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Arduino Discussion :

Mesure de tension avec Arduino


Sujet :

Arduino

  1. #1
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    Par défaut Mesure de tension avec Arduino
    Bonjour

    Dans le cadre de mon projet, je vais devoir mesurer 1 cas = des présences tension et 2 cas = des valeurs de tensions.

    Pour le cas N°2, il s'agit de tensions variables entre 0 et 5v, délivrée par des capteurs: température, pression.

    Les capteurs sont alimentés en 5v pour une UC.


    Critère de choix solution
    - Eviter de perturber cette UC.
    - La précision de la lecture n'est pas primordiale, puisqu'il s'agit de voir les variations.
    - Simple et pas cher
    - Composant facile à mettre en œuvre et surtout à se procurer.

    J'ai trouvé un schéma de mesure de tension pour Arduino, mais une vraie usine à gaz avec un AOP quasiment introuvable.

    Je me propose d'utiliser un AOP en suiveur afin d'avoir une impédance d'entrée élevée, et une impédance relativement faible en sortie.

    Caractéristique de cet AOP
    Alimentation autour de 5v
    - Faible consommation
    - Fréquence: aucune importance, les signaux varient lentement
    - Rail to Rail (paraît que c'est bien)
    - Tension de déchet ne devrait pas poser problème
    - Slew rate: idem Fréquence de travail
    - Courant disponible en sortie: Entrée analogique Arduino

    Comme toujours, on cherche ce qui est disponible.

    J'ai trouvé en facilement disponible, LM358 (LM324); UA741.

    A votre avis ces AOP sont t'ils adaptés à l'usage prévus ?

    Dans la négative: Quel AOP utiliser pour cette utilisation

    @+

  2. #2
    Responsable Modération

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    Par défaut
    Bonsoir

    Trois au hasard OPA192, LT1677, TSV621 dispo à prix correct chez Mouser (et de 3 fabricants différents comme cela pas trop de jaloux).
    Les points clefs c'est le rail to rail à 5V qui sont vraiment nécessaire selon ta description du projet. Un AO a généralement une tension d'alim plus grande et n'est pas toujours Rail-to-Rail.
    Donc une simple recherche "ampli op rail to rail 5v" m'a donné ces résultats.

    l'UA741 nécessite au moins 10V d'alimentation (entre -5V et 5V) et mange 2V vers les rails. Il lui faudrait une alimentation entre un -2.5V (ou moins) et un 7.5V (ou plus) pour traiter correctement des signaux de 0-5V
    Le LM358 peut s'alimenter en 5V, descend au rail négatif (le 0V c'est bon) mais ne monte pas au rail +, il a un delta de 2V pour les entrées et 1.6V pour la sortie. Donc une alim de 7V est nécessaire pour un signal 0-5V, et encore il y a le risque de sortie erratique lorsque l'entrée est à 0V.

    Delias

  3. #3
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    Salut,

    Les mesures seraient-elles vraiment si mauvaises sans un montage suiveur ?

  4. #4
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    Par défaut
    Je pense que les AOP de la série MCP600x (le MCP6002 contient 2 AOP, le MCP6004 en contient 4) de Microship pourraient te rendre également service.
    L'alimentation Vd-Vss = 7 V max. Tu peux alimenter ce genre de composant entre 1,8V et 6V. Ces composants existent en boîtier DIP.

  5. #5
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    Par défaut Mesures avec Arduino
    Bonsoir

    Delias + 1000 je vais regarder ces modèles. Remarquez en réfléchissant un peu, j'aurais dû penser à ce type de requête sur le gogol.

    Pour beginner.

    Ce n'est pas une question de mesures bonnes ou mauvaises; il s'agit de perturber le moins possible l'unité centrale qui pilote les capteurs.
    Ces petites choses sont chères et capricieuses (comme nos "douces").

    @ suivre

  6. #6
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    Citation Envoyé par jeanclaude83 Voir le message

    Pour beginner.

    Ce n'est pas une question de mesures bonnes ou mauvaises; il s'agit de perturber le moins possible l'unité centrale qui pilote les capteurs.
    Ces petites choses sont chères et capricieuses (comme nos "douces").
    Oui je comprends mais je pensais que l'impédance d'entrée du CAN de l'Arduino était suffisamment élevée (j'ai fait une petite recherche et il semble que la question ne semble pas évidente...). En gros si tu préfères la question est de savoir si l'impédance d'entrée d'un AO est vraiment supérieure à celle du CAN...

  7. #7
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    Bonjour,
    Citation Envoyé par jeanclaude83 Voir le message
    [...] je vais devoir mesurer [...] des valeurs de tensions [...] délivré par des capteurs: température, pression.

    Les capteurs sont alimentés en 5v pour une UC.

    Critère de choix solution
    - Eviter de perturber cette UC.
    ...
    [...]
    Souvent on ne veut pas perturber la mesure mais de ce que je comprends toi tu ne souhaites pas perturber l'alimentation des capteurs ? C'est ça ?

    Ce que Beginner veut dire c'est qu'il faut mettre en regard plusieurs choses :
    - le courant de fonctionnement du capteur (le courant qu'il consomme sur l'UC pour son propre fonctionnement)
    - l'éventuelle charge minimal dont il a besoin pour fonctionner correctement, ça arrive.
    - le surcourant qu'apporterait l'impédance d'entrée du récepteur (par exemple le courant que tire l'ADC sur la sortie)


    Je prends un exemple.
    Tu as un capteur qui consomme 5mA sur l'UC (imaginons que c'est le courant du capteur pour son propre fonctionnement). Si tu connectes directement l'ADC d'un Arduino et que la conso monte à 5.5mA (500µA de plus). Les questions a se poser deviennent "est ce que 500µA peut malmener l'UC ?", "et si mon capteur consomme 5mA +/10% (5.5mA à 4.5mA) que représente 500µA avec une telle incertitude des le départ ?", "et si la doc de l'UC annonce qu'elle peut délivrer un courant min de 5mA (c'est le cas d'un régulateur 7805) et un courant max de 800mA, est ce que 500µA nécessite l'ajout d'une AOP ?"


    En réalité ça dépend surtout des capteurs.
    Tu as les références ?
    La science ne nous apprend rien : c'est l'expérience qui nous apprend quelque chose.
    Richard Feynman

  8. #8
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    Par défaut Mesure tension avec Arduino
    Bonjour

    Citation Envoyé par Vincent PETIT Voir le message
    Bonjour,

    Souvent on ne veut pas perturber la mesure mais de ce que je comprends toi tu ne souhaites pas perturber l'alimentation des capteurs ? C'est ça ?


    Je prends un exemple.
    Tu as un capteur qui consomme 5mA sur l'UC (imaginons que c'est le courant du capteur pour son propre fonctionnement). Si tu connectes directement l'ADC d'un Arduino et que la conso monte à 5.5mA (500µA de plus). Les questions a se poser deviennent "est ce que 500µA peut malmener l'UC ?", "et si mon capteur consomme 5mA +/10% (5.5mA à 4.5mA) que représente 500µA avec une telle incertitude des le départ ?", "et si la doc de l'UC annonce qu'elle peut délivrer un courant min de 5mA (c'est le cas d'un régulateur 7805) et un courant max de 800mA, est ce que 500µA nécessite l'ajout d'une AOP ?"

    En réalité ça dépend surtout des capteurs.
    Tu as les références ?
    Les capteurs sont montés sur un système d'injection gaz vieux de 15 ans, les références n'apporteront rien, le fabricant a été racheté et le système abandonné.
    Quand à l'unité centrale, la documentation est quasi inexistante, et le peu que j'ai pu trouver ne rentre pas dans ces détails.
    J'avais l'intention de mesurer la résistance d'un des capteurs.

    En fait le montage d'un AOP est une mesure de prudence; il y a trop d'inconnues.

    En ce qui concerne le choix des AOP, je peux passer à 12v pour leur alimentation.

    @ Suivre

  9. #9
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    Ok je comprends mieux.

    Si tu passes sur une alimentation 12V pour les AOP et que les signaux en entrée ont une amplitude de 5V alors ils n'ont plus besoin d'être Rail to Rail input/output. Le Rail to Rail input/output c'est quand on a un AOP dont les tension en entrée sont de la même grandeur que les tensions d'alimentation, et pareil pour la sortie. Les AOP de compétition que Delias a proposé ont une tension de déchet en entrée de quelques µV et d'une centaine de mV en sortie.

    Le capteur de température est peut être un thermocouple ?
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  10. #10
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    Question importante : est-il possible que les capteurs soient alimentés et pas l'Arduino ?

    Dans ce cas de figure, il y a un risque pour les capteurs et pour l'Arduino, car l'entrée d'un Arduino non alimenté est presque en court circuit à cause des diodes de protection internes

    Une solution économique est de relier les capteurs à l'entrée de l'Arduino avec une résistance élevée (10K ou plus), sachant que ce sera un mode "dégradé" et normalement exceptionnel.

    Attention : le problème se pose aussi avec un ampli op, qui, s'il n'est pas alimenté, peut avoir des entrées qui se comportent comme l'Arduino

    La question est donc de savoir comment seront alimentés les différents systèmes reliés ensemble.

    Voir ici également : https://www.developpez.net/forums/d2...no-n-alimente/
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  11. #11
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    Par défaut Mesure de tension avec Arduino
    Bonjour

    Réponse electroremy

    Les capteurs sont alimentés en permanence par le système; je vérifierai ce point de toute façon.
    Arduino sera aussi toujours alimenté.

    Je me propose la séquence suivante:
    1 - Mise sous tension de l'Arduino.
    2 - Connexion des capteurs à la carte Arduino.

    Si les entrées analogiques ne sont pas connectées, il n'y a pas de risque.

    Je vais voir ton lien.

  12. #12
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    Par défaut
    Bonjour,

    c'est correct alors ; mais la résistance peut se montrer utile en cas de défaillance (rupture de fil, Arduino qui grille)

    il faut aussi tenir du fait que dans une chaine de mesure, chaque élément peut contribuer à dégrader le signal

    Les ADC intégrés à l'Arduino sont sur 10 bits, on a donc environ 1000 valeurs possibles pour une tension de 0 à 5V

    Mais la résolution réelle va dépendre de la dynamique du capteur :

    Par exemple, si votre capteur sort une tension allant de 2V à 3V, cette plage correspond à 200 valeurs possibles et pas 1000.
    Dans ce cas de figure, le circuit de mesure, avec un ou plusieurs ampli-op, devra faire un décalage et une amplification, pour que la tension de sortie aille de 0V à 5V.
    Dans mon exemple, il faut retrancher 2V puis amplifier d'un facteur 5 : sortie = (entrée - 2V) * 5
    Bien sûr, votre programme devra gérer les deux cas extrêmes :
    - une valeur de 0V ou proche de 0V peut signifier que la valeur réelle est possiblement inférieure
    - une valeur de 5V ou proche de 5V peut signifier que la valeur réelle est possiblement supérieure

    Il y a bien sûr l'impact lié au bruit, à la précision et la linéarité des capteurs et de l'ADC.

    S'agissant de la linéarité et des erreurs "systématiques" il est possible d'étalonner l'ensemble de la chaine de mesure pour appliquer ensuite une correction mathématique :
    - une simple fonction y = a * x + b suffit dans la plupart des cas pour corriger un décalage (avec le paramètre 'b') et un facteur de gain (avec le paramètre 'a')
    - s'il y a une courbure vraiment gênante qu'il faut "redresser", alors on peut utiliser une fonction plus complexe, comme y = c * x² + a * x + b

    S'agissant du bruit, il suffit de faire la moyenne de plusieurs mesures consécutives, bien entendu dans un laps de temps où on est sûr que la grandeur à mesurer ne varie pas.

    Cela nous amène à un autre point très important : dans toute mesure "numérique", il faut respecter le théorème de Nyquist : la fréquence d'échantillonnage doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence la plus élevée du signal.
    Ne pas respecter ce théorème peut aboutir à des mesures totalement farfelues !
    Et cela en faisant très attention aux signaux "carrés" dont les harmoniques correspondent à des fréquences beaucoup plus élevées que la fréquence fondamentale.
    S'il y a beaucoup de bruit, il faut impérativement le filtrer, car le bruit contient naturellement des fréquences élevées.

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%...0limit%C3%A9es.

    A bientôt
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  13. #13
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    Par défaut
    Au sujet de la réduction de bruit par moyenne glissante, je vais donner une astuce.

    Une des principales source de bruit est le 50Hz de notre alimentation secteur.

    C'est la fameuse "ronflette" en audio, qui est le cauchemar des ingénieurs du son

    Si les signaux que vous souhaitez mesurer une une fréquence très basse (bien inférieure à 50Hz), alors il suffit de faire la moyenne glissante (= la moyenne d'une série de mesures consécutives) sur une période de temps multiple de la période du secteur, c'est à dire un nombre multiple de 20 ms.

    Par exemple, une boucle for() qui fait dix mesures espacées chacune de 2ms

    Cela va éliminer totalement la composante 50Hz et ses harmoniques.
    On appelle cela un filtre "en peigne".

    Mieux, le parasite 50Hz va avoir l'effet d'un "balayage" et faire "hésiter" le convertisseur ADC entre 1, 2 ou 3 valeurs.
    La moyenne glissante sur un multiple de 20ms aura pour effet d'améliorer la résolution de l'ADC.
    C'est un petit secret : ajouter du bruit à une fréquence connue pour ensuite l'éliminer par calcul permet d'améliorer la résolution

    L'astuce consiste donc à filtrer les parasites avec un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est au dessus de 50Hz, et d'éliminer le 50Hz avec ce fameux principe de moyenne glissante tout en bénéficiant de l'effet du balayage.

    Je vous invite à expérimenter sur le sujet en testant différents algorithmes de mesure et différents filtres pour voir ce qui donne les meilleurs résultats.

    A bientôt.
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  14. #14
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    Par défaut Mesure de tension avec Arduino
    Bonjour

    Quelques précision:

    Les signaux à lire ont une constante de temps élevée; variation lente de l'ordre de la demi seconde pour le plus rapide.

    La précision n'a aucune importance, seul l'évolution m'intéresse.

    Pas de signaux carrés, ni sinusoïdaux, juste une tension qui évolue entre 0 et 5v au maximum.

    N'étant qu'un électronicien opportuniste (Arduino oblige), je ne vois pas ou placer ces résistances de protection.

    J'ai par ailleurs, malgré l'aide du forum, beaucoup de mal à choisir les amplis opérationnels.

    J'en arrive à ma demander, si je ne devrais pas investir dans un oscilloscope basic pour visualiser mes signaux avant de développer le système. Avez vous un modèle à me conseiller? Merci

    @+

  15. #15
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    Bonjour

    La précision n'a aucune importance, seul l'évolution m'intéresse.
    Quelle est l'amplitude de cette évolution ? Si elle est faible, alors la résolution compte, car avec un ADC, une pente douce sera vue comme le franchissement d'une marche d'escalier de temps en temps

    Effectivement, il existe des oscilloscopes pour PC, certains sont en WIFI :

    https://www.velleman.eu/products/vie...g=fr&id=416586

    Le Wifi permet d'isoler galvaniquement le PC

    Pour des signaux très lent, un oscilloscope c'est du luxe, on peut se contenter d'un "datalogger"

    A bientôt
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  16. #16
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    Bonjour,
    Citation Envoyé par jeanclaude83 Voir le message
    J'en arrive à ma demander, si je ne devrais pas investir dans un oscilloscope basic pour visualiser mes signaux avant de développer le système. Avez vous un modèle à me conseiller? Merci
    Pour des signaux continues je pense que l'oscillo ne t'apportera pas grand chose. Avec le mien les seules choses que je vérifie en continue, c'est par exemple le taux d'ondulation résiduelle d'un pont redresseur ou le taux d'ondulation de mes alimentations (je regarde donc mes tensions DC en mettant mon oscillo en couplage AC) ou encore une chute de tension (pour chopper un événement) avec déclenchement, il me sert surtout pour le reste ; le non continue. Dans ton cas tu risques de voir qu'une ligne qui monte.

    Après pour un électronicien l'achat d'un oscillo reste quand même quelque chose d'intéressant dès qu'on va plus loin dans la conception.

    Citation Envoyé par jeanclaude83 Voir le message
    J'ai par ailleurs, malgré l'aide du forum, beaucoup de mal à choisir les amplis opérationnels.
    Est ce que tu souhaites qu'on te fasse un schéma ? Si oui, rappelle nous juste la tension d'alimentation et l'excursion maximal (5V si j'ai bien compris)

    Citation Envoyé par electroremy
    Si elle est faible, alors la résolution compte, car avec un ADC, une pente douce sera vue comme le franchissement d'une marche d'escalier de temps en temps
    C'est vrai !
    Il existe des techniques en traitement du signal, le Dithering => https://fr.wikipedia.org/wiki/Dither_(audio) pour faire simple on ajoute volontairement au signal un bruit de valeur moyenne nulle ainsi on ajoute une information non gênante qui estompe l'effet "marche d'escalier de temps en temps"
    La science ne nous apprend rien : c'est l'expérience qui nous apprend quelque chose.
    Richard Feynman

  17. #17
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    Par défaut Mesure de tension avec Arduino
    Bonjour

    Vitesse d'évolution des signaux tension:
    1 - exemple j'ai un capteur qui mesure la température du liquide de refroidissement du moteur, j'ai déjà fait des contrôles et le temps de chauffe en hiver est environ 10mn pour atteindre 50°.
    2 - exemple ,pression absolue, prise sur le collecteur d'admission, elle évolue en fonction du régime du moteur, donc de l'accélération.

    Je pense que l'évolution de ces signaux ni trop lente ni trop rapide est gérable par l'ADC , de plus lesdits signaux étant utilisés par l'UC pour gérer l'injection, notre petit Arduino devrait s'en sortir.
    Je vais effectuer une série de mesures, sur deux capteurs et noter les valeurs en fonction du temps.

    Les amplitudes de mesure pour tous ces capteurs sont entre 0 et 5v.

    Pour le schéma avec ampli opérationnel, je suis preneur; mais aussi et surtout sur le modèle à utiliser, car là je suis à cours d'idées.

    Pour les marches d'escaliers; cela ne devrait pas me gêner à l'utilisation, je ferais une affichage numérique.

    En résumé: le but du montage est d'espionner le système gaz, pour trouver, soit l'organe soit le capteur qui ne se comporte pas comme prévu; ceci devrait me permettre de réparer le système et ainsi d'éviter de ferrailler un véhicule de seulement 50000km; vous voyez que l'enjeu est de taille (pour info pratiquement plus personne n'est capable de réparer ce système gaz obsolète et plus fabriqué).

    @ Suivre

  18. #18
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    Citation Envoyé par Vincent PETIT Voir le message
    C'est vrai !
    Il existe des techniques en traitement du signal, le Dithering => https://fr.wikipedia.org/wiki/Dither_(audio) pour faire simple on ajoute volontairement au signal un bruit de valeur moyenne nulle ainsi on ajoute une information non gênante qui estompe l'effet "marche d'escalier de temps en temps"
    Alors voilà le nom de mon astuce avec la ronflette sur la réponse #13 (https://www.developpez.net/forums/d2.../#post11697061)

    Faire exprès d'injecter un peu de parasite 50Hz pour l'éliminer par le calcul ensuite en choisissant judicieusement la période de la moyenne glissante est encore mieux, car le bruit ajouté est éliminé.

    A bientôt
    Quand deux personnes échangent un euro, chacun repart avec un euro.
    Quand deux personnes échangent une idée, chacun repart avec deux idées.

  19. #19
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    Citation Envoyé par electroremy Voir le message
    Alors voilà le nom de mon astuce avec la ronflette sur la réponse #13 (https://www.developpez.net/forums/d2.../#post11697061)

    Faire exprès d'injecter un peu de parasite 50Hz pour l'éliminer par le calcul ensuite en choisissant judicieusement la période de la moyenne glissante est encore mieux, car le bruit ajouté est éliminé.

    A bientôt
    Bonjour

    Merci de vos réponses.

    Mais n'oubliez pas tout de même que vous avez affaire à un béotien de l'informatique doublé d'un gland en électronique.
    Je vais certainement garder mes marches d'escaliers.

    Si vous avez un schéma avec la fameuse résistance de protection + le nom d'un ampli opérationnel pour faire mes mesures: j'achète!

    @suivre

  20. #20
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    Bonjour,

    Pour mieux vous conseiller, il faut en revenir à vos besoins

    On a beaucoup parlé de ce que l'Arduino doit mesurer, mais ensuite, il va faire quoi de ces mesures ?

    - Allumer un voyant ?
    - Faire sonner une alarme ?
    - Afficher quelque chose sur un ordinateur ?
    - Envoyer un SMS d'alerte ?
    - Mémoriser l'historique des valeurs (y compris pendant votre absence) pour ensuite examiner ça tranquillement ?

    En fonction de ce que vous voulez faire :
    - si c'est juste allumer un voyant ou faire sonner une alarme si on dépasse une valeur limite alors un AOP tout seul suffit
    - si c'est pour afficher quelque chose sur un ordinateur, on peut se passer d'arduino et utiliser une solution de "datalogger" toute faite
    - l'Arduino sera utile si vous voulez surveiller quelque chose pendant longtemps sans être obligé d'avoir un ordinateur allumé en permanence.

    Bref, la question essentielle, c'est le but recherché dans sa globalité, pas simplement un problème de mesure.

    Cordialement
    Quand deux personnes échangent un euro, chacun repart avec un euro.
    Quand deux personnes échangent une idée, chacun repart avec deux idées.

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