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测量电池电量原理

对于锂电池而言，可以用电池电压近似代替指示电池电量，一般来说单节锂电池电压范围是3~4.2v，测得电池电压后做百分比计算即可，因此关键即在于如何测量电池电压

测电池电压可能方案

• 初始思路 直接ADC测量电池电压

ADC测量的前提是有一个稳定标准的参考电压Vref，默认Arduino的Vref取的是Vcc电压，而在电池供电下这个Vcc本身就是变化的，也不能用自己去参考自己测量

结论 不可行

• 进阶思路 电池正负极并联电阻分压法测电压

这个方法原理上可行，原因是AVR单片机内部有一个1.1V的基准参考电压，可以调用如下接口使能

analogReference(INTERNAL)；use internal 1.1v as Avref 
//analogReference(DEFAULT);  use AVcc as AVref

但电阻会造成额外持续的功耗，而电池供电情况下本身往往就是比较强调低功耗的，另外1.1V电压较低，造成电阻也必须设置为将VCC分压得较小，ADC量程小电阻值也相差大，造成精度较低，而由于电池本身有内阻且会变化，进一步造成精度下降

结论：不堪用

• 推荐方法 正确使用内部1.1V基准电压

敏锐的同学会发现AVR单片机设置的内部1.1V基准电压应该不是用于直接作为Vref使用的，因为对于VCC 5V的情况下，很少有直接测量低于1.1v外部电压的情况，实际上，这个内部的1.1v基准电压的一个主要用途就是用于电池供电下测量电池电压的，只是方法有点巧妙。
ADC的计算方法很简单如下：

ADC = Vin/Vref * 2^n

其中可以看到，其实Vin和Vref是对称的，只需要保证其中一个值是基准的，就可以得到另外一个值。

也就是说，我们可以设外部VCC为Vref，去“测量”1.1V的基准电压的ADC数值来反推得到外部VCC的实际值

是不是很巧妙？这样不需要任何额外的外部电路，理论可以测得1.1v以上任意大小电压！

换句话说，这样是限制了ADC的测量下限来换取测量上限，这也是为什么内部基准电压设置为1.1v这么小的原因，因为即使对于普通的1.5v镍铬电池低电量下也不会低于1.1v，atmel的工程师真的是考虑很周到~

代码

这里直接给出一个函数，大家可以直接加到Arduino里调用即可，由于Arduino里没有给出设置ADC采样口的接口（即将Vin设置为内部1.1v）,因此这里直接配置AVR的寄存器来实现

#include "Arduino.h" //用于包含如ADMUX等寄存器的宏

#if defined(__AVR_ATmega32U4__) || defined(__AVR_ATmega1280__) || defined(__AVR_ATmega2560__)
#define ADMUX_VCCWRT1V1 (_BV(REFS0) | _BV(MUX4) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1))
#elif defined (__AVR_ATtiny24__) || defined(__AVR_ATtiny44__) || defined(__AVR_ATtiny84__)
#define ADMUX_VCCWRT1V1 (_BV(MUX5) | _BV(MUX0))
#elif defined (__AVR_ATtiny25__) || defined(__AVR_ATtiny45__) || defined(__AVR_ATtiny85__)
#define ADMUX_VCCWRT1V1 (_BV(MUX3) | _BV(MUX2))
#else
#define ADMUX_VCCWRT1V1 (_BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1))
#endif
float Read_Volts(void)
{
  // Read 1.1V reference against AVcc
  // set the reference to Vcc and the measurement to the internal 1.1V reference
  if (ADMUX != ADMUX_VCCWRT1V1)
  {
    ADMUX = ADMUX_VCCWRT1V1;

    // Bandgap reference start-up time: max 70us
    // Wait for Vref to settle.
    delayMicroseconds(350); 
  }
  
  // Start conversion and wait for it to finish.
  ADCSRA |= _BV(ADSC);
  while (bit_is_set(ADCSRA,ADSC)) {};
    
  // Result is now stored in ADC.
  
  // Calculate Vcc (in V)
  float vcc = 1.1*1024.0 / ADC;

  return vcc;
}

注意一定需要包含#include "Arduino.h"，包含基本的寄存器宏。

atmega寄存器说明

上述代码中核心一步是对ADC多路选择寄存器ADMUX的配置，这里给出具体说明

atmega ADMUX寄存器

其中REFS1和REFS0用于设置Vref，这里应该配置为01对应Vcc口

image.png

MUX3..0用于选择ADC的输入Vin，这里应配置为内部1.1v对应的1110

image.png