Construa um Voltímetro Inteligente com Arduino e Smartphone – Projeto DIY Fácil

Componentes e Materiais

Arduino UNO	1
PHPoC WiFi Shield para Arduino	1
Resistor 100k ohm	1
Resistor 1M ohm	1
Jumpers (fios de ligação)	1 conjunto

Sobre o Projeto

Demonstração

Se você é novo no Arduino, pode começar com tutoriais para iniciantes.

Como Funciona

Podemos usar uma porta analógica do Arduino para medir tensão. No entanto, a tensão máxima mensurável é 5V.

Para aumentar o intervalo de medição, precisamos usar um divisor de tensão.

Na Teoria

A relação é dada por:

V_medida = (R1 + R2) / R2 × V_entrada

razão = (R1 + R2) / R2

⇒ V_medida = razão × V_entrada

Se escolhermos R1 = 10 × R2, temos:

V_medida = 11 × V_entrada

Como o máximo de V_entrada permitido é 5V ⇒ A tensão máxima mensurável é 55V.

Para limitar a corrente que passa pelo pino do Arduino, o que poderia danificá-lo, devemos escolher valores de resistores o maiores possíveis.

Escolhi R1 = 1 MΩ, R2 = 100 kΩ.

Na Prática

Existem alguns problemas práticos:

• Os valores de R1 e R2 têm tolerâncias. Esses erros causam erro em V_medida.
• A fonte de alimentação do Arduino pode ser instável. Isso torna a V_REF da entrada analógica instável, causando erro no cálculo de V_entrada e, consequentemente, em V_medida.

Esses problemas são resolvidos na etapa de Calibração.

Calibração

1. Medir o valor real de (R1 + R2) / R2

Isso precisa ser feito apenas uma vez para obter a razão.

Ligação conforme imagem abaixo:

razão = (R1 + R2) / R2 = V_medida / V_entrada = leitura_A1 / leitura_A0

razão = leitura_A1 / leitura_A0

Código para esta calibração ⇒ veja ResisterCalibration.ino na seção de código.

2. Instabilidade da fonte de alimentação

A instabilidade da fonte causa instabilidade na referência de tensão do pino analógico, gerando medição incorreta.

Para resolver, precisamos medir a referência de tensão frequentemente.

Como medir a referência de tensão? Conecte 3.3V ao pino A1.

A referência de tensão é medida indiretamente baseada no valor em A1:

V_referência = 1023 × 3.3 / valor_A1

Como calcular V_medida:

V_entrada = mapFloat(valor_A0, 0, 1023, 0, V_referência); V_medida = razão × V_entrada;

Ligação principal:

Como Fazer

1. Faça a ligação do circuito de "calibração do resistor"
2. Carregue o ResistorCalibration.ino
3. Abra o Serial Plotter
4. Copie o valor da razão
5. Substitua este valor na linha 5 do Voltmeter.ino
6. Refaça a ligação conforme "ligação principal"
7. Carregue o Voltmeter.ino
8. Carregue a Interface Web (voltmeter.php e voltmeter_body.jpg) para o PHPoC Shield
9. Acesse a página web https://ip_do_phpoc_shield/voltmeter.php para ver a tensão.

Você pode visualizar a tensão no smartphone:

Dicas de Ligação

Código

ResistorCalibration.ino

double ratio; 
int analogReadAverage(int pin, int read_time) {
  unsigned long read_value = 0;
  for(int i = 0; i < read_time; i++) {
    read_value += analogRead(pin);
    delay(2);
  }
  read_value /= read_time;
  return read_value;
}

double resistorCalibration() {
  double _ratio;
  double A0_read_value;
  double A1_read_value;
  A0_read_value = analogReadAverage(A0, 20);
  A1_read_value = analogReadAverage(A1, 20);
  _ratio = A1_read_value / A0_read_value;
  return _ratio;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  ratio = resistorCalibration();
  Serial.print("ratio:");
  Serial.println(ratio);
  delay(200);
}

Voltmeter.ino

double V_measure; 
double V_in; 
double V_reference; 
double ratio = 11.59; // Substitua pelo valor calibrado

double mapFloat(double x, double in_min, double in_max, double out_min, double out_max) {
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}

int analogReadAverage(int pin, int read_time) {
  unsigned long read_value = 0;
  for(int i = 0; i < read_time; i++) {
    read_value += analogRead(pin);
    delay(2);
  }
  read_value /= read_time;
  return read_value;
}

double getVoltageReference() {
  double A1_value = analogReadAverage(A1, 20); // A1 conectado a 3.3V
  double V_REF = 1023 * 3.3 / A1_value;
  return V_REF;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  V_reference = getVoltageReference();
  double A0_value = analogReadAverage(A0, 20);
  V_in = mapFloat(A0_value, 0, 1023, 0, V_reference);
  V_measure = ratio * V_in;
  Serial.println(V_measure);
  delay(200);
}

voltmeter.php (Interface Web)

<!DOCTYPE html> 
<html> 
<head> 
<title>PHPoC Shield - VOLTÍMETRO</title> 
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=0.7"> 
<link rel="stylesheet" media="screen" href="https://fontlibrary.org/face/segment7" type="text/css"/> 
<style> 
  html {height: 100%;} 
  body {width: 100%; height: 100%; text-align: center;} 
  .container {width: 100%; min-height: 99%; max-height: 100%;} 
  canvas { background: url(voltmeter_body.jpg); background-size:contain; font-family: 'Segment7Standard'; font-weight: bold; font-style: italic; } 
</style> 
<script> 
  var COLOR_LCD_TEXT = "#000000"; 
  var COLOR_LCD_BGR = "#00FFFF"; 
  var IMG_WIDTH = 583; 
  var IMG_HEIGHT = 1235; 
  var METER_WIDTH, METER_HEIGHT; 
  var ws; 
  var canvas; 
  var ctx; 
  var buffer = ""; 
  var voltage = 0; 

  function init() { 
    canvas = document.getElementById("graph"); 
    ctx = canvas.getContext("2d"); 
    canvas_resize(); 
    update_view(voltage); 
    var ws_host_addr = ""; 
    if((navigator.platform.indexOf("Win") != -1) && (ws_host_addr.charAt(0) == "[")) { 
      ws_host_addr = ws_host_addr.replace(/[\[\]]/g, ''); 
      ws_host_addr = ws_host_addr.replace(/:/g, "-"); 
      ws_host_addr += ".ipv6-literal.net"; 
    } 
    ws = new WebSocket("ws://" + ws_host_addr + "/serial_monitor", "uint8.phpoc"); 
    ws.onopen = ws_onopen; 
    ws.onclose = ws_onclose; 
    ws.onmessage = ws_onmessage; 
    ws.binaryType = "arraybuffer"; 
  } 

  function ws_onopen() { } 

  function ws_onclose() { 
    alert("NÃO CONSEGUE CONECTAR AO ARDUINO!"); 
    ws.onopen = null; 
    ws.onclose = null; 
    ws.onmessage = null; 
    ws = null; 
  } 

  function ws_onmessage(e_msg) { 
    e_msg = e_msg || window.event; 
    var u8view = new Uint8Array(e_msg.data); 
    buffer += String.fromCharCode.apply(null, u8view); 
    buffer = buffer.replace(/\r\n/g, "\n"); 
    buffer = buffer.replace(/\r/g, "\n"); 
    while(buffer.indexOf("\n") == 0) buffer = buffer.substr(1); 
    if(buffer.indexOf("\n") <= 0) return; 
    var pos = buffer.lastIndexOf("\n"); 
    var str = buffer.substr(0, pos); 
    var arr = str.split("\n"); 
    buffer = buffer.substr(pos + 1); 
    if(arr.length) { 
      voltage = parseFloat(arr[arr.length - 1]); 
      update_view(voltage); 
    } 
  } 

  function update_view(voltage) { 
    ctx.clearRect(0, 0, METER_WIDTH, METER_HEIGHT); 
    var top = METER_HEIGHT * 0.125; 
    var left = METER_WIDTH * 0.2; 
    var width = METER_WIDTH * 0.6; 
    var height = METER_HEIGHT * 0.12; 
    ctx.fillStyle = COLOR_LCD_BGR; 
    ctx.rect(left, top, width, height); 
    ctx.fill(); 
    ctx.font = "italic 75px Segment7Standard"; 
    ctx.textBaseline = "middle"; 
    ctx.textAlign = "end"; 
    ctx.fillStyle = COLOR_LCD_TEXT; 
    ctx.fillText(voltage.toFixed(2), left + width - 50, top + height / 1.8); 
    ctx.font = "18px Arial"; 
    ctx.textBaseline = "middle"; 
    ctx.textAlign = "center"; 
    ctx.fillText("VDC", left + width - 25, top + height / 2); 
    ctx.font = "bold 32px Arial"; 
    ctx.shadowBlur = 5; 
    ctx.shadowColor = "white"; 
    ctx.fillStyle = "#00FFFF"; 
    ctx.fillText("ARDUINO", METER_WIDTH / 2, METER_HEIGHT * 0.5); 
    ctx.fillText("WEB VOLTMETER", METER_WIDTH / 2, METER_HEIGHT * 0.55); 
  } 

  function canvas_resize() { 
    canvas.width = 0; 
    canvas.height = 0; 
    var container = document.getElementById("container"); 
    var height = container.clientHeight; 
    var ratio = height / IMG_HEIGHT; 
    var width = ratio * IMG_WIDTH; 
    METER_WIDTH = width; 
    METER_HEIGHT = height; 
    canvas.width = METER_WIDTH; 
    canvas.height = METER_HEIGHT; 
    update_view(voltage); 
  } 

  window.onload = init; 
</script> 
</head> 
<body onresize="canvas_resize()"> 
  <div class="container" id="container"> 
    <canvas id="graph"></canvas> 
  </div> 
</body> 
</html>

Esquemáticos