KY-053 Analog Digital Converter

#include <Adafruit_ADS1X15.h>
#include <math.h>
 
// ADS1115-Modul ist initialisiert - alle weiteren Operationen mit
// dem ADC können mit Hilfe des "ads"-Objekts ausgeführt werden.
Adafruit_ADS1115 ads;
 
void setup (void)
{
  Serial.begin (9600);
   
  Serial.println ("Werte der analogen Eingänge des ADS1115 (A0..A3) werden ausgelesen und ausgegeben");
  Serial.println ("ADC Range: +/- 6.144V (1 bit = 0.1875mV)");
   
  // Dieses Modul verfügt über Signalverstärker an seinen Analogeingängen, 
  // deren Verstärkung in den unten stehenden Bereichen per Software konfiguriert werden kann.
  // Dies ist erforderlich, wenn ein bestimmter Spannungsbereich als Messergebnis 
  // erwartet wird und somit eine höhere Auflösung des Signals erhält.
  // ADS1115
  // -------
  // ads.setGain (GAIN_TWOTHIRDS); // 2 / 3x gain +/- 6.144V 1 bit = 0.1875mV
  // ads.setGain (GAIN_ONE); // 1x gain +/- 4.096V 1 bit = 0.125mV
  // ads.setGain (GAIN_TWO); // 2x gain +/- 2.048V 1 bit = 0.0625mV
  // ads.setGain (GAIN_FOUR); // 4x gain +/- 1.024V 1 bit = 0.03125mV
  // ads.setGain (GAIN_EIGHT); // 8x gain +/- 0.512V 1 bit = 0.015625mV
  // ads.setGain (GAIN_SIXTEEN); // 16x gain +/- 0.256V 1 bit = 0.0078125mV
   
  ads.begin ();
}
 
void loop (void)
{
  uint16_t adc0, adc1, adc2, adc3;
  float voltage0, voltage1, voltage2, voltage3;
  float gain_conversion_factor;
   
  // Der Befehl "ads.readADC_SingleEnded (0)" ist der eigentliche Vorgang, der die Messung im ADC startet.
  // Die "0" als Variable für diese Funktion definiert den verwendeten Kanal, der gemessen werden soll.
  // Soll z.B. der dritte Kanal gemessen werden, muss die "0" durch die "3" ersetzt werden.
  adc0 = ads.readADC_SingleEnded (0);
  adc1 = ads.readADC_SingleEnded (1);
  adc2 = ads.readADC_SingleEnded (2);
  adc3 = ads.readADC_SingleEnded (3);
   
  // Umrechnung der aufgezeichneten Werte in eine Spannung
  voltage0 = ads.computeVolts(adc0);
  voltage1 = ads.computeVolts(adc1);
  voltage2 = ads.computeVolts(adc2);
  voltage3 = ads.computeVolts(adc3);
   
  // Ausgabe der Werte auf der seriellen Schnittstelle
  Serial.print ("Analog input 0:"); Serial.print (voltage0); Serial.println (" V");
  Serial.print ("Analog input 1:"); Serial.print (voltage1); Serial.println (" V");
  Serial.print ("Analog input 2:"); Serial.print (voltage2); Serial.println (" V");
  Serial.print ("Analog input 3:"); Serial.print (voltage3); Serial.println (" V");
  Serial.println ("------------------------");
   
  delay (1000);
}

Per entsprechenden Befehlen auf dem I2C-Bus können auf bis zu 4 Eingängen analoge Spannungswerte mit bis zu 16-Bit Genauigkeit gemessen werden. Das Messergebnis wird kodiert auf den I2C-Bus ausgegeben.

Technische Daten

Schnittstelle	I2C
ADC-Kanäle	4
Auflösung pro Kanal	16 Bit
Programmierbare Abtastrate	8 bis 860 SPS
Betriebsspannung	2 V bis 5,5 V
Analogeingangsspannung	0 V bis Betriebsspannung
I2C Logikspannung	0 V bis 5,5 V
I2C Adresse	0x48 bis 0x4B
Typischer Betriebsstrom	150μA

Änderung der I2C Adresse

Dieser Analog zu Digital Wandler (oder in kurz ADC) besitzt nicht nur eine I2C Adresse. Hierbei handelt es sich um einen ADC welcher 4 verschiedene I2C Adressen besitzen kann. Diese können frei gewählt werden aber im weiteren verlauf wird die Standard Adresse 0x48 benutzt.

In der folgenden Tabelle können Sie alle möglichen Adressen einsehen und auch wie diese zu erreichen sind. Hierbei ist hauptsächlich zu beachten das der ADDR Pin des ADC verantwortlich ist für die Änderung der Adresse.

Von	Zu	Adresse
ADDR Pin	GND Pin	0x48
ADDR Pin	VDD Pin	0x49
ADDR Pin	SDA Pin	0x4A
ADDR Pin	SCL Pin	0x4B

Pin Belegung

Codebeispiel Raspberry Pi

Anschlussbelegung Raspberry Pi

Raspberry Pi	Sensor
3,3 V [Pin 1]	+V
GND [Pin 6]	GND
GPIO 3 [Pin 5]	SCL
GPIO 2 [Pin 3]	SDA
-	ADDR
-	ALRT
-	A0
-	A1
-	A2
-	A3

Der Raspberry Pi besitzt im Gegensatz zum Arduino weder analoge Eingänge, noch einen integrierten Analog-Digital Converter. Dies schränkt den Raspberry Pi bei der Verwendung von analogen Sensoren ein. Um dennoch analoge Sensoren am Raspberry Pi verwenden zu können, kann der Raspberry Pi um unser KY-053 Analog Digital Converter Modul um 4 ADC Kanäle mit 16-Bit Genauigkeit erweitert werden.

Das Programm nutzt zur Ansteuerung des ADS1115 ADC die entsprechenden ADS1x15 und I2C Python-Libraries von Adafruit. Diese wurden unter dem folgenden Link Adafruit_CircuitPython_ADS1x15 unter der MIT-Lizenz veröffentlicht. Die benötigten Libraries sind nicht im unteren Download-Paket enthalten.

Zunächst müssen Sie I2C auf Ihren Raspberry Pi aktivieren. Um die Konfiguration zu öffnen, geben Sie den folgenden Befehl ein:

sudo raspi-config

Wählen Sie dort 3 Interface Options → I4 I2C aus und aktivieren Sie die I2C-Schnittstelle. Sie haben nun erfolgreich I2C aktiviert. Der Analog-Digital Wandler ist jetzt unter der I2C-Adresse 0x48 erreichbar, welche bei diesem Sensor standardmäßig gesetzt ist. Die I2C Adresse wird anders sein, wenn Sie diese bereits konfiguriert haben sollten, bevor Sie Ihren Raspberry Pi konfiguriert haben.

Installieren Sie nun pip3 mit dem folgendem Befehl:

sudo apt-get install python3-pip

Als nächstes muss die virtuelle Umgebung eingerichtet werden. Geben Sie dazu die folgenden Befehle ein:

mkdir dein_projekt
cd dein_projekt
python -m venv --system-site-packages env
source env/bin/activate

Mit dem folgenden Befehlen laden Sie sich die adafruit-circuitpython-ads1x15 Bibliothek herunter und installieren sie.

pip3 install adafruit-circuitpython-ads1x15

Nachdem Sie die Bibliothek heruntergeladen haben, brauchen Sie nur mit folgendem Befehl...

nano ADS1115.py

...eine neue Datei auf Ihrem Raspberry Pi zu erstellen und dann den folgenden Code in die so eben erstellt Datei kopieren.

import time
import board
import busio
import adafruit_ads1x15.ads1115 as ADS
from adafruit_ads1x15.analog_in import AnalogIn

# Create the I2C bus
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)

# Create the ADC object using the I2C bus
ads = ADS.ADS1115(i2c)

# Create single-ended input on channels
chan0 = AnalogIn(ads, ADS.P0)
chan1 = AnalogIn(ads, ADS.P1)
chan2 = AnalogIn(ads, ADS.P2)
chan3 = AnalogIn(ads, ADS.P3)



while True:
    print("channel 0: ","{:>5}\t{:>5.3f}".format(chan0.value, chan0.voltage))
    print("channel 1: ","{:>5}\t{:>5.3f}".format(chan1.value, chan1.voltage))
    print("channel 2: ","{:>5}\t{:>5.3f}".format(chan2.value, chan2.voltage))
    print("channel 3: ","{:>5}\t{:>5.3f}".format(chan3.value, chan3.voltage))
    print("---------------------------------------------------")
    time.sleep(1)

Beispielprogramm Download

KY053-RPi.zip

Zu starten mit dem Befehl

sudo python3 KY053.py

Erweiterte ADS1115 Funktionen

Die in den oben dargestellten Codebeispielen verwendete ADS1115-Funktion wird als "Single Ended Conversion" bezeichnet und bedeutet, dass eine Messung an dem ausgewählten Einzelkanal in Bezug auf Masse durchgeführt wird.

Neben dieser Art der Messung verfügt der ADS1115 ADC z.B. auch über eine Differenzmessfunktion, so dass eine Differenzspannung zwischen zwei Eingängen gemessen wird (z.B. Spannung zwischen A0 und A1). Neben der einseitigen Messung kann auch eine Komparatorfunktion aktiviert werden, die erst bei Überschreiten einer Spannungsschwelle ein Messergebnis liefert.

Diese und andere Funktionen, wie z.B. die Änderung der Abtastrate, werden in den Adafruit-Bibliotheken zur Konfiguration programmiert - siehe die Adafruit-Bibliotheksdokumentation für Details.

# Bibliotheken laden
import machine
import ADS1115
import sys
from time import sleep

# Variablen Initialisierung
chan = 0

if __name__ == '__main__':
    try:
        # Initialisierung des ADC
        ADS1115.init(0x48, 3, 4, False)
        print("start")
        while True:
            # Ausgabe der Daten von Kanal 0 des ADC
            print(ADS1115.read(chan))
            # Ausgabe der Ausgelesenen und umgerechneten Daten von Kanal 0 des ADC
            print(str(ADS1115.raw_to_v(ADS1115.read(chan))) + " V")
            sleep(1)

    except KeyboardInterrupt:
        sys.exit()