ADC 4-20

• 625nA de resolução (25600 níveis)
• 860 amostras por segundo
• Medição de até 4 sensores por módulo
• Até 4 módulos simultâneos, totalizando 16 sensores
• Filtro RC em todos os canais

O Nanoshield ADC 4-20 oferece uma solução para aplicações onde é preciso medir sensores com saída de 4 a 20mA com grande precisão e resolução.

Existe uma infinidade de sensores com saída de 4 a 20 mA no mercado (são comumente chamados de transmissores), entre os mais comuns temos os sensores de pressão, temperatura, umidade, entre outros. Sensores com saída de 4 a 20mA são muito utilizados em processos industriais. Algumas vantagens da sua utilização são:

• Não há perdas significativas no cabeamento, possibilitando a ligação de apenas um par de fios com grande comprimento.
• Transmissão robusta do sinal, com alta imunidade à ruído.
• Possibilidade de detecção de falhas no cabeamento

Implementado com o CI ADS1115, o Nanoshield ADC 4-20 proporciona 25600 pontos de medição na escala de 4 a 20mA, com resolução de 625nA (0,000000625A). Opcionalmente, o módulo também pode ser utilizado para medição de sensores com saída de 0 a 20mA (a corrente máxima recomendada é de 30mA).

!Conectando os sensores

O Nanoshield ADC 4-20 possui um borne de parafuso com 4 entradas analógicas independentes, elas são nomeadas como A0, A1, A2 e A3. Em cada uma das entradas deve ser conectado o terminal de saída do sensor correspondente.

Existe ainda um quinto sinal presente no borne, nomeado como SUP. Neste pino deve ser conectado o outro terminal do sensor, que será responsável pela alimentação do mesmo, e pelo retorno da corrente no loop.

Existem duas formas de fazer a alimentação do sensor, a primeira é utilizando a mesma fonte que alimenta o Arduino e o restante do conjunto, a segunda é utilizando uma fonte exclusiva para alimentação do sensor. A escolha do modo de uso é feito utilizando-se o jumper de configuração também denomimado de SUP.

As seções abaixo mostram as duas formas de se conectar o sensor.

!Sensor alimentado com fonte única

Nesta configuração, a mesma fonte que alimenta o Arduino é utilizada para alimentar o sensor 4 a 20mA. Para utilizar essa configuração, é necessário fechar o jumper de configuração SUP na posição VIN. Desta forma, a tensão da fonte (denominada VIN no Arduino), é ligada diretamente no terminal SUP do borne de parafuso, e alimenta diretamente o sensor.

A figura abaixo mostra como realizar essa configuração.

Diferentemente de outros módulos destinados à medição de sensores de 4 a 20mA, o Nanoshield ADC 4-20 possui um baixo de valor de resistência para fazer a conversão de corrente em um valor de tensão que pode ser lido pelo conversor AD. Esse valor é de 150 Ohms, causando uma queda de tensão de apenas 3 V no resistor em caso de corrente máxima na saída do sensor (20 mA).

Isso quer dizer que há menos perdas e uma parte maior da tensão da fonte pode ser aproveitada para alimentar o sensor. Se você estiver utilizando uma fonte de 12V por exemplo, descontando a perda de 3V no resistor, ainda sobram 9V para alimentar o sensor. Muitos sensores no mercado são especificados para alimentação à partir de 8V, sendo possível utilizá-los juntamente com uma fonte padrão de 12V.

!Conectando o sensor com fonte independente

Neste tipo de configuração, o sensor é alimentado por uma fonte exclusiva, ou seja, você usará uma fonte para alimentar os sensores e outra fonte para alimentar o Arduino (que também pode ser alimentado pela porta USB). Essa configuração é útil quando os sensores exigem uma tensão de alimentação diferente do padrão suportado pelo Arduino (7 a 12V). Podemos citar como exemplo, sensores que precisam ser alimentados com uma fonte de 24V, nesse caso você usa a fonte de 24V para os sensores, e alimenta o Arduino com uma fonte padrão de 7 a 12V ou pela porta USB (para outras sugestões de como alimentar o Arduino com uma fonte de 24V veja o nosso Nanoshield PowerLDO).

Para utilizar essa configuração, é necessário fechar o jumper de configuração SUP na posição GND. Desta forma, o terminal SUP do borne de parafuso fica diretamente interligado ao GND do módulo, servindo como retorno de corrente do loop.

A figura abaixo mostra como realizar essa configuração.

!Conexão com Arduino + Base Board Uno

O jeito mais fácil de utilizar o Nanoshield ADC 4-20 juntamente com um Arduino é usando a Base Board Uno ou Base Board L Uno. Basta encaixar as placas e depois carregar o nosso código de exemplo para verificar o funcionamento (veja a seção de código de exemplo no final da página). Esta montagem pode ser utilizada com o Arduino UNO, Mega R3, Duemilanove entre outras (entre em contato caso tenha dúvidas sobre compatibilidade com outras versões). A figura abaixo mostra como fica a montagem do conjunto.

!Conexão com Base Boarduino

Também é possível conectar o Nanoshield ADC 4-20 diretamente à nossa placa compatível com Arduino, a Base Boarduino. A conexão é feita da mesma forma que com a Base Board, conforme ilustra a figura abaixo. Basta encaixar as placas e depois carregar o nosso código de exemplo para verificar o funcionamento (veja a seção de código de exemplo no final da página).

!Conexão direta com Arduino

Também é possível utilizar o módulo com montagem direta, utilizando um protoboard e jumper wires para fazer a conexão. Utilize os seguintes esquemas para conectar o Nanoshield ADC a um Arduino UNO ou Arduino Mega.

!Utilizando vários módulos simultaneamente

O Nanoshield ADC 4-20 se comunica com o microcontrolador através de um barramento de comunicação I²C. Uma das vantagens do barramento I²C é a possibilidade de uso de vários módulos simultâneos utilizando apenas 2 pinos do microcontrolador: um para a transmissão do clock (SCL) e outro para transmissão de dados (SDA).

Cada módulo conectado a um barramento I²C necessita de um endereço único para que não haja conflito entre os mesmos. O Nanoshield ADC possui 4 opções de endereço selecionáveis via jumper na parte superior da placa, permitindo a utilização de até 4 módulos simultâneos e totalizando até 16 canais independentes utilizando apenas 2 pinos do microcontrolador. A figura abaixo mostra onde se localizam os jumpers utilizados para seleção do endereço.

O endereço do módulo no barramento I²C possui 5 bits fixos (10010) e mais dois bits configuráveis. Através dos jumpers é possível configurar quais serão os dois últimos bits, as opções são: 00, 01, 10 e 11. Para fazer a seleção, basta fechar o jumper correspondente ao endereço desejado, deixando os demais abertos (o padrão de fabrica é 00). Dessa forma, o endereço completo do módulo pode ser 1001000 (padrão), 1001001, 1001010 ou 1001011.

A figura abaixo mostra um conjunto de 4 módulos utilizados simultaneamente. Neste exemplo utilizamos a placa Base Boarduino, mas você também pode utilizar uma Base Board UNO juntamente com um Arduino UNO ou Mega.

!Configurações disponíveis

Operação em 3,3V

O Nanoshield ADC 4-20 também pode ser configurado para funcionar com alimentação de 3,3V. Essa configuração é útil quando se deseja utilizar o módulo juntamente com outras placas que funcionam com 3,3V, como o Arduino Zero, Arduino DUE, entre outras.

Para alterar a tensão de operação do módulo é necessário alterar o jumper de solda denominado POWER, que está localizado na parte superior da placa. A figura abaixo mostra como fazer esta alteração:

Esta alteração só é necessária se o módulo estiver sendo utilizado juntamente com a Base Board ou Base Board L. Caso você esteja utilizando o módulo ligado por jumper wires, basta conectar o pino VCC do módulo diretamente na tensão de alimentação de 3,3V.

A Circuitar pode enviar seus módulos já configurados, contate-nos para mais informações.

!Recursos adicionais

Comparador interno

O chip possui um comparador interno programável que pode ser configurado para gerar um alerta quando o valor de tensão na entrada analógica excede algum limite previamente configurado pelo usuário. Desse modo, o módulo pode "avisar" o microcontrolador sobre um evento desejado através de uma interrupção, não sendo necessário ficar medindo continuamente a entrada.

O sinal de alerta é enviado através do pino 3 do Arduino (no Nanoshield ADC este pino é denominado "ale"). Esta função vem desabilitada de fábrica e para ativá-la é necessário fechar o jumper de solda denominado ALERT localizado no lado superior da placa.

Diagrama de blocos

O Nanoshield ADC 4-20 se comunica com o processador através de um barramento I²C que utiliza apenas 2 pinos. O diagrama de blocos abaixo ilustra o funcionamento do módulo.

Cada uma das entradas do Nanoshield ADC 4-20 possui um filtro RC passa-baixas com frequencia de corte de aproximadamente 480 Hz. O filtro tem função anti-aliasing e atenuação de ruído nas entradas analógicas.

Especificações elétricas

• Alimentação: é feita pelo pino VCC com intervalo de 4,5 até 5,5V (valor típico 5V). Opcionalmente a placa pode ser alimentada utilizando o pino 3V3 com intervalo de 3V até 3,6V, para isso é necessário alterar o jumper POWER (veja instruções no esquemático).

• Consumo: o consumo máximo de corrente é de 300uA.

• Níveis lógicos: a comunicação I2C e o sinal de saída ALERT (opcional), vem configurados de fábrica para funcionar com nível lógico de 5V.

• Intervalo de medidas: O intervalo máximo de medidas é de 0 até 30mA.

Pinagem

A tabela abaixo descreve a função de cada um dos sinais utilizados, e a correspondência com os pinos do Arduino UNO e Arduino MEGA.

!Código de exemplo

• Nanoshield_ADC - Biblioteca Arduino para o Nanoshield ADC.