Быстрый и точный 4-разрядный ампервольтметр на STM8S103F3, INA226 и 74HC595

/************************************************************************
* Скетч для вольтметра на STM8S103F3 + INA226 + семисегментнтный LED на 4 разряда с ОА
* 
* Через стандартную библиотеку I2C для STM8S103F3 обмен корректно с INA226 не проходит
* В библиотеке Wire.h для STM8S103F3 нет функции записи двух байт в выбранный регстр.
* Есть только для одного байта.
* Пришлось брать функцию из этой библиотеки и созда на её основе свои, которые могут писать и читать двухбайтовые регистры INA226
* 
* Регистры INA226:
* 00h: Регистр конфигурации
* 01h: Регистр напряжения шунта
* 02h: Регистр напряжения шины (это откуда мы читае напряжение для вольтметра)
* 03h: Регистр мощности
* 04h: Регистр тока - содержит в битах значение напряжение на шунте, делённое на 2,5 мкВ
* 05h: Регистр калибровки 
* Коэф. пересчёта напряжения по данным из регистра 1.25mV
* Коэф. пересчёта напряжения на шунте по данным из регистра 2.5μV
* Регистр тока хранит данные в милиамперах
* Коэф. пересчёта мощности по данным из регистра 25mW
* Шунт - 0,005 (два в параллель по 0,01)
* Максимальный ток - 16,384 А
* Current_LSB (Current Least Significant Bit) 
* — это разрешающая способность датчика тока (например у INA226, INA219) в Амперах на бит.
* Определяется как значение равное или большее (для удобства расчётов в программе) 
* значения максимального допустимого измеряемого тока, разделённое на 32768
* часто выбирается из вариантов (0,5 мА; 1мА; 0,1мА; ... )
* 
* Формула пересчёта - коэффициент калибровки CAL = 0,00512 / (Current_LSB * Rшунта)
* Current_LSB = Максимальный_ожидаемый_ток / 32768
* Максимальный ожидаемый ток определяется как такой ток, 
*при котором на выбранном шунте падение напрядения не превысит значения 0,08192 вольт (предельного для INA226)
* 
* Значение регистра калибровки зависит только от сопротивления шунта и выбранного Current_LSB
* Current_LSB лучше выбирать в 1 мА для шунтов меньше 0,05 Ом - тогда в регистре тока будет уже готовое значение в миллиамперах для только
* Если Current_LSB выбрать 0,5 мА, то значение из регистра тока нужно делить на 2. Но точность измерения будет выше. Поглешность около 0,5 мА.
* Для шунтов от 0,05 Ома и больше, можно выбрать Current_LSB = 0,1 мА. Тогда значение из регистра тока нужно будет поделить на 10 для получения 
* реального значения тока.
*
* Примеры значений данных для регистра калибровки при Current_LSB = 0,5 мА (CAL = 0,00512 / (Rш * Current_LSB)):
* - сопротивление шунта - 0,005 Ом - > CAL = 0x800 -->  0,00512 / (0,005 Ом * 0,0005 A) = 2048 --> 0x800
* - сопротивление шунта - 0,00544 Ом - > CAL = 0x75A -->  0,00512 / (0,00544 Ом * 0,0005 A) = 1882,35 --> 0x75A
* - сопротивление шунта - 0,0056 Ом - > CAL = 0x725 -->  0,00512 / (0,0056 Ом * 0,0005 A) = 1828,57 --> 0x725
* - сопротивление шунта - 0,00541 Ом - > CAL = 0x765 -->  0,00512 / (0,00541 Ом * 0,0005 A) = 1892,791 --> 0x765
* --- в моём случае полученное из регистра тока значение не забыть разделить на 2 (К = 0,001 / Current_LSB) 
* для получение реального значения тока в миллиамперах.
*
* LED индикаторы с общим анодом
* - для включения на регистры подаём 1, на сегменты 0
* - токоограничивающие резисторы с контроллера на сегменты - по 150 Ом
* Максимальный ток контроллера - когда на индикаторе светятся все 7 сегментов + точка на одном разряде касного индикатора
* с током 9 мА на сегмент = 9 х 8 = 72 мА - вполне допустимый ток контроллера
*
* Константин Трыков  12.2025 
* Версия 110163_02
************************************************************************/

#include <I2C.h>
#include <stdio.h>
#include <Wire.h>

// Задаём адрес доступа к INA226 
#define INA226adress  0x40 


//-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// Задать значение для регистров INA226 - раскомментировать только нужеую строку
//#define configData 0x4327                   // Значение для регистра конфигурации
                                              // Постоянный режим, время преобразования тока и напряжения - 1,1 мс, 
                                              // устедняемое число отсчётов - 4
                      
//#define configData 0x456F                   // Значение для регистра конфигурации
                                              // Постоянный режим, время преобразования тока и напряжения - 2,116 мс, 
                                              // устедняемое число отсчётов - 16    

//#define configData 0x45B7                   // Значение для регистра конфигурации
                                              // Постоянный режим, время преобразования тока и напряжения - 4,156 мс, 
                                              // устедняемое число отсчётов - 16  
                      
#define configData 0x45FF                     // Значение для регистра конфигурации
                                              // Постоянный режим, время преобразования тока и напряжения - 8,244 мс, 
                                              // устедняемое число отсчётов - 16                        
                      
//---------------------------------   Настройка регистра калибровки - раскомментировать только нужеую строку  ---------------
                      
//#define calibrationData 0x800               // Значение для регистра калибровки при Rш = 5 милиом и Current_LSB = 0,5 мА

//#define calibrationData 0x6D3               // Значение для регистра калибровки при Rш = 5,86 милиом и Current_LSB = 0,5 мА

//#define calibrationData 0x6AB               // Значение для регистра калибровки при Rш = 6 милkиом и Current_LSB = 0,5 мА

//#define calibrationData 0x725               // Значение для регистра калибровки при Rш = 5,6 милkиом и Current_LSB = 0,5 мА

//#define calibrationData 0x669               // Значение для регистра калибровки при Rш = 6,24 милkиом и Current_LSB = 0,5 мА

//#define calibrationData 0x75A                // Значение для регистра калибровки при Rш = 5,44 милkиом и Current_LSB = 0,5 мА

#define calibrationData 0x765                // Значение для регистра калибровки при Rш = 5,41 милkиом и Current_LSB = 0,5 мА

//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

// Назначаем пины сегментам LED индикатора
#define SEG_A PA1		
#define SEG_B PC4		
#define SEG_C PC7		
#define SEG_D PD2		
#define SEG_E PD3		
#define SEG_F PA2		
#define SEG_G PC6		
#define SEG_P PD1		


// Назначаем пины ножкам регистра
#define ST_CP PC5                             // PIN защёлки - ножка 12
#define SH_CP PD4                             // PIN синхронизации - ножка 11
#define DS    PC3                             // PIN данных


// Установка значений переменных
uint16_t voltage_mV = 0;					  // Переменная для значения напряжения
uint16_t current_mA = 0;					  // Переменная для значения тока
uint8_t cyfra5 = 0;                           // Переменная для вывода цифры старшего 5-го разряда на индикатор
uint8_t cyfra4 = 0;                           // Переменная для вывода цифры 4-го разряда на индикатор
uint8_t cyfra3 = 0;                           // Переменная для вывода цифры 3-го разряда на индикатор
uint8_t cyfra2 = 0;                           // Переменная для вывода цифры 1-го разряда  на индикатор
uint8_t cyfra1 = 0;                           // Переменная для вывода цифры младшего 1-го разряда на индикатор

// Переменные для считывания данных регистров INA226 - только для отладки

//uint16_t configDataDo = 0;
//uint16_t configDataPosle = 0;
//uint16_t calibrationDo = 0;
//uint16_t calibrationPosle = 0;

//----------------------------------------------------------------------------------------------------

// Массив байтов для отображения сегментов по полученной цифре для LED с ОА
uint8_t numberCode[] =                        // В этом массиве задаются цифры на семисегментном индикаторе
{ 0xC0, //0
  0xF9, //1
  0xA4, //2
  0xB0, //3
  0x99, //4
  0x92, //5
  0x82, //6
  0xF8, //7
  0x80, //8
  0x90  //9
};


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////  Функции   //////////////////////////////////////////////////////////////////

// Вкючение сегментов в зависимости от полученного байта
void SendDig(uint8_t byteCode)                // Запись сегментов в индикатор
{
digitalWrite(SEG_A, (byteCode & 0x01));
digitalWrite(SEG_B, ((byteCode & 0x02)>>1));
digitalWrite(SEG_C, ((byteCode & 0x04)>>2));
digitalWrite(SEG_D, ((byteCode & 0x08)>>3));
digitalWrite(SEG_E, ((byteCode & 0x10)>>4));
digitalWrite(SEG_F, ((byteCode & 0x20)>>5));
digitalWrite(SEG_G, ((byteCode & 0x40)>>6));
digitalWrite(SEG_P, HIGH);                    // Выключить точку
}



// Запись байта в регистр 74НС595
void cyfraOut(uint8_t x) 
{
  delay (1);
  digitalWrite(ST_CP, LOW);                   // начинаем передачу данных
  shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, x);           // устанавливаем нужный байт
  digitalWrite(ST_CP, HIGH);                  // прекращаем передачу данных
}


// Объявление функций записи и чтения INA225
uint16_t readRegisterTK(uint8_t, uint8_t);
void writeRegisterTK(uint8_t, uint8_t, uint16_t); 

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/////////////// Начальная установка  //////////////////////////////////////////////////////////////////

void setup()
{
  
 I2C_begin();                                 // Инициализируем шину I2C - в библиотеке I2C эта функция выглядит так:
                                              // void I2C_begin()
                                              //  {
                                              //    bytesAvailable = 0;
                                              //    bufferIndex = 0;
                                              //    totalBytes = 0;
                                              //    timeOutDelay = 10;  // set default time out
                                              //    I2C_setSpeed(0);  // initialize for standard speed (100kHz)
                                              //  }

// Считываем данные из регистра конфигурации  
//  configDataDo = readRegisterTK (INA226adress,0x00);        // Читаем 2 байта из регистра 0х00 
  
// Считываем данные из регистра калибровки  
//  calibrationDo = readRegisterTK (INA226adress,0x05);        // Читаем 2 байта из регистра 0х05

                        
writeRegisterTK(INA226adress, 0x00, configData);   // Инициализируем INA226 (17191 в десятичной или 0x4327 в шестнадцатиричной)
                                              // Пишем в I2C устройство по адресу 0x40 в регистр  0x00 значение 0x4327
                                              // Что означает: 
                                              // Режим работы - "continuous" 
                                              // Время выборки и для напряжения и для шунта - 1,1 мс
                                              // Усредненее по 4 измерениям
                                              // По умолчанию значение 0x4127 в шестнадцатиричной или 16679 в десятичной
                        

 writeRegisterTK(INA226adress, 0x05, calibrationData);   // Инициализируем регистр калибровки INA226 под ток 16,384 А
                                              // ... и сопротивление шунта 5 милиом (два по 0,005) - десятичное значение 2048 или 0x800 в шестнадцатиричной
  
                        
// Считываем данные из регистра конфигурации  
//  configDataPosle = readRegisterTK (INA226adress,0x00);  // Читаем 2 байта из регистра 0х00 - только для отладки
  
// Считываем данные из регистра калибровки  
//  calibrationPosle = readRegisterTK (INA226adress,0x05); // Читаем 2 байта из регистра 0х05 - только для отладки
                      

// Задаём режимы пинов
  pinMode(ST_CP, OUTPUT);
  pinMode(SH_CP, OUTPUT);
  pinMode(DS, OUTPUT);

  pinMode(SEG_A, OUTPUT);
  pinMode(SEG_B, OUTPUT);
  pinMode(SEG_C, OUTPUT);
  pinMode(SEG_D, OUTPUT);
  pinMode(SEG_E, OUTPUT);
  pinMode(SEG_F, OUTPUT);
  pinMode(SEG_G, OUTPUT);
  pinMode(SEG_P, OUTPUT);

//=========================================================================
//--------------  Только для отладки   ----------------------
// Инициализация последовательного порта на скоости 9600 bps:
//  Serial_begin(9600);
//-----------------------------------------------------------
//===========================================================================


}


/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/////////////// Начало основного цикла  //////////////////////////////////////////////////////////////////

void loop()
{

// Считываем данные из регистра напряжения
  voltage_mV = readRegisterTK (INA226adress,0x02);      // Читаем 2 байта из регистра  напяжения 0х02
  voltage_mV = voltage_mV + (voltage_mV / 4);           // Получаем данные в миливольтах - увеличиваем на четверть

// Считываем данные из регистра тока 
  current_mA = readRegisterTK (INA226adress,0x04);      // Читаем 2 байта из регистра 0х04 - ток в милиамперах
  current_mA = current_mA / 2;              			// Умножаем на 0,5 - коэффициент для тока = Current_LSB / 0,001

// Считываем данные из регистра конфигурации  
//  configDataPosle = readRegisterTK (INA226adress,0x00); // Читаем 2 байта из регистра 0х00  - только для отладки
  
// Считываем данные из регистра калибровки  
//  calibrationPosle = readRegisterTK (INA226adress,0x05);// Читаем 2 байта из регистра 0х05  - только для отладки
  
/*
//======================================================================================================
//--------------  Только для отладки - вывод на терминал  -------------------------------------------

Serial_print_s("Напряжение - ");              // Вывод текста без перевода строки
Serial_println_u(voltage_mV);                 // Вывод переменной напряжения с переводом строки 
Serial_print_s("Ток - ");                     // Вывод текста с переводом строки
Serial_println_u(current_mA);                 // Вывод переменной с переводом строки


Serial_print_s("calibrationDo - ");
Serial_println_u(calibrationDo);
Serial_print_s("calibrationPosle - ");
Serial_println_u(calibrationPosle);

Serial_print_s("configDataDo - ");
Serial_println_u(configDataDo);
Serial_print_s("configDataPosle - ");
Serial_println_u(configDataPosle);

Serial_print_s("\n\r");                       // Перевод строки

//-----------------------------------------------------------------------------------------------  
//========================================================================================================
*/

// Если старший разряд не нулевой, то выводим старшие четыре разряда из пяти на индикатор напряжения
  if (voltage_mV > 9999) 
  {
    cyfraOut(0b10000000);                     // Выбрать разряд 4 вольтметра (1-й с конца - младший - крайний правый)
  SendDig(numberCode[voltage_mV/10%10]);      // Вывести 4-й из 5-и разряд напряжения
    cyfraOut(0b01000000);                     // Выбрать разряд 3 вольтметра (второй справа)
  SendDig(numberCode[voltage_mV/100%10]);     // Вывести 3-й из 5-и разряд напряжения
    cyfraOut(0b00100000);                     // Выбрать разряд 2 вольтметра (третий справа)
  SendDig(numberCode[voltage_mV/1000%10]);    // Вывести 2-й из 5-и разряд напряжения
  digitalWrite(SEG_P, LOW);                   // Включить точку
    cyfraOut(0b00010000);                     // Выбрать разряд 1 вольтметра (крайний левый)
  SendDig(numberCode[voltage_mV/10000%10]);   // Вывести 1-й из 5-и разряд напряжения
  }

// Иначе выводим младщие четыре разряда из пяти на индикатор напряжения
  else
  {
    cyfraOut(0b10000000);                     // Выбрать разряд 4 вольтметра (1-й с конца - младший - крайний правый)
  SendDig(numberCode[voltage_mV%10]);         // Вывести 5-й из 5-и разряд напряжения
    cyfraOut(0b01000000);                     // Выбрать разряд 3 вольтметра (второй справа)
  SendDig(numberCode[voltage_mV/10%10]);      // Вывести 4-й из 5-и разряд напряжения
    cyfraOut(0b00100000);                     // Выбрать разряд 2 вольтметра (третий справа)
  SendDig(numberCode[voltage_mV/100%10]);     // Вывести 3-й из 5-и разряд напряжения
    cyfraOut(0b00010000);                     // Выбрать разряд 1 вольтметра (крайний левый)
  SendDig(numberCode[voltage_mV/1000%10]);    // Вывести 2-й из 5-и разряд напряжения
  digitalWrite(SEG_P, LOW);                   // Включить точку
  }

  

// Если старший разряд не нулевой, то выводим старшие четыре разряда на индикатор тока

  if (current_mA > 9999) 
  {
    cyfraOut(0b00000001);                     // Выбрать разряд 4 амперметра (1-й с конца - младший - крайний правый)
  SendDig(numberCode[current_mA/10%10]);      // Вывести 4-й из 5-и разряд тока
    cyfraOut(0b00000010);                     // Выбрать разряд 3 амперметра (второй справа)
  SendDig(numberCode[current_mA/100%10]);     // Вывести 3-й из 5-и разряд тока
    cyfraOut(0b00000100);                     // Выбрать разряд 2 амперметра (третий справа)
  SendDig(numberCode[current_mA/1000%10]);    // Вывести 2-й из 5-и разряд тока
  digitalWrite(SEG_P, LOW);                   // Включить точку
    cyfraOut(0b00001000);                     // Выбрать разряд 1 амперметра (крайний левый)
  SendDig(numberCode[current_mA/10000%10]);   // Вывести 1-й из 5-и разряд тока
  }

// Иначе выводим младщие четыре разряда на индикатор тока
  else
  {
    cyfraOut(0b00000001);                     // Выбрать разряд 4 амперметра (1-й с конца - младший - крайний правый)
  SendDig(numberCode[current_mA%10]);         // Вывести 5-й из 5-и разряд тока
    cyfraOut(0b00000010);                     // Выбрать разряд 3 амперметра  (второй справа)
  SendDig(numberCode[current_mA/10%10]);      // Вывести 4-й из 5-и разряд тока
    cyfraOut(0b00000100);                     // Выбрать разряд 2 амперметра (третий справа)
  SendDig(numberCode[current_mA/100%10]);     // Вывести 3-й из 5-и разряд тока
    cyfraOut(0b00001000);                     // Выбрать разряд 1 амперметра (крайний левый)
  SendDig(numberCode[current_mA/1000%10]);    // Вывести 2-й из 5-и разряд тока
  digitalWrite(SEG_P, LOW);                   // Включить точку
  }

}

/////////////// Конец основного цикла  //////////////////////////////////////////////////////////////////
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


// Запись 16-ти битного регистра INA226
void writeRegisterTK(uint8_t i2cAdress, uint8_t address, uint16_t dataTK) 
{
    Wire_beginTransmission(i2cAdress); 			// Начинаем передачу
    Wire_write(address);						// Отправляем адрес
    Wire_write(highByte(dataTK));             	// Отправляем старший байт
    Wire_write(lowByte(dataTK));              	// Отправляем младший байт
    Wire_endTransmission();               		// Заканчиваем передачу
}

// Чтение 16-ти битного регистра INA226
uint16_t readRegisterTK(uint8_t i2cAdress, uint8_t address) 
{
    Wire_beginTransmission(i2cAdress);        // Начинаем передачу
    Wire_write(address);                      // Отправляем адрес
    Wire_endTransmission();                   // Заканчиваем передачу
    Wire_requestFrom2(i2cAdress, (uint8_t)2); // Запрашиваем 2 байта
    return Wire_read() << 8 | Wire_read();    // Клеим и возвращаем результат
}