Akkumessung mit AVR

Ich hatte einen Zahlendreher im Kopf. Es handelt sich um LiPo Zellen, 
also 4.2V, nicht 4.7V.
VCC als Referenz ist nicht so dolle, da hängt auch noch ein Raspberry Pi 
Zero dran und abhängig von seiner Auslastung geht VCC hoch und runter.
Eine letzte Frage hätte ich noch zum Spannungsteiler : Da er ja hinter 
dem Akku liegt, möchte ich natürlich möglichst wenig an Energie 
verschwenden und den Akku nicht unnötig entladen, gleichzeitig aber auch 
meine Messungen nicht beeinflussen. Der Pufferkondensator vor dem ADC, 
welche Art am besten ? Keramik ? Inwiefern beeinflusst er die Messung ? 
Muss ich das Kompensieren ? Meine ersten Tests zeigten recht grosse 
Streunung der Messwerte. Sollte ich da vll noch einen Filter benutzen 
oder eher öfter Messen und dann digital die Mittelwerte bestimmen ?

Danke euch

@ Mcunoob

Zwei Tipps:

1. Verwende die interne Referenz ist stabil. Du kannst sie mit einer 
bekannten Spannung (z. B. Labornetzteil) bestimmen.

2. Das 11. Gebot beachten. Du sollst nicht Plenken.

Mcunoob schrieb:
> Es handelt sich um LiPo Zellen, also 4.2V.
> VCC als Referenz ist nicht so dolle, da hängt auch noch ein Raspberry Pi
> Zero dran und abhängig von seiner Auslastung geht VCC hoch und runter.

Der Bereich bis 4,2 V passt doch bestens zu 5 V Referenz. In dem Fall 
kannst Du den Akku direkt an einen Analogeingang packen, vielleicht mit 
einem Angstwiderstand um 2 kOhm - das erspart Dir den Querstrom eines 
Teilers.

Wenn Du 5 Volt nicht hinreichend stabil halten kannst, hast Du einen 
grundlegenden Fehler im Design, wo kommen die 5 V her, im Zweifel eben 
mit einem eigenen Spannungsregler erzeugen?

Ich habe gerade den Entwurf für eine ähnliche Sache gemacht, da werde 
ich den Teiler zur Messung mit einem PhotoMOS-Relay oder FET nur so 
lange an die Batterie schalten, wie ich messen will - denke da an an 
alle 5 Minuten.

Die interne Referenz des AVR ist sehr stabil, hat aber, wie Du richtig 
erkannt hast, eine breite Serienstreuung. Das zu kalibrieren, halte ich 
bei Einzelstücken für durchaus zumutbar.

Die 5V kommen von einem Schaltnetzteilmodul und sind eher 5.17V. 
Allerdings ist ja das Problem, dass ich nicht von der Spannung ausgehen 
kann. Unter Volllast sind es ca 4.95V und alles wie LDOs oder sonstige 
Stabilisierung fallen aus, da der Dropout immer zu hoch ist.
5V wäre super, aber eben schwer machbar.
Die Idee die Messung schaltbar zu machen ist super. Werde ich mal 
versuchen, so wird der Akku noch weniger belastet.
Was ist mit einer 5V Referenz ? Lm336z5 oder sowas. Spätestens wenns 
unter 5V geht würde das nicht mehr funktionieren, oder ?

Nimm die 5V-Versorung als Referenz.
Um deren Schwankungen zu komensieren kannst du vor jeder Messung eine 
Messung der Spannung des LM 336 durchführen und so vor jeder Messung die 
5V kalibrieren.

Und wo ist da der Vorteil gegenüber einer Vref die er gleich vom LM336 
nimmt?
Und was macht er gegen Schwankungen die nach der Vergleichsmessung 
austreten?
Da ist die interne Vref sinnvoller, die muß nur einmal abgeglichen 
werden und nicht bei jeder Messung.

Jürgen schrieb:
> Und wo ist da der Vorteil gegenüber einer Vref die er gleich vom LM336
> nimmt?

Er spart sich den Spannungsteiler aus seine 5% Wiederständen die er 
bestenfalls rumliegen hat.

Wenn die Versorgungsspannung innerhalb von 2 ms die die Referenz + 
Probemessung benötigt Signifikant schwankt hat er ganz andere Probleme 
als eine genaue Akkumessung.
Alternativ kann man auch Die Batteriespannung als Referenzspannung 
nehmen. Dann spart man sich sogar den Umweg über die 5V was aber den 
Nachteil hat das man nur einen Akku jeweils messen kann.

Bernhard schrieb:
> Er spart sich den Spannungsteiler aus seine 5% Wiederständen die er
> bestenfalls rumliegen hat.

Und morgen bittest du mal deinen deutschleerer um hilfe und korrecktuhr 
deines tekstes :-(

Mcunoob schrieb:
> Was ist mit einer 5V Referenz ? Lm336z5 oder sowas. Spätestens wenns
> unter 5V geht würde das nicht mehr funktionieren, oder ?

Ernstgemeinte Frage?

Du hast keine (stabilen) 5 Volt, also kann Deine Referenzspannung nur 
deutlich tiefer liegen.

Du willst Strom sparen, eine externe Referenz ist diesem Wunsch nicht 
zuträglich. Schalte die interne Referenz des AVR ein, lege einen 
Spannungsteiler 3k3 || 1k an den Akku und fertig.

Wenn du auf's Kalibrieren verzichten willst, brauchst du eine
externe Präzisionsreferenz. Und einen Spannungsteiler.

Wenn du den aus 2 * 100 k (Mittelabgriff an In-ADC und 100 nF
nach Masse) zusammenstellst, wird die theoretische Genauigkeit
hauptsächlich von den Teilerwiderständen bestimmt.

Belastung = 4,2 V / 200 k = 21 µA

Vielleicht kanns du das mit 2 * 220 k auf ca. 10 µA drücken,
man darf aber auch die Leckströme des Input-Pins nicht
vergessen!


Überlegenswert wäre auch eine Präzisionsversorgung des µCs!
Lässt die sich nicht aus der Spannung speisen, die dem
5 V Regler des Raspi angeboten wird?

Dann mit <= 10 k auf ADC-In und 100 nF nach Masse.
Belastung der Batterie = Leckstrom des Input-Pins.

Jakob schrieb:
> Belastung = 4,2 V / 200 k = 21 µA
> Vielleicht kanns du das mit 2 * 220 k auf ca. 10 µA drücken,
> man darf aber auch die Leckströme des Input-Pins nicht
> vergessen!

An dieser Stelle bin ich etwas unsicher und habe deswegen einen Teiler 
im einstelligen kOhm-Bereich benannt.

Das Datenblatt nennt fuer den AT328 am Analogport Eingangsleckströme max 
50nA @ 2,5V - also kann man wohl hochohmig dram.

Bleibt natürlich die Kasperei mit der Referenz, aber dazu ist ja wohl 
alles gesagt worden.

Die Schaltung soll als Tiefentladeschutz dienen, Ladeanzeige ist ein 
netter Beieffekt. Beide Akkus sind parallel.
Ich habe jetzt alles mit der internen Referenzspannung und einem 
Spannungsteiler gelöst und kalibriere das ganze zuerst. Es ist genau 
genug, um die Akkus zu schonen und im sicheren Bereich abzuschalten.
Danke für eure Hilfe.

Mcunoob schrieb:
> Umgehe ich beim lm336z25 das Problem und
> kann davon ausgehen, dass er recht genau 2.5V liefert ?

Ich hatte seinerzeit das "Glück", aus einer Handvoll 336 einen mit 
2,500V herausfischen zu können um dann im AVR-TT-Wurm lesen zu müssen, 
dass die Firmware auf 2.495V eingestellt ist, dem typ. Wert lt. 
Datenblatt...
Der Häufungspunkt meiner sammlung lag übrigens bei 2.494V ;)

Zum Theme AVR und Spannungsmessung..
Das Hauptproblem ist die überschaubare Auflösung des ADCs, für eine 
gescheite Auflösung muss daher in die Trickkiste gegriffen werden.., 
künstliches Rauschen, Oversampling..
Zu dem Thema gibt es diverse Annotations von Atmel.

Für die kommerziellen Hobbylader Imax B6 & Co. gibt es eine OpenSource 
Firmware "ChealiCharger", wo mit eben diesen Tricks gearbeitet wird.
Es wird die interne Ref verwendet und via Vergleichsmessung kalibriert.

Ralph S. schrieb:
> (aber ich habe keine Glaskugel und weiß nicht,
> was du machen möchtest)
Lesen und Verstehen der vorhergenden Beiträge genügt auch. Die 
ursprüngliche Frage ließ ein paar Dinge offen, aber im Verlauf des 
Threads wurde klar, was er will.

bianchifan schrieb:
> Das Hauptproblem ist die überschaubare Auflösung des ADCs,
Was soll das denn bitte? Der AVR hat 10 Bit, damit kann man 4,irgendwas 
Volt mit besser 5 mV Schrittweite auflösen.

Wenn Zeit vorhanden ist, tendiere ich dazu, mehrere Messungen zu machen, 
sagen wir mal 10 Messungen mit je 1 ms Pause, und daraus den Mittelwert 
zu nehmen.

In dem gegebenen Szenario reicht das allemal hin - er will doch nur das 
Entladeende erkennen. Hier wuerde ich dann noch mit Flag und Zeiten 
arbeiten, z.B. nach 5 Sekunden erneut messen, um nicht jedem Pfurz 
aufzusitzen und falsch abzuschalten.

Ok, also. Die 4,1V oder 4,2V sind für mich völlig uninteressant. Ich 
lasse die Akkus von einem LadeIC laden, der begrenzt den Ladevorgang von 
alleine.
Für mich ist es nur wichtig die Akkus nicht zu stark zu entladen und da 
habe ich das Problem der Ungenaugkeit so gelöst, dass ich nie bis zur 
kritischen Grenze entlade, sondern immer schon 0,2V vorher aufhöre. 
Damit nutze ich den Akku zwar nicht ganz, aber gehe auf Nummer sicher.
Der Spannungsteiler ist auch nicht das Problem für den Akku, da ich ihn 
wie schon ober vorgeschlagen nur für die Messung einschalte. Um 
brauchbare Werte zu erhalten messe ich dann 1s lang und schalte den 
Spannungsteiler wieder aus, bis in 1min wieder gemessen wird. Die 
Messwerte sind allerdings recht stark gestreut. Ich überlege tatsächlich 
einen Tiefpassfilter einzubauen, mal sehen ob die Messungen dann viel 
konstanter werden.

Lothar M. schrieb:
> du solltest den Spannungsteiler nicht unnötig hochohmig machen
> (<10kOhm).

Wenn er sein System mit dem 5V Netzteil betreibt zieht der Controller 
zwar keine Energie aus den Zellen, aber der 10k Ohm Spannungsteiler 
zieht etwas Strom. Er kann also einen 3.6V / 1000mAh Akku innerhalb von 
115 Tagen leer ziehen.

Entweder er schaltet den Spannungsteiler über einen MosFET vor jeder 
Messung ein oder er nutzt einen Spannungsteiler mit sehr großen 
Widerstandswerten und direkt am ADC-Pin einen 1nF bis 100nF Kondensator.

Mcunoob schrieb:
> Der Spannungsteiler ist auch nicht das Problem für den Akku, da ich ihn
> wie schon ober vorgeschlagen nur für die Messung einschalte.
Anlässlich dieses Threads hatte ich mir das Datenblatt vom AT328 
angeguckt, der Teiler könnte deutlich hochohmiger werden und eine 
Abschaltung vmtl. entbehrlich machen. Das werde ich demnächst mal 
versuchen, zu messen

> Um
> brauchbare Werte zu erhalten messe ich dann 1s lang und schalte den
> Spannungsteiler wieder aus, bis in 1min wieder gemessen wird. Die
> Messwerte sind allerdings recht stark gestreut. Ich überlege tatsächlich
> einen Tiefpassfilter einzubauen, mal sehen ob die Messungen dann viel
> konstanter werden.

Aus dem Bauch heraus scheint der AVR 2 Bit zu rauschen. Gehe Dein 
Problem per Software an, wie ich es weiter vorne beschrieben hatte. Und 
gucke Dir an, wie Dein erster Messwert aussieht.

Ich habe es mit dem A-Nano so gebaut, dass ich den Wert hole und 
verwerfe. Dann setze ich eine Variable auf Null, hole mir 10 Messwerte 
mit je 1 oder 2 Millisekunden Pause dazwischen, addiere die auf und 
teile anschließend durch zehn - damit bin ich kurze Störungen 
hinreichend genau los.

Wenn Du einen Tiefpaß = RC-Glied machst, musst Du einschalten und lange 
warten, ich denke da an 10 x Zeitkonstante.

B.A. schrieb:
> oder er nutzt einen Spannungsteiler mit sehr großen
> Widerstandswerten und direkt am ADC-Pin einen 1nF bis 100nF Kondensator.

Bei 100k - 100nF würde ich mindestens 100ms warten, bevor ich messe.

Danke Manfred,
Ich mache das Filtern in der Software für und warte erstmal einen Delay 
ab. Desweiteren verzögere ich auch die Messungen um einige ms. Jetzt 
sind die Werte ganz ok. Da ich immer wieder aber totale Ausreisser habe, 
berechne ich erstmal den Mittelwert und schneide alle Werte raus, die 
mehr als 20% daneben liegen (so kriege ich die Spitze und Nullen weg, 
die es leider manchmal gibt, keine Ahnung as da das Problem ist). Die 
verbliebenen n-Werte werden Addiert und durch n geteilt. Funtzt ganz 
gut, muss aber noch ein paar Testreihen mehr machen.

Mcunoob schrieb:
> Danke Manfred,
> Ich mache das Filtern in der Software für und warte erstmal einen Delay
> ab. Desweiteren verzögere ich auch die Messungen um einige ms. Jetzt
> sind die Werte ganz ok. Da ich immer wieder aber totale Ausreisser habe,
> berechne ich erstmal den Mittelwert und schneide alle Werte raus, die
> mehr als 20% daneben liegen

Danke -

endlich mal ein Thread, wo ich eine positive Rückgabe bekomme!

Beruflich komme ich aus dem Bereich Meßtechnik und würde natürlich gerne 
wissen, wo es klemmt. In der realen (bezahlbaren) Umsetzung muß ich den 
Weg finden, der den Ansprüchen genügt - ich glaube, den hast Du nun 
gefunden.

Das meiste wurde ja schon gesagt, hier noch meine Erfahrungen.

Manfred schrieb:
> Die interne Referenz des AVR ist sehr stabil

Stimmt nur unter den richtigen Randbedingungen. z.B. ist Vref relativ 
stark abhängig von Vcc, und das leider bei jeden AVR-Typ unterschiedlich 
(siehe Datenblätter). Ich betreibe viele Schaltungen direkt an einem 
LiIon-Akku. Dazu nehme ich eine getrennte Kalibrierung für Ladeschluss 
und Unter-Spg.

Mcunoob schrieb:
> immer wieder aber totale Ausreisser

Das deutet auf schlecht gefilterte Vcc hin. Die 1. Tests nach 
Programmierung mache ich oft mit Vcc aus der USB-Buchse des 
Programmierers. Die analog-Messungen sind dabei sehr unstabil mit großen 
Ausreißern. Mit vernünfigem Aufbau (sauberer Massepunkt) und stabiler 
Versorgung ist dann alles super stabil.

Mcunoob schrieb:
> Ich mache das Filtern in der Software

Mache ich auch schon seit langem so. Also Überabtastung mit einem 
Software-PT1-Filter zur Erhöhung der Auflösung. Das notwendige Rauschen 
ist wohl automatisch gegeben, da die letzten 1 (2) Bit ohnehin klappern. 
Wenn du die Mess-Spg einschaltest mußt du natürlich zu Beginn 
(1.Messung) den Integrator des PT1-Gliedes vorsetzen.
Den Spg-Teiler der Mess-Spg mache ich sehr hochohmig zum Stromsparen und 
stabilisiere ihn mit ca. 100nF.

Hermann schrieb:
> z.B. ist Vref relativ stark abhängig von Vcc,
> und das leider bei jeden AVR-Typ unterschiedlich

Bezogen auf den AT328, dem Standard der Arduinos, halte ich das für ein 
Märchen. Bei einigen Tinys sieht das anders aus, da würde ich sie nicht 
verwenden.

> Software-PT1-Filter

Der Begriff sagt mir nichts.

Kann sein, dass Atmel in seinen Datenblättern Märchen erzählt.
Das habe ich auch nachgemessen, die Werte von Atmel sind typische Werte 
- real sind sie noch ganz anders.

Mit Software-PT1-Filter meine ich ein digitales Tiefpass-Filter. Mit der 
Rechnung X[n] = X[n-1]*(1-Ta/Ti)+Y[n]*Ta/Ti
mit X[n]= neuer Ausgangs-Wert und X[n-1]= vorhergehender Ausgangs-Wert
Y[n] = neuer Messwert  Ti = Zeitkonstante   Ta = Abtastzeit

Hermann schrieb:
> Kann sein, dass Atmel in seinen Datenblättern Märchen erzählt.
> Das habe ich auch nachgemessen, die Werte von Atmel sind typische Werte
> - real sind sie noch ganz anders.

Die Kurven sind ja mal doof, gerade im Bereich 4,5 - 5,5 V recht 
deutlich. Andererseits sind das 2 mV / gerade mal knapp 2 Promille, über 
alles (temp + voltage) sehe ich rund 1 Prozent. Für viele Anwendungen 
gut genug, dennoch danke für die Kurven.

Wo hast' die her - im Datenblatt finde ich das nicht?

Auf S.485 im Datenblatt von 10/2014. Man findet das Diagramm meistens 
bei "Typische Werte/BOD Threshold" unterhalb der Threshold-Werte.
Ja, die angegebene typische Vcc-Abhängigkeit ist beim Mega328 nicht 
hoch.
Beim Tiny 85 geben sie typisch 20mV @4,5 bis 5,5V an und beim Tiny84 
0mV.

Aber wie gesagt: verwenden kann man die Werte nicht - wenn man 
nachmisst, kommt etwas ganz anderes heraus. Auch die 
Temperaturabhängigkeit hat machmal entgegengesetzten Verlauf.

Hermann schrieb:
> Auf S.485 im Datenblatt von 10/2014

Hermann - ich danke Dir, sind gleich mal 200 Seiten mehr als das, was 
ich mir abgelegt habe.

Hermann schrieb:
> Aber wie gesagt: verwenden kann man die Werte nicht - wenn man
> nachmisst, kommt etwas ganz anderes heraus. Auch die
> Temperaturabhängigkeit hat machmal entgegengesetzten Verlauf.

Hoffen wir einfach, dass selbst bei abweichendem Verlauf die Grenzen 
eingehalten werden. Interessant ist, dass es bei anderen Typen abweicht, 
aber das hatte ich schon einmal anderweitig erfahren.

Zumindest für mich, wo die Ub aus dem Netz kaum schwankt und Betrieb bei 
Raumtemperatur vorgesehen ist, nehme ich mit, dass das genau genug ist. 
Wenn Du natürlich Automotive-Applikationen machst, na ja - dann eben die 
Abschätzung, ob es reicht oder nicht.

Manfred schrieb:
> wo die Ub aus dem Netz kaum schwankt und Betrieb bei
> Raumtemperatur vorgesehen ist, nehme ich mit, dass das genau genug ist

Wenn man die Randbedingungen im Griff hat, ist das OK. Die Schaltung 
sitzt aber meist im Gehäuse und liegt vielleicht in der Sonne ... und 
direkte Versorgung an LiIon ist ja auch ganz praktisch.
Ich habe eine Messung mit 2 Tiny85 wiedergefunden und zur Info 
angehängt.
Ein Tiny84, der im Datenblatt 0mV/V hat, hatte bei meiner Messung 
-4,5mV/V.

Und zur Ergänzung noch die gemessene Temperaturabhängigkeit beim 
Tiny861. Die Temperatur ist mit dem internen Temp-Sensor gemessen 
(TempRoh):
'Vref=2,5523, TempRoh=308 bei 19°Cel und Vcc=4,968;
'Vref=2,5516, TempRoh=312 bei 25°Cel und Vcc=4,960;
'Vref=2,5510, TempRoh=328 bei 37°Cel und Vcc=4,961(intern 39°Cel)
--->Vref sinkt mit TempAnstieg, d.h. gegenteilig zum Datenblatt 
S.273<---
'Egebnis: Vref -25ppm/K (Datenblatt ca. +120ppm/K)

Noch mal eine Frage: man kann ja einfach Vref auf dem Pin Aref ausgeben 
und messen. Das ist aber meistens Vref=2,56V. Wenn man nun Vref=1,1V 
wählt, ist die aus der selben Bandgap abgeleitet und hat also die selbe 
Charakteristik? Ich habe das einfach mal angenommen und direkt 
umgerechnet.

Die interne Referenz schwankt zwar mit der Genauigkeit des 
Produktionsprozesses des IC, ist aber im dynaischen Verhalten deutlich 
genauer als die Versorgungsspannung und etwas stabiler im Vergleich zu 
einer Referenzspannungsschaltung mit Zenerdioden und Widerstand. Wenn 
noch höhere Genauigkeit und Temperaturstabilität gewünscht wird, dann 
würde ich erst zur externen Referenzquelle greifen oder 
Band-Gap-Referenzquellen.

Mit einem ausreichend genauem Multimeter sollten die Spannungen 
(Ladungsende) unbedingt nachgeprüft werden. Mein Atmega88 hat 8 Eingänge 
mit 10bit Auflösung. Wenn die Teilung geschickt dimensioniert wird, sind 
5 bis 10mV Auflösung noch gut drin. Den Teiler würde ich so aufbauen, 
dass ein Spindelpotentionmeter die Feineinstellung ermöglicht 
(4,2....4,0). Als Fail-Safe-Lösung diesen so einbauen, dass wenn der 
Schleifer ein Kontaktproblem hätte, bei niedrigerer Spannung die Ladung 
endet.

Falls der Atmel versagen sollte, dh sich aufhängen sollte, sollte eine 
analoge Schutzschaltung immer noch den Li-Akku zusätzlich schützen.

Bei Li-Akkus trifft zu, wenn man die Grenze von 4,2 oder 4,1 nicht ganz 
ausreizt, zwar etwas an Kapazität verschenkt, aber der Akku länger hält. 
Die Spannungsteilerwiderstände hochohmig genug wählen, so dass diese 
keine Rolle bei der Entladung der Zelle spielen, aber der Fehler am 
Meßeingang gering bleibt. Ein Kondensator sollte die Spannung noch 
glätten (keramisch, nF).

Hermann schrieb:
> Noch mal eine Frage: man kann ja einfach Vref auf dem Pin Aref ausgeben
> und messen. Das ist aber meistens Vref=2,56V. Wenn man nun Vref=1,1V
> wählt, ist die aus der selben Bandgap abgeleitet und hat also die selbe
> Charakteristik? Ich habe das einfach mal angenommen und direkt
> umgerechnet.

Mir ist nicht bekannt, dass man die interne Vref umschalten kann, 
lediglich ein oder aus. Beim 328 sind es eben die bekannten 1,1 Volt, 
bei anderen die von Dir genannten 2,56 V.

Gucken wir Seite 243 vom Datenblatt: "VREF can also be measured at the 
AREF pin with a high impedance voltmeter. Note that VREF is a high 
impedance source, and only a capacitive load should be connected in a 
system."

Manfred schrieb:
> Mir ist nicht bekannt, dass man die interne Vref umschalten kann

Bei vielen AVRs schon.
Vielleicht hast du mich auch missverstanden. Wenn man Vref auf den 
Aref-Pin legt, ist das beim Tiny85 und Tiny861 immer 2,56V. In diesem 
Mode kann man die Abhängigkeit von Vref direkt messen. Trotzdem kann man 
später Vref=1,1V für den ADC wählen. Welche Charakteristik hat jetzt 
Vref(1,1V)? Die gleiche wie bei der gemessenen Vref(2,56V)?
Ich gehe davon aus, dass für Vref(1,1V) das gleiche gilt, nur mit dem 
Faktor 1,1/2,56 umgerechnet. Ich würde mich aber nicht wundern, wenn für 
beide Vref nicht des gleiche gilt.