Grove - 2.5A DC電流センサー(ACS70331)

note

この文書は AI によって翻訳されています。内容に不正確な点や改善すべき点がございましたら、文書下部のコメント欄または以下の Issue ページにてご報告ください。
https://github.com/Seeed-Studio/wiki-documents/issues

Grove - 2.5A DC電流センサー(ACS70331)は、ACS70331をベースにした高精度DC電流センサーです。ACS70331はチップシリーズであり、このモジュールはACS70331EESATR-2P5U3を使用しています。これは、<2.5Aの電流検知用途向けのAllegroの高感度電流センサーICです。このセンサーは、従来のホール効果センサーの25倍の感度を持つ巨大磁気抵抗（GMR）技術を採用しており、低抵抗の統合された一次導体を流れる電流によって生成される磁場を検知します。

Grove - 2.5A DC電流センサー(ACS70331)は最大2.5AのDC電流を測定でき、基本感度は800mV/Aです。このセンサーはAC電流をサポートしていません。AC負荷を測定したい場合は以下をご確認ください：

Grove - 2.5A DC電流センサー (ACS725)

特徴

1 MHzの帯域幅、応答時間<550 ns
低ノイズ：1 MHzで8 mA(rms)
1.1 mΩの一次導体抵抗による低電力損失
高DC PSRRにより、低精度の電源やバッテリー（3～4.5 V動作）での使用が可能
アナログ出力

仕様

パラメータ	値
供給電圧	3.3V / 5V
動作環境温度	-40 – 85℃
保存温度	-65°C – 125°C
動作電圧	<100V
電流検知範囲	0 – 2.5A
感度	800mV/A(典型値)
出力インターフェース	アナログ
入力インターフェース	スクリュー端子

動作原理

電流検知には直接検知と間接検知の2種類があります。分類は主に電流を測定するために使用される技術に基づいています。

直接検知:

オームの法則

間接検知:

ファラデーの誘導法則
磁場センサー
ファラデー効果

Grove - 2.5A DC電流センサー(ACS70331)は磁場センサー技術を使用しています。そして、磁場センサー技術には以下の3種類があります：

ホール効果
フラックスゲートセンサー
磁気抵抗電流センサー

Grove - 2.5A DC電流センサー(ACS70331)は磁気抵抗電流センサー原理（GMRとしても知られる）に基づいています。磁気抵抗（MR）は、磁場が加えられると抵抗が放物線状に変化する2端子デバイスです。磁場によるMRの抵抗変化は磁気抵抗効果として知られています。

ACS70331 QFNパッケージの内部構造は図1に示されています。ダイは一次電流経路の上に配置されており、磁場がダイ上のGMR要素と平面内で生成されます。GMR要素1と2は、正のIP電流が流れる場合に+X方向の磁場を検知し、GMR要素3と4は、正のIP電流が流れる場合に-X方向の磁場を検知します。これにより、電流の差動測定と外部の迷走磁場の除去が可能になります。

4つのGMR要素は、図2に示されているようにウィートストンブリッジ構成で配置されており、ブリッジの出力は4つの要素によって検知された差動磁場に比例し、共通磁場を除去します。

ハードウェア概要

対応プラットフォーム

Arduino	Raspberry Pi

はじめに

Danger

テスト中にモジュールに人体が触れることは禁止されています。そうしないと感電の危険があります。

Arduinoで遊ぶ

必要な材料

Seeeduino V4.2	ベースシールド	2.5A DC電流センサー(ACS70331)

今すぐ購入	今すぐ購入	今すぐ購入

さらに、Seeeduino Lotus M0+を検討することもできます。これはSeeeduino V4.2とベースシールドの組み合わせに相当します。

note

1 USBケーブルを優しく差し込んでください。そうしないとポートを損傷する可能性があります。内部に4本のワイヤーがあるUSBケーブルを使用してください。2本のワイヤーしかないケーブルではデータを転送できません。お持ちのケーブルが不明な場合は、こちらをクリックして購入できます。

2 Groveモジュールを購入すると、各モジュールにGroveケーブルが付属しています。Groveケーブルを紛失した場合は、こちらをクリックして購入できます。

ハードウェア接続

ステップ1. Grove - 2.5A DC電流センサー(ACS70331)をベースシールドのA0ポートに接続します。
ステップ2. テストする回路の正極と負極を、ネジ端子の対応する正極と負極に接続します。

tip

正極と負極を逆に接続すると、読み取り値が逆になります。このセンサーは使用前にキャリブレーションが必要ですので、最初に回路に電源を入れないでください。

ステップ3. Grove - ベースシールドをSeeeduinoに差し込みます。
ステップ4. USBケーブルを使用してSeeeduinoをPCに接続します。

図4. *このデモではDC電源を使用しています。最初は電流を0Aに設定するか、電源を入れないでください。*

ソフトウェア

caution

Arduinoを初めて使用する場合は、開始する前にArduinoの使い方をご覧になることを強くお勧めします。

ステップ1. GithubからGrove Current Sensorライブラリをダウンロードします。
ステップ2. /example/フォルダ内にデモコードがあります。ここではGrove_2_5A_Current_Sensor.inoを例として使用します。Grove_2_5A_Current_Sensor.inoをクリックしてデモを開くか、以下のコードをコピーしてください：

#ifdef ARDUINO_SAMD_VARIANT_COMPLIANCE
  #define RefVal 3.3
  #define SERIAL SerialUSB
#else
  #define RefVal 5.0
  #define SERIAL Serial
#endif
// OLEDディスプレイが必要です
// ピンA0を使用
#define Pin A0

// 10回の平均を取る

const int averageValue = 10;

int sensorValue = 0;

float sensitivity = 1000.0 / 800.0; //1000mAあたり800mV 


float Vref = 265;  //まずこれを変更してください!!!

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

void loop() 
{
  // 値を10回読み取る
  for (int i = 0; i < averageValue; i++)
  {
    sensorValue += analogRead(Pin);

    // 次のループまで2ミリ秒待つ
    delay(2);

  }

  sensorValue = sensorValue / averageValue;
 

  // オンボードADCは10ビット
  // 異なる電源は異なる基準電圧をもたらします
  // 例: 2^10 = 1024 -> 5V / 1024 ~= 4.88mV
  //      unitValue= 5.0 / 1024.0*1000 ;
  float unitValue= RefVal / 1024.0*1000 ;
  float voltage = unitValue * sensorValue; 
  
  // 無負荷時、Vref=initialValue
  SERIAL.print("initialValue: ");
  SERIAL.print(voltage);
  SERIAL.println("mV"); 

  // 対応する電流を計算
  float current = (voltage - Vref) * sensitivity;

  // 電圧を表示 (mV)
  // この電圧は電流に対応するピン電圧です
  /*
  voltage = unitValue * sensorValue-Vref;
  SERIAL.print(voltage);
  SERIAL.println("mV");
  */

  // 電流を表示 (mA)
  SERIAL.print(current);
  SERIAL.println("mA");
   
  SERIAL.print("\n");

  // 次の読み取りのためにsensorValueをリセット
  sensorValue = 0;
  // 1秒ごとに読み取る
  delay(1000);
}

ステップ 3. デモをアップロードします。コードのアップロード方法がわからない場合は、コードのアップロード方法を確認してください。
ステップ 4. Arduino IDE の シリアルモニタ を開きます。ツール -> シリアルモニタ をクリックするか、++ctrl+shift+m++ キーを同時に押します。ボーレートを 9600 に設定してください。
ステップ 5. キャリブレーション
電流が流れていない場合でも、センサーには小さな出力値があります。この値を ゼロオフセット と呼びます。

**図 5**. *このボードのゼロオフセットは 283.20mV、電流に換算すると 22.75mA*

ゼロオフセットが存在するため、電流が流れていない場合でもセンサーには読み取り値があります。そのため、これを補正するために Vref というパラメータを設定します。このパラメータは上記のコードブロック内にあります。

21行目:

float Vref = 265;  
// Vref はゼロドリフト値です。使用する前に実際に測定した値にこの値を変更する必要があります。

デモコードでは、Vref を 265 に設定していますが、ゼロオフセット値はボードごとに異なります。このデモで使用しているボードの値は 288.09 です。したがって、21行目を次のように修正します：

float Vref = 283.20;

その後、コードを保存して再度アップロードします。ステップ 2 とステップ 3 に従ってください。では、確認してみましょう：

電流出力が 0mA または小さな値になった場合、キャリブレーションが完了しています。

ステップ 5. これで準備完了です。電流を供給してください。自由に使用してください。ただし、これは 2.5A DC 電流センサーであるため、電流が 2.5A を超えないように注意してください！

結果の計算式を知りたい場合は、FAQ Q1 を参照してください。

Raspberry Pi での使用

必要な材料

Raspberry Pi	Grove Base Hat for RasPi	2.5A DC Current Sensor

今すぐ購入	今すぐ購入	今すぐ購入

ハードウェア接続

ステップ 1. Grove Base Hat を Raspberry Pi に接続します。
ステップ 2. Grove - 2.5A DC Current Sensor (ACS70331) を Base Hat のポート A0 に接続します。
ステップ 3. テストする回路の正極と負極を、ネジ端子の対応する正極と負極に接続します。

**図 7**. *このデモでは DC 電源を使用しています。最初は電流を 0A に設定するか、電源を入れないでください*

tip

ステップ 4. Micro-USB ケーブルを使用して Raspberry Pi に電源を供給します。

caution

Raspberry Pi に電源を供給するには、コンピュータの USB ポートまたは DC アダプターを使用できます。ただし、Raspberry Pi 3B+ を使用している場合は、DC アダプターで電源を供給することを強くお勧めします。PC の USB ポートを使用すると、Raspberry Pi 3B+ が損傷する可能性があります。

ソフトウェア

ステップ 1. ソフトウェアの設定に従って開発環境を構成します。
ステップ 2. grove.py ライブラリをクローンしてソースファイルをダウンロードします。

cd ~
git clone https://github.com/Seeed-Studio/grove.py

ステップ 3. 次のコマンドを実行してコードを実行します。

cd grove.py/grove   # デモファイルフォルダに移動
python grove_current_sensor.py 0 2.5A   # デモプログラムを実行

その後、ターミナルに以下のように出力されます：

pi@raspberrypi:~/grove.py/grove $ python grove_current_sensor.py 0 2.5A
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
13.0
()
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
13.0
()
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
13.0
()
pin_voltage(mV):
269
current(mA):
11.0
()
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
13.0
()
^CTraceback (most recent call last):
  File "grove_current_sensor.py", line 200, in <module>
    main()
  File "grove_current_sensor.py", line 185, in main
    time.sleep(1)
KeyboardInterrupt

ctrl+c を押して終了します。

note

2番目のコマンドに注意してください。ファイル名の後に2つのパラメータがあります：

0 はセンサーがポート A0 に接続されていることを意味します。センサーをポート A2 に接続した場合、このパラメータを 2 に変更する必要があります。このパラメータの範囲は 0-7 ですが、Grove Base Hat を使用する場合、インターフェースの物理的制限により 0/2/4/6 のみ使用できます。
2.5A は電流センサーのタイプが 2.5A DC であることを意味します。

センサー	電流タイプ	パラメータ値
Grove - 2.5A DC Current Sensor(ACS70331)	DC	2.5A
Grove - 2.5A DC Current Sensor (ACS725)	DC	5A_DC
AC	5A_AC
Grove - 10A DC Current Sensor (ACS725)	DC	10A

このシリーズには3つの電流センサーがあり、パラメータリストは上記の通りです

note

2.5AのDC電流センサーは、小さな範囲を測定する際に大きな誤差が生じるため、200mA以上の電流を提供してテストすることをお勧めします。また、測定環境も精度に影響を与えるため、供給電圧のリップルを可能な限り小さくする必要があります。

ステップ4 キャリブレーション
電流が流れていない場合でも、センサーは小さな出力値を持つことがあります。この値をゼロオフセットと呼びます。ステップ3で示したように、このボードのゼロオフセットは270mVであり、電流に変換すると13mAです。
ゼロオフセットが存在するため、電流がない場合でもセンサーは読み取り値を持ちます。そのため、これを補正するためにVrefというパラメータを設定します。このパラメータはpython grove_current_sensor.py内で見つけることができます。Grove - 2.5A DC Current Sensor(ACS70331)の場合、デフォルトでVrefを260に設定していますが、ゼロオフセットはボードごとに異なります。そのため、最初にキャリブレーションを行う必要があります。
以下のPythonコードを確認してください：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
#
# The MIT License (MIT)
# Copyright (C) 2018  Seeed Technology Co.,Ltd.
#
# これはRaspberry Pi用のGrove Base Hatライブラリです。
# Groveセンサーを接続するために使用されます。
'''
このコードは以下のセンサーに対応しています：
    - `Grove - 2.5A DC current sensor  <https://www.seeedstudio.com/Grove-2-5A-DC-Current-Sensor-ACS70331-p-2929.html>`_
    - `Grove - 5A AC/DC current sensor <https://www.seeedstudio.com/Grove-5A-DC-AC-Current-Sensor-ACS70331-p-2928.html>`_
    - `Grove - 10A current sensor      <https://www.seeedstudio.com/Grove-10A-DC-Current-Sensor-ACS725-p-2927.html>`_
例：
    .. code-block:: python
        import time
        from grove_current_sensor import Current
        pin = 0
        sensor_type = "2.5A"
        #10A電流センサーを使用する場合: pin = 0 , sensor_type = "10A"
        if (sensor_type == "2.5A"):
            sensitivity = 1000.0 / 800.0
            Vref = 260
        if (sensor_type == "5A_DC"):
            sensitivity = 1000.0 / 200.0
            Vref = 1498
        if (sensor_type == "5A_AC"):
            sensitivity = 1000.0 / 200.0
            Vref = 1498
        if (sensor_type == "10A"):
            sensitivity = 1000.0 / 264.0
            Vref = 322
        averageValue = 500
        ADC = Current()
        while True:
            if(sensor_type == "5A_AC"):
                pin_voltage = ADC.get_nchan_vol_milli_data(pin,averageValue)
                current = ADC.get_nchan_AC_current_data(pin,sensitivity,Vref,averageValue)
            else:
                temp = ADC.get_nchan_current_data(pin,sensitivity,Vref,averageValue)
                current = temp[0]
                pin_voltage = temp[1]
        
            current = round(current)
            print("pin_voltage(mV):")
            print(pin_voltage)
            print("current(mA):")
            print(current)
            print()
            time.sleep(1)
    
'''

import sys
import time
from grove.i2c import Bus

ADC_DEFAULT_IIC_ADDR = 0X04

ADC_CHAN_NUM = 8

REG_RAW_DATA_START = 0X10
REG_VOL_START = 0X20
REG_RTO_START = 0X30

REG_SET_ADDR = 0XC0

__all__ = ['Current','Bus']

class Current():
    '''
    Grove Current Sensorクラス
    '''

    def __init__(self,bus_num=1,addr=ADC_DEFAULT_IIC_ADDR):
        '''
        IICを初期化します。
        引数: 
            bus_num(int): バス番号;
            addr(int): IICアドレス;
        '''
        self.bus = Bus(bus_num)
        self.addr = addr
  
    def get_nchan_vol_milli_data(self,n,averageValue):
        '''
        nチャンネルのデータをmV単位で取得します。
        :param int n: ADCピン。
        :param int averageValue: 平均取得頻度。
        戻り値: 
            int: 電圧値
        '''
        val = 0
        for i in range(averageValue):
            data = self.bus.read_i2c_block_data(self.addr,REG_VOL_START+n,2)
            val += data[1]<<8|data[0]
        val = val / averageValue
        return val

    def get_nchan_current_data(self,n,sensitivity,Vref,averageValue):
        '''
        2.5A/5A DC/10A電流センサーでnチャンネルのデータをmA単位で取得します。
        :param int n: ADCピン。
        :param float sensitivity: 電圧を電流に変換する係数。
        :param int Vref: 無負荷時の初期電圧。
        :param int averageValue: 平均取得頻度。
        戻り値: 
            int: 電流値
        '''
        val = 0
        for i in range(averageValue):
            data = self.bus.read_i2c_block_data(self.addr,REG_VOL_START+n,2)
            val += data[1]<<8|data[0]
        val = val / averageValue
        currentVal = (val - Vref) * sensitivity
        return currentVal,val

    def get_nchan_AC_current_data(self,n,sensitivity,Vref,averageValue):
        '''
        5A電流センサーAC出力でnチャンネルのデータをmA単位で取得します。
        :param int n: ADCピン。
        :param float sensitivity: 電圧を電流に変換する係数。
        :param int Vref: 無負荷時の初期電圧。
        :param int averageValue: 平均取得頻度。
        戻り値: 
            int: 電流値
        '''
        sensorValue = 0
        for i in range(averageValue):
            data=self.bus.read_i2c_block_data(self.addr,REG_VOL_START+n,2)
            val=data[1]<<8|data[0]
            if(val > sensorValue):
                sensorValue=val
            time.sleep(0.00004)
        currentVal = ((sensorValue - Vref) * sensitivity)*0.707
        return currentVal   

ADC = Current()
def main():
    if(len(sys.argv) == 3):

        pin = int(sys.argv[1])
        sensor_type = sys.argv[2]
        if (pin < 8 and (sensor_type == "2.5A" or sensor_type == "5A_DC" or sensor_type == "5A_AC" or sensor_type == "10A") ):
            if (sensor_type == "2.5A"):
                sensitivity = 1000.0 / 800.0
                Vref = 260
            if (sensor_type == "5A_DC"):
                sensitivity = 1000.0 / 200.0
                Vref = 1498
            if (sensor_type == "5A_AC"):
                sensitivity = 1000.0 / 200.0
                Vref = 1498
            if (sensor_type == "10A"):
                sensitivity = 1000.0 / 264.0
                Vref = 322
            averageValue = 500

            while True:

                if(sensor_type == "5A_AC"):
                    pin_voltage = ADC.get_nchan_vol_milli_data(pin,averageValue)
                    current = ADC.get_nchan_AC_current_data(pin,sensitivity,Vref,averageValue)
                else:
                    temp = ADC.get_nchan_current_data(pin,sensitivity,Vref,averageValue)
                    current = temp[0]
                    pin_voltage = temp[1]

                current = round(current)
                print("pin_voltage(mV):")
                print(pin_voltage)
                print("current(mA):")
                print(current)
                print()
                time.sleep(1)
            
        else:
            print("パラメータ入力エラー！")
            print("以下のようにパラメータを入力してください: python grove_current_sensor 0 2.5A")
            print("パラメータ1: 0-7")
            print("パラメータ2: 2.5A/5A_DC/5A_AC/10A")
    
    else:
        print("以下のようにパラメータを入力してください: python grove_current_sensor 0 2.5A")
        print("パラメータ1: 0-7")
        print("パラメータ2: 2.5A/5A_DC/5A_AC/10A")
    
    
if __name__ == '__main__':
    main()

コードブロックの147行目でVrefを変更できます：

        if (pin < 8 and (sensor_type == "2.5A" or sensor_type == "5A_DC" or sensor_type == "5A_AC" or sensor_type == "10A") ):
            if (sensor_type == "2.5A"):
                sensitivity = 1000.0 / 800.0
                Vref = 260
            if (sensor_type == "5A_DC"):
                sensitivity = 1000.0 / 200.0
                Vref = 1498
            if (sensor_type == "5A_AC"):
                sensitivity = 1000.0 / 200.0
                Vref = 1498
            if (sensor_type == "10A"):
                sensitivity = 1000.0 / 264.0
                Vref = 322
            averageValue = 500

ご覧の通り、2.5A電流センサーの場合、デフォルトのVrefは260です。そしてステップ3では、電流がない場合のゼロオフセット値が270mVであることがわかります。したがって、これを270に変更しましょう。

            if (sensor_type == "2.5A"):
                sensitivity = 1000.0 / 800.0
                Vref = 270

では、このデモを再度実行してみましょう。

pi@raspberrypi:~/grove.py/grove $ python grove_current_sensor.py 0 2.5A
pin_voltage(mV):
269
current(mA):
-1.0
()
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
0.0
()
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
0.0
()
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
0.0
()
pin_voltage(mV):
270
current(mA):
0.0
()
^CTraceback (most recent call last):
  File "grove_current_sensor.py", line 200, in <module>
    main()
  File "grove_current_sensor.py", line 185, in main
    time.sleep(1)
KeyboardInterrupt

さて、以前より良くなりましたね。これで電流をより正確に測定できるようになりました 😄

FAQ

Q1# 電流計算の公式は何ですか？

A1: 動作原理の部分が非常に複雑に感じる場合は、簡単に説明しましょう。テスト対象の回路内の電流が磁場を励起し、それがGMR素子の抵抗値を変化させます。そして、ブリッジ内の抵抗変化がチップの出力電圧の変化を引き起こします。この出力電圧をV_IOUTと呼びます。

V_IOUT = Sens × I_p + V_IOUT(Q)

Sens: Sensは電流を出力電圧に変換する係数です。このモジュールでは800mA/Vです。
I_p: I_pはテスト対象の回路内の電流値（単位：mA）です。
V_IOUT(Q): V_IOUT(Q)はI_pが0mA（つまり、テスト対象の回路に電流がない場合）のときの出力電圧（単位：mV）です。

ここで電流値を求めます：

I_p = (V_IOUT - V_IOUT(Q)) / Sens

では、図5を見てみましょう。テスト対象の回路内の実際の電流値が0である場合でも、出力の電流値が0でない理由を説明します。図5では、initialValueが283.20mVで、これはV_IOUTです。また、電流は22.75mAで、これはI_pです。V_IOUT(Q)はコード内で設定したVrefです。図5では265です。そしてSensは800mA/V、つまり800mA/1000mVです。では、計算してみましょう：

{(283.20mV-265mV) / (800mA/1000mV)} = 22.75mA

したがって、図6ではVrefを283.20に設定すると、Ipは0mAになります。

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[ZIP] Grove - 2.5A DC Current Sensor(ACS70331) 回路図ファイル
[PDF] ACS70331 データシート

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