INA169 breakout 板使用指南：精确测量电流

引言

在电子项目中，准确测量电流是一项常见且重要的任务。无论是监测 LED 的低电流，还是评估某个设备的整体电流消耗，都需要合适的工具。INA169 芯片就是这样一个出色的选择，它是一款“高端电流监测器”，能够帮助我们轻松实现电流测量。今天，我们就来详细了解一下 INA169 breakout 板的使用方法。

文件下载：SEN-12040.pdf

所需材料

要使用 INA169 breakout 板进行电流测量，我们需要准备以下材料：

1. 开发板：Arduino、RedBoard 或任何 Arduino 兼容板。
2. 引脚：用于焊接到板上，使其与面包板兼容的公头引脚。
3. 跳线：用于从面包板连接到 Arduino。
4. 面包板：将所有组件连接在一起。
5. LED：一个基本的红色 LED，用于点亮。
6. 电阻：一个 330Ω 的电阻，用于限制通过 LED 的电流。

此外，建议你在开始之前阅读一些相关资料，如电压、电流、电阻和欧姆定律，电阻、LED 的使用方法，如何使用面包板，Arduino 的基本知识，焊接技巧以及电线的处理方法等。

板子概述

工作原理

从原理图可以看出，INA169 breakout 板上已经安装了一些电阻。当电流从 (V{IN-}) 通过分流电阻 (R{S}) 流向 (V{IN+}) 时，会在 (R{S}) 上产生电压降。INA169 芯片内部的运算放大器会测量 (V{IN-}) 和 (V{IN+}) 之间的电压差，并根据这个差值输出一个电压。这个输出电压通过内部晶体管放大，从而从 INA169 芯片输出一个电流。

注意事项

需要注意的是，INA169 只能测量直流电流。(V{IN+}) 引脚的电位必须高于 (V{IN-}) 引脚，这意味着它不能测量交流电流。

电流测量

我们可以使用示波器或模数转换器来测量 (V{OUT}) 处的电压。通过以下公式可以将测量到的电压转换为源电流 (I{S})： [I{S}=frac{V{OUT } × 1 k Omega}{R{S} × R{L}}] 其中，(I{S}) 是我们要测量的电流，(V{OUT}) 是在 INA169 输出端测量到的电压，1kΩ 是由于 INA169 内部结构需要包含的一个恒定电阻值。如果不修改板子，(R{S}) 的值默认设置为 10Ω，(R{L}) 的值默认设置为 10kΩ。

示例计算

例如，当我们测量到 (V{OUT}) 为 2.8V 时，将其代入上述公式可得： [I{S}=frac{2.8 V × 1 k Omega}{10 Omega × 10 k Omega}=0.028 A] 这表明线路中有 0.028A（即 28mA）的电流流过。

引脚说明

INA169 breakout 板上只有 5 个引脚，它们的连接方式如下：

• GND：应连接到要测量的电路的地。
• VIN+：需要连接到电源的正极（如电池、输出引脚等）。
• VIN-：需要连接到负载的正极（如 Arduino 上的 VCC、LED 的正极等）。
• VOUT：是测量输出，应连接到能够测量电压水平的设备，如万用表、示波器或 Arduino 的 ADC 引脚。
• VCC：是 INA169 的供电电源，需要连接到 3.3V、5V 等电源。其电压范围可以从 0 到 75V，但要注意 (V_{OUT}) 的范围取决于 VCC 提供的电压。

除了 VIN+ 和 VIN- 引脚外，板子上还有两个大焊盘，可用于临时连接鳄鱼夹。不过，为了使板子正常工作，GND 和 VCC 仍然需要连接。

功能修改

默认情况下，INA169 breakout 板的设置限制了其测量的电流范围约为 3.5mA 到 35mA。通过改变 (R{S}) 或 (R{L}) 的值，可以改变电流测量范围。不同 (R_{S}) 值对应的电流测量范围如下：	(R_{S})	电流测量范围
10Ω	3.5mA - 35mA
1Ω	35mA - 350mA
0.1Ω	350mA - 3.5A

在更换电阻时，要注意电阻的功率额定值。例如，如果更换的电阻可能会产生 1.2W 的热量，那么普通的 ¼W 电阻就无法承受，需要使用至少 2W 的电阻。推荐使用的功率电阻有 Ohmite 1Ω 1% 3W 和 Ohmite 0.1Ω 1% 3W。

连接示例

组装

首先，我们需要将电线或直公头引脚焊接到板子上的 5 个引脚孔中。如果需要测量超过 35mA 的电流，还需要将 (R{S}) 电阻焊下，并焊接一个较低阻值（如 1Ω）、较高功率（如 3W）的电阻到 (R{S}) 周围的孔中。如果使用面包板，建议安装引脚。

连接 INA169 breakout 板

按照以下步骤连接 INA169 breakout 板和 Arduino：

1. 将 Arduino 的 5V 连接到 INA169 的 VCC，将 Arduino 的 GND 连接到 INA169 的 GND。
2. 为了读取输出电压水平，需要从 Arduino 的 A0 引脚连接一根跳线到 INA169 的 VOUT 引脚。
3. 使用跳线将 INA169 的 VCC 和 VIN+ 引脚连接起来，因为我们希望使用 Arduino 的 5V 为 LED 供电。如果使用其他电源（除了 Arduino 的 5V 或 3.3V）通过 VIN+ 和 VIN- 供电，要确保将电源的地连接到 INA169 板的地，并且从 VIN+ 到地的电压水平不超过 60V，否则板子可能会损坏。
4. 将一个 330Ω 的电阻从 INA169 的 VIN- 连接到 LED 的阳极，将一根跳线从 LED 的阴极连接到 GND。

如果要测量其他设备的电流，可以在 (R_{S}) 周围的裸金属焊盘上使用鳄鱼夹。要确保 INA169 板与正电源轨串联，并且 INA169 的 GND 连接到目标设备的 GND。

示例代码

以下是一个用于 Arduino 的示例代码，用于读取 INA169 测量的电流并将其显示在串口监视器上：

const int SENSOR_PIN = A0;
const float VOLTAGE_REF = 5.0;
const float RS = 10;

float sensorValue;
float current;

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

void loop() {
  // 从 INA169 板读取一个值
  sensorValue = analogRead(SENSOR_PIN);
  // 将 ADC 值重新映射为电压值（5V 参考）
  sensorValue = (sensorValue * VOLTAGE_REF) / 1023;
  // 根据 INA169 数据手册中的公式计算通过 RS 的电流
  // 假设 RL = 10k
  // Is = (Vout x 1k) / (RS x RL)
  current = sensorValue / (10 * RS);
  // 将电流值（以安培为单位）输出到串口监视器，保留 3 位小数
  Serial.print(current, 3);
  Serial.println(" A");
  // 延迟程序几毫秒
  delay(500);
}

将上述代码复制到 Arduino 程序中，选择合适的开发板（如 Arduino Uno）和正确的 COM 端口，然后点击上传按钮。上传完成后，打开串口监视器，你应该会看到电流测量值被打印出来。如果使用基本的红色 LED、330Ω 电阻和 5V 电源，你应该会在串口监视器上看到 0.009A（9mA）的电流值。我们可以使用万用表测量 330Ω 电阻两端的电压，验证这个读数。根据欧姆定律计算得到的电流值应该与 INA169 的测量值相符。

拓展应用

INA169 芯片在很多场景下都非常有用，例如：

• 在 The Uncertain 7 - Cube 中，可以将 INA169 与电池的正电源线串联，测量电流消耗，从而估算电池的续航时间。
• 同样，将 INA169 连接到 HUB - ee Buggy 的电源上，可以确定在更换 AA 电池之前还能使用多长时间。
• 还可以使用 INA169 来确定 Humidor Control Box 一直开启时的功耗。

资源链接

• INA169 数据手册
• Breakout 板原理图
• Eagle 和项目文件
• GitHub 仓库

总之，INA169 breakout 板为我们提供了一种简单而有效的方法来测量电流。通过合理设置电阻和正确连接电路，我们可以在不同的项目中准确地监测电流消耗。你在使用 INA169 时遇到过什么问题吗？欢迎在评论区分享你的经验和疑问。