如何使用 INA226 直流電流感測器與 Arduino 配合使用

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步驟與項目

使用 INA226 直流電流感測器與 Arduino 搭配的完整教學

在這篇教學中，我們將學習如何將 INA226 直流電流感測模組與 Arduino 進行介接。INA226 和它的前身 INA219 一樣，是一款可以測量電流、電壓和功率的設備。然而，它具有更擴展的量測範圍，能夠測量高達 36V 的電壓和最大 20A 的電流。因此，您可以利用這款感測器製作直流能量計專案、12V 電池監控系統專案，或是太陽能板監控系統專案。

INA226 是由德州儀器 (Texas Instruments) 推出的分流和總線電壓監控器。它提供了集成的零漂移雙向介面，能夠監測分流電壓、總線電壓、電流和功率。INA226 透過 I2C 介面與微控制器進行通訊，使數據傳輸和解釋變得更加簡單。

INA226 的一個獨特功能是它可以配置的平均與轉換時間，適用於分流電壓和總線電壓的測量。這為各種應用和系統需求提供了優化設備的方式。此外，它還包含可編程的閾值和警報功能，這可以用來進行系統級的優化，例如節能和事件驅動的中斷編程。

INA226 直流電流感測模組具有多樣性，廣泛應用於伺服器電源管理、電信、電源設備和電池管理系統等領域。本質上，任何需要高精度、具成本效益的功率和電流監測的系統，都可以從這款模組中獲益。

材料清單

要將 INA226 直流電流感測模組與 Arduino 進行介接，我們需要以下元件。您可以從提供的連結購買這些元件：

INA226 是一款由德州儀器 (Texas Instruments) 開發的先進高端電流分流與功率監控 IC。它透過 I2C 或 SMBus 相容的介面運作，能與微控制器進行直接的數位通訊。相較於 INA219，INA226 提供了更高的準確性、更廣的電壓與電流範圍，以及內建數學運算功能，可直接以瓦特 (W) 為單位報告功率。

下載 INA226 資料表：INA226 資料表

INA226 板路圖與電路圖

INA226 模組由 INA226 晶片、一些電阻以及一顆電容組成，電容的作用是減少雜訊或不必要的電信號。

INA226 的功能與規格

工作電壓（2.7 – 5.5V）： INA226 的工作電壓範圍為 2.7 至 5.5 伏特，讓其能與不同電壓等級的系統相容，適用於多樣化的電路設計需求。
總線電壓範圍（0 – 36V）： INA226 可監測高達 36 伏特的電源供應，拓展其在各種電源管理應用中的適用性。
電流感測範圍（±500mA 至 ±50A）： 根據分流電阻的數值，INA226 可監測廣泛的電流範圍，適用於電源管理、電池充電器和直流馬達控制等應用。
功耗：
- 連續模式： 0.35 mA
- 低功耗模式： 2.3 µA
測量模式： 支援連續測量模式或隨需觸發的測量模式（“觸發模式”）。
平均功能： 可選擇對 1、4、64、128、256、512 或 1024 筆測量數據進行平均。
A/D 轉換時間： 可調整為 8 級，範圍從 0.14 ms 至 8.2 ms。
高精度： INA226 透過內建的 16 位元 ADC 提供更高的測量精度，確保數據更加準確。
可程式化警報： 配備可程式化的警報腳位，用於檢測閾值違反或數據可用的情況。

INA226 的腳位說明

INA226 感測模組通常具有 8 個腳位，詳細功能如下：

VCC： 接受 2.7V 至 5.5V 的輸入電壓，用於為模組供電。
GND： 接地腳，需與電源的地相連接。
SDA： I²C 介面的序列數據線，用於雙向數據傳輸。
SCL： I²C 介面的序列時鐘線，用於數據傳輸過程中的同步。
ALE（Alert）： 警報腳，為開漏輸出，需外接拉高電阻。此腳位可用於觸發各種警報或作為轉換完成信號。
VBUS： 用於測量電源電壓的腳位，可測量高達 36V 的電壓。
IN-： 與負載相連的腳位，用於放置分流電阻以進行電流感測。
IN+： 與電源正極相連的腳位。

這些腳位的功能使得 INA226 感測模組在電壓與電流監測中具備靈活性，適合多種應用場景。

INA226 的最大可測電流並非由晶片本身直接決定，而是取決於所使用的分流電阻值。

INA226 透過測量分流電阻上的電壓降，並利用歐姆定律（ $I = V / R$ ）計算出電流。由於 INA226 的最大分流電壓為 81.92mV（解析度為 2.5µV），因此最大電流取決於分流電阻的阻值。

以下是一個建議分流電阻與對應最大電流的表格：

分流電阻（Rshunt）	最大電流（Imax）
1 mΩ	81.92 A
5 mΩ	16.384 A
10 mΩ	8.192 A
50 mΩ	1.638 A
100 mΩ	0.819 A

選擇建議：

大電流應用： 使用低阻值（如 1mΩ 或 5mΩ）的分流電阻，可減少功率損耗，但需注意測量精度可能會受到影響。
小電流應用： 使用較高阻值（如 50mΩ 或 100mΩ）的分流電阻，可提高測量精度，但功率損耗會增加。

透過選擇適當的分流電阻，您可以根據應用需求靈活調整 INA226 的測量範圍與精度。

ADC 解析度

INA226 的總線電壓暫存器為 16 位元有號數，具備每位元 1.25mV 的最小有效位元（LSB）或解析度，支持 ±40.96V 的全量程電壓測量範圍。

INA226 為分流電阻設計的類比輸入，可接受最高 81.92mV 的全量程電壓。當搭配 4mΩ 的分流電阻時，能夠測量高達 ±20.48A 的電流，並且解析度高達 625µA。

總線電壓解析度： 1.25mV
總線電壓範圍： ±40.96V
分流電壓範圍： 最大 81.92mV
電流範圍（搭配 4mΩ 分流電阻）： ±20.48A
電流解析度： 625µA

透過高解析度的 ADC，INA226 能夠提供精確的電壓和電流測量，適用於高精度電源監控與電流管理應用。

I2C 位址
與 INA219 相似，INA226 使用 I2C 通訊協定與微控制器進行通訊。INA226 的預設 I2C 位址為 0x40。此位址可被修改，以便在同一 I2C 匯流排上使用多個 INA226 感測器。

INA226 支援最多 16 種不同的 I2C 位址，範圍從 0x40 到 0x4F。您可以透過修改 A0 和 A1 腳位的連接方式來更改 I2C 位址。

暫存器位址與數值計算
INA226 內部有多個暫存器，這些暫存器可透過 I2C 介面訪問。以下是一些主要的暫存器：

配置暫存器（地址 = 00h）：
與 INA219 類似，此暫存器用於控制 INA226 的各種功能設定。

分流電壓暫存器（地址 = 01h）：
此暫存器保存分流電壓的原始測量值。

$μV\text{分流電壓（V）} = \text{分流電壓暫存器值} \times 2.5 \, \mu V$

總線電壓暫存器（地址 = 02h）：
此暫存器保存總線電壓的原始測量值。

$mV\text{總線電壓（V）} = \text{總線電壓暫存器值} \times 1.25 \, mV$

功率暫存器（地址 = 03h）：
此暫存器保存計算出的功率值。

$功率（W）=功率暫存器值×Power_LSB\text{功率（W）} = \text{功率暫存器值} \times \text{Power\_LSB}$

電流暫存器（地址 = 04h）：
此暫存器保存計算出的電流值。

$電流（A）=電流暫存器值×Current_LSB\text{電流（A）} = \text{電流暫存器值} \times \text{Current\_LSB}$

校準暫存器（地址 = 05h）：
此暫存器用於設定電流和功率計算的校準值。

如何將 INA226 直流電流感測器與 Arduino 搭配使用

現在讓我們來實現 INA226 直流電流感測模組與 Arduino 的介接。硬體連接非常簡單。

以下是一個簡單的連接圖，展示如何將 INA226 電流感測器與 Arduino 進行介接，並同時連接外部負載與電源：

將 INA226 的 VCC、GND、SCL 和 SDA 腳位分別連接到 Arduino 的 5V、GND、A5 和 A4 腳位。
將 Vin+ 腳位連接到電源，Vin- 腳位連接到負載，如上圖所示。
INA226 感測器還有一個 VBus 腳位，用於測量電源電壓。將 VBus 腳位連接到 Vin- 腳位。

在測試中，我使用 3.7V 和 9V 電池作為電源，並使用直流馬達作為負載。

Vin+ 腳位最多可接受 36V 的輸入電壓。
該裝置的輸入腳位額定電壓為 36V（絕對最大值為 40V），因此請勿供應超過 36V 的電壓。

如果需要測量更高的電流，您可能需要將模組上的分流電阻進行除焊，並替換為上述建議的電阻值。

INA226 Arduino 程式庫
市面上有多種 INA226 的程式庫可供使用。我測試了大部分的程式庫，發現由 Wollewald 提供的程式庫最為準確。

您可以從 GitHub INA226 函式庫下載該程式庫，或者直接透過 Arduino IDE 的 程式庫管理員 安裝。總共有七個範例程式可用來展示該程式庫的功能。我使用了其中的 連續模式範例。許多功能在所有範例中都有使用，因此只需要解釋一次即可。

原始程式碼/程式
將以下程式碼複製並貼到 Arduino IDE 的編輯器視窗中。在上傳程式碼之前，您可能需要進行一些修改。

#include <Wire.h> // 引入 Wire 庫，用於 I2C 通訊
#include <INA226_WE.h> // 引入 INA226_WE 庫，用於操作 INA226 感測器
#define I2C_ADDRESS 0x40 // 定義 INA226 的 I2C 位址
INA226_WE ina226 = INA226_WE(I2C_ADDRESS); // 建立 INA226 物件，設定 I2C 位址
void setup() 
{
Serial.begin(9600); // 設定序列通訊速率為 9600
while (!Serial); // 等待序列端口啟動（適用於某些板子如 Arduino Leonardo 或 MKR WiFi 1010）
Wire.begin(); // 初始化 I2C 通訊
ina226.init(); // 初始化 INA226 感測器
/* 設定分流電壓與總線電壓的測量平均值
模式 *           * 平均測量次數
AVERAGE_1          1（預設值）
AVERAGE_4          4
AVERAGE_16         16
AVERAGE_64         64
AVERAGE_128        128
AVERAGE_256        256
AVERAGE_512        512
AVERAGE_1024       1024
*/
//ina226.setAverage(AVERAGE_16); // 選擇模式並取消註解以更改預設值
/* 設定轉換時間（單位：微秒）
每組分流電壓與總線電壓的測量時間為：
平均測量次數 x 轉換時間 x 2
模式 *          * 轉換時間
CONV_TIME_140         140 µs
CONV_TIME_204         204 µs
CONV_TIME_332         332 µs
CONV_TIME_588         588 µs
CONV_TIME_1100      1.1 ms（預設值）
CONV_TIME_2116      2.116 ms
CONV_TIME_4156      4.156 ms
CONV_TIME_8244      8.244 ms
*/
//ina226.setConversionTime(CONV_TIME_1100); // 選擇轉換時間並取消註解以更改預設值
/* 設定測量模式
POWER_DOWN - 停用 INA226
TRIGGERED  - 按需求觸發測量
CONTINUOUS - 連續測量（預設值）
*/
//ina226.setMeasureMode(CONTINUOUS); // 選擇模式並取消註解以更改預設值
/* 設定分流電阻與電流範圍
若電阻為 5.0 mOhm，電流範圍可達 10.0 A
預設為 100 mOhm，可達約 1.3 A
*/
ina226.setResistorRange(0.1, 1.3); // 設定分流電阻為 0.1 歐姆，電流範圍最高 1.3A
/* 如果 INA226 提供的電流值與校準設備的測量值有固定比例的差異，
可以定義修正係數。
修正係數 = 校準設備提供的電流 / INA226 提供的電流
*/
ina226.setCorrectionFactor(0.93); // 設定修正係數為 0.93
Serial.println("INA226 電流感測器範例 - 連續測量模式");
ina226.waitUntilConversionCompleted(); // 等待首次轉換完成，若註解此行，首次數據可能為零
}
void loop()
{
float shuntVoltage_mV = 0.0; // 分流電壓（單位：毫伏）
float loadVoltage_V = 0.0;   // 負載電壓（單位：伏特）
float busVoltage_V = 0.0;    // 總線電壓（單位：伏特）
float current_mA = 0.0;      // 電流（單位：毫安培）
float power_mW = 0.0;        // 功率（單位：毫瓦）
ina226.readAndClearFlags(); // 讀取並清除標誌位
shuntVoltage_mV = ina226.getShuntVoltage_mV(); // 獲取分流電壓
busVoltage_V = ina226.getBusVoltage_V();       // 獲取總線電壓
current_mA = ina226.getCurrent_mA();           // 獲取電流
power_mW = ina226.getBusPower();               // 獲取功率
loadVoltage_V  = busVoltage_V + (shuntVoltage_mV / 1000); // 計算負載電壓
Serial.print("分流電壓 [mV]: "); Serial.println(shuntVoltage_mV);
Serial.print("總線電壓 [V]: "); Serial.println(busVoltage_V);
Serial.print("負載電壓 [V]: "); Serial.println(loadVoltage_V);
Serial.print("電流 [mA]: "); Serial.println(current_mA);
Serial.print("總線功率 [mW]: "); Serial.println(power_mW);
if (!ina226.overflow)
{
Serial.println("數值正常 - 無溢出");
}
else
{
Serial.println("溢出！請選擇更高的電流範圍");
}
Serial.println();
delay(3000); // 每 3 秒更新一次
}

100

101

102

103

104

#include <Wire.h> // 引入 Wire 庫，用於 I2C 通訊

#include <INA226_WE.h> // 引入 INA226_WE 庫，用於操作 INA226 感測器

#define I2C_ADDRESS 0x40 // 定義 INA226 的 I2C 位址

INA226_WE ina226 = INA226_WE(I2C_ADDRESS); // 建立 INA226 物件，設定 I2C 位址

void setup()

{

Serial.begin(9600); // 設定序列通訊速率為 9600

while (!Serial); // 等待序列端口啟動（適用於某些板子如 Arduino Leonardo 或 MKR WiFi 1010）

Wire.begin(); // 初始化 I2C 通訊

ina226.init(); // 初始化 INA226 感測器

/* 設定分流電壓與總線電壓的測量平均值

模式 * * 平均測量次數

AVERAGE_1 1（預設值）

AVERAGE_4 4

AVERAGE_16 16

AVERAGE_64 64

AVERAGE_128 128

AVERAGE_256 256

AVERAGE_512 512

AVERAGE_1024 1024

//ina226.setAverage(AVERAGE_16); // 選擇模式並取消註解以更改預設值

/* 設定轉換時間（單位：微秒）

每組分流電壓與總線電壓的測量時間為：

平均測量次數 x 轉換時間 x 2

模式 * * 轉換時間

CONV_TIME_140 140 µs

CONV_TIME_204 204 µs

CONV_TIME_332 332 µs

CONV_TIME_588 588 µs

CONV_TIME_1100 1.1 ms（預設值）

CONV_TIME_2116 2.116 ms

CONV_TIME_4156 4.156 ms

CONV_TIME_8244 8.244 ms

//ina226.setConversionTime(CONV_TIME_1100); // 選擇轉換時間並取消註解以更改預設值

/* 設定測量模式

POWER_DOWN - 停用 INA226

TRIGGERED - 按需求觸發測量

CONTINUOUS - 連續測量（預設值）

//ina226.setMeasureMode(CONTINUOUS); // 選擇模式並取消註解以更改預設值

/* 設定分流電阻與電流範圍

若電阻為 5.0 mOhm，電流範圍可達 10.0 A

預設為 100 mOhm，可達約 1.3 A

ina226.setResistorRange(0.1, 1.3); // 設定分流電阻為 0.1 歐姆，電流範圍最高 1.3A

/* 如果 INA226 提供的電流值與校準設備的測量值有固定比例的差異，

可以定義修正係數。

修正係數 = 校準設備提供的電流 / INA226 提供的電流

ina226.setCorrectionFactor(0.93); // 設定修正係數為 0.93

Serial.println("INA226 電流感測器範例 - 連續測量模式");

ina226.waitUntilConversionCompleted(); // 等待首次轉換完成，若註解此行，首次數據可能為零

}

void loop()

{

float shuntVoltage_mV = 0.0; // 分流電壓（單位：毫伏）

float loadVoltage_V = 0.0; // 負載電壓（單位：伏特）

float busVoltage_V = 0.0; // 總線電壓（單位：伏特）

float current_mA = 0.0; // 電流（單位：毫安培）

float power_mW = 0.0; // 功率（單位：毫瓦）

ina226.readAndClearFlags(); // 讀取並清除標誌位

shuntVoltage_mV = ina226.getShuntVoltage_mV(); // 獲取分流電壓

busVoltage_V = ina226.getBusVoltage_V(); // 獲取總線電壓

current_mA = ina226.getCurrent_mA(); // 獲取電流

power_mW = ina226.getBusPower(); // 獲取功率

loadVoltage_V = busVoltage_V + (shuntVoltage_mV / 1000); // 計算負載電壓

Serial.print("分流電壓 [mV]: "); Serial.println(shuntVoltage_mV);

Serial.print("總線電壓 [V]: "); Serial.println(busVoltage_V);

Serial.print("負載電壓 [V]: "); Serial.println(loadVoltage_V);

Serial.print("電流 [mA]: "); Serial.println(current_mA);

Serial.print("總線功率 [mW]: "); Serial.println(power_mW);

if (!ina226.overflow)

{

Serial.println("數值正常 - 無溢出");

}

else

{

Serial.println("溢出！請選擇更高的電流範圍");

}

Serial.println();

delay(3000); // 每 3 秒更新一次

}

程式修改與設置
從此程式碼中，您需要進行一些修改以準確獲得結果。

ina226.setResistorRange(0.1, 1.3);

1	ina226.setResistorRange(0.1, 1.3);

這一行設定電阻和電流範圍。如果電阻為 5.0 mΩ，電流範圍可達 10A。預設為 100 mΩ，約為 1.3A。

ina226.setCorrectionFactor(0.93);

1	ina226.setCorrectionFactor(0.93);

如果 INA226 提供的電流值與校準設備測得的值存在固定的差異，您可以定義一個校正係數。

校正係數 = 從校準設備測得的電流值 / INA226 提供的電流值
您可以將萬用電表串聯連接到 Vin-，測量電流並與序列監視器中的值進行比對。

設定分流器和母線電壓轉換的測量次數
使用 setAverage() 設置：
- 可以平均的測量次數為：1、4、16、64、128、256、512 或 1024 次。
設定分流器和母線電壓的 A/D 轉換時間
使用 setConvTime() 設置：
- 有 8 個級別可調，範圍從 140 µs 到 8.244 ms。
- 注意：獲取一組分流器和母線電壓數據的時間為轉換時間的兩倍。
設定測量模式
使用 setMeasureMode() 設置：
- CONTINUOUS：持續測量模式。
- TRIGGERED：按需測量模式（在下一個範例中解釋）。
- POWER_DOWN：關閉 INA226，但建議使用更方便的 powerDown() 函數（在後面解釋）。
僅測量分流器或母線電壓
INA226 實際上支持僅測量分流器或母線電壓，但在此庫中未實現。使用該庫時，測量結果僅以成對的形式提供。
設定電流範圍
使用 setCurrentRange() 設置：
- 最大電流可設置為 400 mA 或 800 mA。
- 電流範圍越小，電流和功率的分辨率越高。

這些功能設置能幫助優化 INA226 的性能並滿足不同應用場景的需求。

測試結果
當您將程式碼上傳到 Arduino 開發板後，即可開始測試設置。

首先，將 3.7V 鋰離子電池 連接到 Vin+ 腳位，並將 直流馬達 連接到 Vin- 腳位。直流馬達將開始旋轉。

現在打開序列監視器，您將看到來自 3.7V 電源 的以下結果。

移除 3.7V 電池，然後連接 9V 電池。

當相同電路使用 9V 直流電源 測試時，會得到以下結果。

總結來說，INA226 直流電流感測模組 是一款高度多功能且性能卓越的裝置，非常適合需要精確監測功率、電流和電壓的多種應用。相較於前代產品 INA219，其具備更廣的範圍，可測量高達 36V 的電壓 和 20A 的電流。

將 INA226 電流感測模組與 Arduino 結合，讓我們能夠以簡單直觀的方式利用其先進功能，成為追求高精度且具成本效益監測解決方案的不可或缺工具。因此，透過掌握 INA226 與 Arduino 的介面，我們可以大幅提升在電子系統中監控與管理電力的能力。

原始英文版本

如何使用 INA226 直流電流感測器與 Arduino 配合使用