Spannung messen mit Arduino: Voltmeter & Batteriewächter mit Spannungsteiler bauen

Warum du Spannung selbst messen können solltest

Fast jedes größere Projekt läuft irgendwann mit Akku oder externem Netzteil. Dann willst du wissen: Wie voll ist der Akku noch? Liefert das Netzteil wirklich stabile 12 V? Ein gekauftes Voltmeter zeigt dir nur eine Zahl – dein selbstgebautes kann viel mehr: Es kann bei Unterspannung eine LED blinken lassen, Verbraucher über ein Relais abschalten, Werte per Funk senden oder den Spannungsverlauf loggen. Und das Grundprinzip – eine analoge Größe messen und in einen echten Wert umrechnen – brauchst du bei jedem Sensor wieder.

So funktioniert der Spannungsteiler

Ein Spannungsteiler besteht aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen. Die Eingangsspannung teilt sich im Verhältnis der Widerstandswerte auf – am Mittelabgriff greifst du eine kleinere, sichere Spannung ab, die der Arduino messen kann. Die Formel lautet:

V_out = V_in * R2 / (R1 + R2)

Mit R1 = 30 kΩ und R2 = 7,5 kΩ ergibt sich ein Teilerverhältnis von 5:1. Damit werden aus maximal 25 V am Eingang genau 5 V am Arduino-Pin – perfekt ausgereizt. Im Code multiplizierst du den gemessenen Wert einfach wieder mit 5, um die echte Spannung zu erhalten.

Das brauchst du

1Verkabelung des Spannungsteilers

Die zu messende Spannung geht über R1 und R2 nach GND. Der Mittelabgriff zwischen beiden Widerständen führt zum Analogpin A0. Ganz wichtig: Alle Massen (GND) müssen verbunden sein – die des Messobjekts und die des Arduino.

2Rohwert auslesen und in Spannung umrechnen

Der Arduino liefert mit analogRead() einen Wert von 0 bis 1023 (10-Bit-ADC). 0 entspricht 0 V, 1023 entspricht der Referenzspannung von 5 V. Diese Pin-Spannung rechnest du über das Teilerverhältnis auf die echte Eingangsspannung hoch:

const int MESS_PIN = A0;
const float VREF = 5.0;          // Referenzspannung des ADC
const float TEILER = 5.0;        // (R1+R2)/R2 = (30k+7.5k)/7.5k = 5

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int roh = analogRead(MESS_PIN);          // 0..1023
  float vPin = roh * VREF / 1023.0;        // Spannung am Pin
  float vEin = vPin * TEILER;              // echte Eingangsspannung

  Serial.print("Roh: "); Serial.print(roh);
  Serial.print("  Pin: "); Serial.print(vPin, 3);
  Serial.print(" V  Eingang: "); Serial.print(vEin, 2);
  Serial.println(" V");
  delay(500);
}

3Kalibrieren für genaue Werte

Zwei Dinge verfälschen die Messung: die reale Referenzspannung (oft nicht exakt 5,00 V) und die Toleranz der Widerstände (±1 %). Deshalb kalibrierst du einmalig mit einem Multimeter. Miss die tatsächliche Spannung an deinem Messobjekt und passe einen Korrekturfaktor an, bis der Arduino denselben Wert zeigt:

float kalibrierung = 1.00; // spaeter anpassen

float messeSpannung() {
  long summe = 0;
  for (int i = 0; i < 20; i++) {   // 20 Messungen mitteln
    summe += analogRead(MESS_PIN);
    delay(2);
  }
  float roh = summe / 20.0;
  float vPin = roh * VREF / 1023.0;
  return vPin * TEILER * kalibrierung;
}

4Voltmeter mit OLED und Batteriewächter

Jetzt bringen wir alles zusammen: gemittelte Messung, OLED-Anzeige und eine Warn-LED, die bei Unterspannung blinkt. Der Batteriewächter ist ideal, um z. B. einen 3-Zellen-LiPo (Warnschwelle ~11,1 V) oder eine 12-V-Bleibatterie zu überwachen. Nutze die Bibliotheken Adafruit GFX und Adafruit SSD1306.

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1);
const int MESS_PIN = A0;
const int WARN_LED = 8;
const float VREF = 5.0, TEILER = 5.0, kalibrierung = 1.00;
const float WARN_SCHWELLE = 11.1;   // z.B. LiPo 3S leer

float messeSpannung() {
  long summe = 0;
  for (int i = 0; i < 20; i++) { summe += analogRead(MESS_PIN); delay(2); }
  return (summe / 20.0) * VREF / 1023.0 * TEILER * kalibrierung;
}

void setup() {
  pinMode(WARN_LED, OUTPUT);
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
}

void loop() {
  float v = messeSpannung();
  bool leer = v < WARN_SCHWELLE;
  digitalWrite(WARN_LED, leer && (millis() / 500) % 2); // blinkt bei leer

  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);  display.print("VOLTMETER");
  display.setTextSize(3);
  display.setCursor(0, 20); display.print(v, 2); display.print("V");
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 54); display.print(leer ? "!! AKKU LEER !!" : "Status: OK");
  display.display();
  delay(200);
}

Genauigkeit verbessern: die interne Referenz

Die 5-V-Versorgung des Arduino schwankt je nach USB-Port und Last. Für genauere Messungen kannst du die stabile interne 1,1-V-Referenz nutzen – dann musst du den Teiler aber so auslegen, dass am Pin maximal 1,1 V ankommen, und im Code analogReference(INTERNAL) setzen sowie mit 1.1 statt 5.0 rechnen. Das lohnt sich, wenn es auf jedes Hundertstel Volt ankommt.

• Mehr mitteln: 50 statt 20 Messungen glätten die Anzeige weiter.
• Werte loggen: Kombiniere das Voltmeter mit einem SD-Datenlogger, um Entladekurven aufzuzeichnen.
• Grundlagen auffrischen: Wie Widerstände und das Ohmsche Gesetz zusammenhängen, steht im Ohmschen-Gesetz-Tutorial.

Troubleshooting