Voltímetro, amperímetro e ohmímetro c/ Arduino

Medir a tensão e a corrente são processos essenciais para se extrair informações de sensores. Medir tensão pode ser trivial, mas medir a corrente e a resistência não é tão óbvio assim. Portanto, neste post, vamos aprender uma forma de ler valores de tensão, corrente e resistência utilizando o Arduino.

Voltímetro CC

Medir a tensão (corrente contínua), conforme disse no início do post, é bem tranquilo. Tanto é que já vimos em vários posts do site. Entretanto, vou dar uma rápida explicada no assunto.

Informações importantes

Referencial

Para medir a tensão em algum ponto do circuito basta ligá-lo a algum pino analógico. Mas aqui cabem algumas ressalvas: a tensão é sempre medida entre dois pontos e, quando ligamos no pino A0 por exemplo, estamos ligando apenas um ponto. Neste caso, estamos medindo a tensão em relação ao nosso terra (GND), que já está ligado dentro do microcontrolador.

Então, caso o circuito que estamos querendo medir não tenha nenhuma ligação com o Arduino, não será possível fazer a leitura da tensão. Suponha que o circuito externo seja um LED ligado a uma bateria e o Arduino esteja sendo alimentado pela USB do computador. Para medir alguma tensão deste circuito externo, o GND do Arduino, deve estar ligado ao negativo da bateria.

Conversão

Em relação à conversão analógica-digital do Arduino, é importante saber que ele mede de 0 a 5v, e que o conversor é de 10bits. Isso quer dizer que os valores medidos serão representados entre 0 e 1023 (valor máximo com 10 bits) incluindo os dois limites. Ou seja, 0 representará 0 volts e 1023 representará 5 volts.

Portanto, para encontrar o valor lido em volts, podemos aplicar uma simples regra de 3:

1023 – 5 volts

Valor lido – V (tensao)

Logo:

$V = \frac{Vlido*5}{1023}$

Usar outros valores de tensão

Abaixo de 5v (e acima de 0)

É possível ler valores fora da faixa de 0 a 5v, mas, dependendo do caso, será necessário utilizar um circuito para adequar esta tensão para o Arduino. O próprio microcontrolador do Arduino UNO, permite trocar a tensão de referência, para que seja possível alcançar uma precisão melhor, medindo, por exemplo, tensões de 0 a 3.3v.

O procedimento para medir a tensão é o mesmo, o que muda é a regra de 3 mostrada anteriormente. E o comando para alterar a tensão de referência é:

analogReference(modo)

Dentre os modos possíveis para o Arduino UNO, de acordo com o site do Arduino, estão:

DEFAULT: a tensão padrão de alimentação da placa (5v no caso do UNO).

INTERNAL: uma referência interna igual a 1.1 volts.
EXTERNAL: a referência se torna a tensão (0 a 5V apenas) aplicada ao pino AREF (próximo ao pino digital 13).

Acima de 5v

Para medir tensões acima de 5v, basta criar um divisor de tensão para que a tensão em cima do Arduino seja reduzida. A imagem abaixo mostra um exemplo de divisor de tensão.

O valor dos resistores do divisor de tensão vão depender do valor máximo de leitura. Por exemplo, se o valor máximo for 10 volts, então um divisor de 2/1 será adequado. Não mostrarei em detalhes esta parte, pois, com o post sobre divisor de tensão, você deverá ser capaz de entender o necessário.

Circuito de exemplo

Para mostrar a parte da programação, considere o circuito e o esquemático abaixo:

O circuito consiste apenas em um LED alimentado com 5v em série com um resistor de 220Ω. E entre os dois existe um fio que vai para o pino analógico A0. Nosso objetivo será medir a tensão neste ponto (entre este ponto e o GND, conforme dito no início do post). Esta tensão é justamente a tensão em cima do resistor.

Programação

A programação é bem simples, pois basta utilizar o comando de leitura analógica do Arduino, que já abordei em outro post. Leia os comentários para entender o código por completo.

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void setup() {
// O comando abaixo é desnecessário caso o modo seja o DEFAULT
analogReference(DEFAULT);

// Cria a comunicação serial para exibir os valores no monitor serial
Serial.begin(9600);
}

void loop() {
// Mede o valor de 0 a 1023 e converte para tensão
float tensao = analogRead(A0);
tensao = tensao*5/1023;

// Exibe o valor lido
Serial.println(tensao);

// Cria um pequeno atraso entre cada medição
delay(1000);
}

Resultados

Quando rodei o programa, o valor lido ficou oscilando entre 2,58 e 2,62. Como o valor lido é a queda de tensão em cima do resistor, basta considerar que a tensão em cima do LED é 5 menos esse valor. Considerando o valor médio como 2,6:

5-2,60 = 2,4

2,4 é justamente a queda de tensão máxima do LED vermelho. Sendo assim, o resultado foi próximo da realidade.

Pronto, com a lógica mostrada neste tópico já podemos criar um voltímetro com algumas limitações.

Ohmímetro

Lógica de funcionamento

Medir a resistência pode ser útil em situações onde as faixas de cores de um resistor são confusas ou então quando você quer saber a resistência de um outro componente (potenciômetro por exemplo). Em outro post, já cheguei medir a resistência de um LDR com o Arduino.

Para este caso, nos também mediremos a tensão, mas em um esquema um pouco diferente. Com a ajuda de um divisor de tensão com uma das resistências conhecidas, é possível saber qual o valor da outra resistência a partir da tensão de saída. Para exemplificar como, considere um divisor de tensão típico como o da imagem abaixo:

A tensão de saída do divisor é dada por:

$Vout = \frac{R2 \ast Vin}{R1+R2}$

Portanto, se sabemos quais são os valores de Vin, R2 e Vout, podemos determinar R1. Manipulando a equação, chegamos ao seguinte resultado:

$R1 = \frac{R2*Vin-VoutR2}{Vout}$

Agora podemos passar para um circuito de exemplo: