基礎教程7 Arduino 測量電壓與ADC精度

來自專欄 Arduino 魔法書

我是潘，曾經是個工程師。這是為 http://Ardui.Co 製作的 「Arduino 公開課」 系列的入門教程。第7課我們會繼續利用 Arduino 模擬埠和ADC功能，測量電池電壓，還會涉及到新的知識：串口通信。有任何疑問請在評論區提出，我會逐一回答。

第5課已經講過，Arduino Uno能夠讀取 0 ~ 5V 的電壓，並轉換為10bit 即 0~1023 級的數字信號。這怎麼理解呢？

如上圖，若解析度為 2bit（即22） ，意味著將 5V 分為 0~3 級的數字信號，每級精度是 5V /4 = 1250mV。如果解析度為10bit，即 0~1023，每級是 5V / 1024 = 4.88mV；如果是 12bit，即 0~4096 ，每級是 5V / 4096 = 1.22mV。解析度越高，每級分得越小，精度就越高。

得到0~1023級測量結果後，在程序內簡單轉化一下（沒有複雜函數，只用乘除法），就能直觀讀出電壓。接線圖如下：

問題來了，怎樣顯示電壓呢？這裡使用最簡單的 IDE 串口監視器，連著開發板，直接在電腦屏幕上顯示，但我們先要使用 Serial.begin() 啟動串口通信，然後通過 Serial.print() 將電壓在屏幕列印出來：

/* 作者：Ardui.Co 效果：串口顯示模擬埠的電壓值 版本：1.0 更新時間：2017年1月8日*/void setup(){ Serial.begin(9600); //指定串口通訊比特率為9600}void loop(){ int v = analogRead(A0); //從A0口讀取電壓，模擬埠電壓測量範圍為0-5V，返回的值為0-1024 float volt = v * (5.0 / 1024.0); //將返回值換算成電壓 Serial.print(volt); //串口輸出電壓值 Serial.println(" V"); //輸出單位，並且換行 delay(1000); //輸出後等待1s，降低刷新速度}

通過 A0 讀取電壓範圍不能超過 5V，否則會損壞開發板，但要測量更高的電壓怎麼辦？其實，我們可以通過分壓電路來實現：

根據歐姆定律，Va0 = V * R1/(R1+R2) = V * 10/20 = 1/2 V

即： V = 2 Va0

因此調整一下換算語句就能得出實際電壓：

1float volt = v * (5.0 / 1024.0) * 2

但經過分壓電路的測量會降低解析度 (R1+R2)/ R1 倍（上述電路為 2 倍），如果分壓式電阻R1 = 10K，R2 = 20K，可以測量 0 ~ 15V ，但解析度降低 3 倍。換句話說，分壓測量越高的電壓，解析度就越底。

ADC 的測量精度十分重要，尤其對數控機床、3D列印、機器人、能源系統等現實應用中。下一課我們用另外一個案例，來介紹怎樣提高 Arduino 模擬埠解析度。

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