 * Current
 * 
 * -------------------------------------------------
 * Medidor corrente e tensão DC - Código Básico
 * - Utiliza um modulo INA219, um monitor de corrente i2c
 * com um ADC de 12 bit, capaz de monitorar Tensão
 * e Corrente
 * 
 * developed by: Haroldo Amaral
 * 2017/03/26 - v 1.0
 */

#include <Wire.h> 
#include <LiquidCrystal_I2C.h>      // lcd i2c lib
#include <Adafruit_INA219.h>        // ina219 lib

// Define some constants used in code
const int LED1 =  2;        // the number of the LED pin
const int LED2 =  3;        // the number of the LED pin
const int ON = 1;           // on state
const int OFF = 0;          // off state
const int LCD_addr = 0x3F;  // LCD i2c address
const int LCD_chars = 16;   // number of characters
const int LCD_lines = 2;    // number of lines
const int INA_addr = 0x40;  // INA219 address


// set the LCD address to 0x3F for a 16 chars and 2 line display
// indica o endereço do LCD  - 0x3F, com 16 caracteres e 2 linhas
LiquidCrystal_I2C lcd(LCD_addr, LCD_chars, LCD_lines);

// set the INA219 to address 0x40
// indica o endereço do INA219 - 0x40
Adafruit_INA219 ina219(INA_addr);

// global variables
float shuntvoltage = 0;
float busvoltage = 0;
float current_mA = 0;
float loadvoltage = 0;

// Prototype of functions
void Read_INA219_Values(void);
void LCD_Update(void);
void Serial_Send(void);

void setup()
{
  // configure LED pins
  pinMode(LED1, OUTPUT);
  pinMode(LED2, OUTPUT);

  // configure the serial to 9600bps
  Serial.begin(9600);

  Serial.println("Hello!");
  Serial.println("Measuring voltage and current with INA219 ...");
  
  // initialize the INA219
  ina219.begin();

  // initialize the lcd 
  lcd.init();
  lcd.clear();

  // Print a message to the LCD.
  lcd.backlight();

  // set the cursor and write some text
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Tensao Corrente"); 
}

/*
 * MAIN LOOP
 * - change the led state, measure the values and update LCD
 */
void loop()
{
  // read values from INA219
  // lê os valores do INA219
  Read_INA219_Values();

  // update the LCD
  // atualiza o LCD
  LCD_Update();

  // send data over the serial
  // envia os dados pela serial
  Serial_Send();

  // change the value to increase/decrease the update rate
  // mude o valor para alterar a taxa de atualização
  delay(250);
}

/*
 * Functions
 */

// Read the values from INA219
// lê os valores convertidos pelo modulo INA219
void Read_INA219_Values(void)
{
  shuntvoltage = ina219.getShuntVoltage_mV();
  busvoltage = ina219.getBusVoltage_V();
  current_mA = ina219.getCurrent_mA();
  loadvoltage = busvoltage + (shuntvoltage / 1000);
}

// update the LCD with values
// atualiza o LCD com os valores
void LCD_Update(void)
{
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print(busvoltage);  lcd.print("V   ");

  lcd.setCursor(7,1);
  lcd.print(current_mA); lcd.print("mA   ");
}

// Send data over the serial
// envia os valores pela serial
void Serial_Send(void)
{
  Serial.print("Bus Voltage:   "); Serial.print(busvoltage); Serial.println(" V");
  Serial.print("Shunt Voltage: "); Serial.print(shuntvoltage); Serial.println(" mV");
  Serial.print("Load Voltage:  "); Serial.print(loadvoltage); Serial.println(" V");
  Serial.print("Current:       "); Serial.print(current_mA); Serial.println(" mA");
  Serial.println("");
}

Com o exemplo rodando serão apresentadas no LCD a tensão e corrente da carga. Neste exemplo utilizei 1 LED vermelho como carga teste.

UM SEGUNDO TESTE COM O MODULO INA219

Para fixarmos os conceitos irei demonstrar um exemplo medindo a tensão e a corrente consumida por todo o circuito de medição e mais dois LED’s controlados pela própria sketch.

Como queremos medir o consumo da placa Nano, do Display LCD e de mais dois LED’s, serão necessárias alguma modificações pontuais no circuito. A principal delas é que a alimentação de 5V fornecida pela fonte ajustável, será conectada apenas as linhas de alimentação superiores, na parte interior iremos deixar o jumper da fonte na posição “off”. A alimentação de 5V será aplicada ao pino Vin+ e o pino Vin- será conectado a linha de alimentação inferior, permitindo alimentar a placa Nano e também o Display de LCD.

O circuito de teste é apresentado a seguir.

CÓDIGO FONTE

Neste teste o código irá controlar o backlight e os dois leds para demonstrar a medição de tensão e corrente. Inicialmente é mostrada a medição com backlight aceso e com os leds apagados, após um delay o backlight é apagado, o backlight é novamente aceso e um dos LEDs também, o segundo LED é aceso. Entre cada etapa ocorre a leitura dos valores medidos pelo INA219, atualização do display e geração de um delay de 2 segundos.

O código é apresentado a seguir.

/*
 * DC Current and Voltage Meter - LED test
 * - Use one INA219, an i2c current monitor from TI
 * with 12 bit ADC, capable to monitor Voltage and
 * Current
 * - In the test, the LEDs and the backlight are 
 * switched to verify the current consumption
 * 
 * -------------------------------------------------
 * Medidor corrente e tensão DC - LED test
 * - Utiliza um modulo INA219, um monitor de corrente i2c
 * com um ADC de 12 bit, capaz de monitorar Tensão
 * e Corrente
 * - No teste, os led e o backlight são chaveados
 * para verificar a corrente consumida
 * 
 * developed by: Haroldo Amaral
 * 2017/03/26 - v 1.0
 */

#include <Wire.h> 
#include <LiquidCrystal_I2C.h>      // lcd i2c lib
#include <Adafruit_INA219.h>        // ina219 lib

// Define some constants used in code
const int LED1 =  2;        // the number of the LED pin
const int LED2 =  3;        // the number of the LED pin
const int ON = 1;           // on state
const int OFF = 0;          // off state
const int LCD_addr = 0x3F;  // LCD i2c address
const int LCD_chars = 16;   // number of characters
const int LCD_lines = 2;    // number of lines
const int INA_addr = 0x40;  // INA219 address


// set the LCD address to 0x3F for a 16 chars and 2 line display
// indica o endereço do LCD  - 0x3F, com 16 caracteres e 2 linhas
LiquidCrystal_I2C lcd(LCD_addr, LCD_chars, LCD_lines);

// set the INA219 to address 0x40
// indica o endereço do modulo INA219 - 0x40
Adafruit_INA219 ina219(INA_addr);

// global variables
float shuntvoltage = 0;
float busvoltage = 0;
float current_mA = 0;
float loadvoltage = 0;

// Prototype of functions
void Read_INA219_Values(void);
void LCD_Update(void);
void Serial_Send(void);

void setup()
{
  // configure LED pins
  pinMode(LED1, OUTPUT);
  pinMode(LED2, OUTPUT);

  // configure the serial to 9600bps
  Serial.begin(9600);

  Serial.println("Hello!");
  Serial.println("Measuring voltage and current with INA219 ...");
  
  // initialize the INA219
  ina219.begin();

  // initialize the lcd 
  lcd.init();
  lcd.clear();

  // Print a message to the LCD.
  lcd.backlight();

  // set the cursor and write some text
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Tensao Corrente"); 
}

/*
 * MAIN LOOP
 * - change the led state, measure the values and update LCD
 */
void loop()
{
  // test 1 - backlight on, leds off
  // teste 1 - backlight aceso, leds apagados
  digitalWrite(LED1, OFF);
  digitalWrite(LED2, OFF);
  Read_INA219_Values();
  LCD_Update();
  Serial_Send();
  delay(2000);

  // test 2 - backlight off, leds off
  // teste 2 - backlight apagado, leds apagados
  lcd.noBacklight();
  Read_INA219_Values();
  LCD_Update();
  Serial_Send();
  delay(2000);

  // test 3 - backlight on, led 1 ON
  // teste 3 - backlight aceso, led 1 aceso
  lcd.backlight();
  digitalWrite(LED1, ON);
  Read_INA219_Values();
  LCD_Update();
  Serial_Send();
  delay(2000);

  // test 4 - backlight on, led 1 and 2 ON
  // teste 4 - backlight aceso, led 1 e 2 aceso
  digitalWrite(LED2, ON);
  Read_INA219_Values();
  LCD_Update();
  Serial_Send();
  delay(2000);
}

/*
 * Functions
 */

// Read the values from INA219
// lê os valores convertidos pelo modulo INA219
void Read_INA219_Values(void)
{
  shuntvoltage = ina219.getShuntVoltage_mV();
  busvoltage = ina219.getBusVoltage_V();
  current_mA = ina219.getCurrent_mA();
  loadvoltage = busvoltage + (shuntvoltage / 1000);
}

// update the LCD with values
// atualiza o LCD com os valores
void LCD_Update(void)
{
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print(busvoltage);  lcd.print("V   ");

  lcd.setCursor(7,1);
  lcd.print(current_mA); lcd.print("mA   ");
}

// Send data over the serial
// envia os valores pela serial
void Serial_Send(void)
{
  Serial.print("Bus Voltage:   "); Serial.print(busvoltage); Serial.println(" V");
  Serial.print("Shunt Voltage: "); Serial.print(shuntvoltage); Serial.println(" mV");
  Serial.print("Load Voltage:  "); Serial.print(loadvoltage); Serial.println(" V");
  Serial.print("Current:       "); Serial.print(current_mA); Serial.println(" mA");
  Serial.println("");
}

O resultado deste teste você confere na imagem do início do post, e os arquivos deste projeto (sketches e esquemático do Fritzing) podem ser baixados no meu repositório GitHub.

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