Ich arbeite derzeit an einem Projekt, bei dem ich einige sehr lange Drähte benötige (ungefähr 20 Meter und das sind 40 Meter in beide Richtungen), die mit einer Taste verbunden werden, mit der ein Pin am Controller (ATmega8) ausgelöst wird.

Aufgrund der erwarteten Spannungsabfallprobleme habe ich beschlossen, den E / A-Pin hoch zu ziehen und Masse durch die Taste zu ziehen (die Taste zieht den E / A-Pin niedrig und löst ihn aus).

Daher meine Frage: Wird es Probleme geben, so lange Drähte zu verwenden, wenn ich sie anstelle des Vcc-Spannungspegels (5 V) erde?

Leidet Masse unter "Spannungsabfall" wie Probleme?

Nein, tut es nicht (aber ...)

Masse ist per Definition der Nullpunkt in einem Stromkreis, so dass kein "Abfall" auftreten kann. Erdungsdrähte (zB Verbindungen zur Masse) unterliegen dem Ohmschen Gesetz wie jeder andere Draht.

Dies ist Ihre Schaltung, so gut ich aus Ihrer Beschreibung verstehe:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Aus der Sicht des Arduino ist der Boden eine große Kupferfolie, die in die Leiterplatte eingegraben ist. Alle Bestimmungen der Spannung (und damit der Logikpegel: hoch / niedrig, 0/1, wahr / falsch usw.) ergeben sich aus dem Vergleich der potentiellen Signalenergie mit der potentiellen Energie dieses Folienblatts (das normalerweise letztendlich mit einer Batterie verbunden ist / Minuspol der Stromquelle).

Lange Drähte sind in Ihrer Anwendung in Ordnung, weil ...

In Ihrer Frage beschäftigen Sie sich mit den Spannungsverlusten in einem Erdungskabel (dem Kabel, das den Schenkel des Schalters mit Masse verbindet). Dieser Draht kann (und wird) eine Spannung entwickeln, wenn Strom durch ihn fließt (Ohmsches Gesetz) und so nach Ihrem Verständnis "abfällt", aber dieser Abfall ist nicht signifikant genug, um aufgrund der Art und Weise, wie die Schaltschaltung ausgelegt ist, Probleme zu verursachen:

R3 ist typischerweise drei Größenordnungen größer als der Widerstand im Drahtweg durch den Schalter. Wenn der Schalter geöffnet ist, ist der Widerstand nahezu unendlich und die Spannung am Arduino GPIO-Knoten ist gleich V1. Wenn SW1 geschlossen ist, ist der Widerstand zwischen dem Arduino GPIO-Knoten und Masse jetzt der Widerstand der beiden Drähte zum Schalter und zum Schalter selbst.

24AWG-Kabel (die Art, die in Netzwerkkabeln und anderen kleinen Kabelsystemen verwendet wird, beträgt ca. 0,085 Ohm / Meter). Sie könnten mehr als einen Kilometer gehen, bevor Sie 100 Ohm erreichen! Selbst bei diesen großen Widerstandswerten würde der Gesamtwiderstand im Drahtpfad weniger als 250 Ohm betragen und daher nur 2,5% der Gesamtspannung ausmachen (z. B. immer noch fast 0 und sicherlich niedrig genug, um vom Arduino als logische 0 gelesen zu werden).

Nicht alle "Gründe" sind gleich ...

Das Konzept des Bodens ist für das System definiert. Wenn Sie mehrere Systeme haben, kann es Unterschiede zwischen den jeweiligen Gründen geben.

@Techydude weist auf einige interessante Beispiele für dieses Problem hin:

lange Drähte im obigen Beispiel, die Masseebene (n) der Leiterplatte, die Erdungsstifte der Chips, die Verbindungsdrähte zwischen den Stiften und dem Siliziumchip und die Siliziumpfade selbst.

Diese relative Beziehung zur Masse tritt auf, weil die Spannung selbst relativ ist . Die Spannung ist die Differenz der potentiellen Energie zwischen zwei Punkten. "Masse" ist nur der Name für den zweiten Punkt, wenn alle Spannungen in einer Analyse denselben zweiten Punkt teilen . Wenn dies nicht der Fall ist, werden Ihre Erdungsverbindungen unterbrochen (und müssen berücksichtigt werden).

Nun ja. Das Ohmsche Gesetz gilt weiterhin.

Ihre langen Drähte haben einen Widerstand. Wenn Sie Strom durch diese Drähte leiten, fällt eine Spannung über die Drähte ab: V = I * R.

Wenn Sie Ihre Schaltung jedoch gut entworfen haben (und anständige Drähte verwendet haben), ist der Strom klein und R klein, sodass die Spannungsdifferenz nicht zu groß ist.

Sie müssen den Strom selbst bestimmen; Ohne Schaltplan können wir nicht sagen, ob der Strom vernachlässigbar ist.

Masse, ob auf einem Draht oder auf einer Leiterplatte, leidet wie jede andere Verbindung unter Spannungsabfall. Wenn Sie jedoch die Schaltung richtig konstruieren, benötigen Sie so wenig Strom, um ein Schließen des Schalters zu erkennen, dass der Spannungsabfall das geringste Ihrer Probleme ist. Sie müssen sicherstellen, dass Rauschen und Transienten, die auf Ihrem 40 m langen Kabel auftreten, nicht in den Prozessor gelangen und diesen beschädigen. Dazu benötigen Sie einen einfachen RC-Tiefpassfilter am Eingang des Prozessors

Dies ist Ihre Schaltung:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Ja, der Spannungsabfall wird vorhanden sein, aber nicht aufgrund Ihrer Meinung. Abhängig vom Widerstand des Kabels wird im Mittelpunkt Ihres Eingangs ein Spannungsteiler angezeigt. Die obere Hälfte ist Ihr Pull-up (z. B. 10 kΩ), während die untere Hälfte Ihr Kabel ist. Es spielt keine Rolle, ob der Draht die untere oder obere Hälfte des Spannungsteilers ist. Alles, was sich ändert, ist, welche Seite den größeren Effekt sieht.

Ein Diagramm zur Demonstration.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Angenommen, das Cat5-Ethernet-Kabel mit einem Nennwiderstand von 0,0849 Ω pro Meter bei 20 Metern beträgt 1,669 Ω. Bei einem Pull-up-Widerstand von 10 kΩ und einer 5-V-Quelle bedeutet dies, dass wir einen Serienwiderstand von 10 kΩ + 1,669 Ω + 1,669 Ω = 10.003 Ω haben. Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz, I = V / R, 5 V / 10003 Ω entspricht 0,000499 Ampere oder 0,499 MIKROAMPS . Da der Strom in einer Reihenschaltung gleich ist, können wir die vom Drahtwiderstand abgefallene Spannung ermitteln. V = I * R oder 0,000499A * 1,669 Ω = 0,000832 Volt oder 832 MIKROVOLTE .

Weil Ihr Strom durch diese Drähte so niedrig ist, ist auch die von ihnen abfallende Spannung niedrig.

Übersehen Sie inmitten all dieser Ohmschen Gesetzesdiskussion nicht die Antwort von @ SteveG. Sie sagen nicht, welchen Wert des Pull-up-Widerstands Sie verwenden möchten, aber wenn Sie nur die internen Pull-ups im ATmega8 verwenden möchten, beachten Sie, dass diese bis zu 50.000 Ohm betragen können. Das ist eine ziemlich hohe Impedanz, um ein 20-Meter-Kabel aufzuhängen, und es scheint, als würde es nur nach Rauschproblemen fragen. Sie sagen auch nicht, welche Art von Kabel Sie verwenden (Twisted-Pair, abgeschirmt usw.) oder in welcher Umgebung es voraussichtlich funktionieren wird.

Ich würde seinen Vorschlag noch weiter verfolgen und nicht nur einen RC-Filter darauf setzen, sondern wenn ich meinen Mikroprozessor in die Luft jagen würde (was mir normalerweise wichtig ist), würde ich einen externen Puffer darauf setzen. Die ATmega8 GPIO-Pins haben zwar einige hundert Millivolt Hysterese, aber mit einem so langen Kabel können Sie immer noch Rauschprobleme haben, selbst wenn Sie nichts beschädigen. Mit einem externen Empfänger können Sie auch die Spannungsschwellen anpassen, um die beste Störfestigkeit zu erzielen, ohne von den Eingangseigenschaften des uP abhängig zu sein.

Obwohl Sie einige Missverständnisse haben, werde ich zuerst auf die Schaltung eingehen.
Bei Verwendung der DrFriedParts-Schaltung beträgt der äquivalente Widerstand jedes 20 m langen Kabels etwa 2 Ohm. Dies bedeutet, dass Sie sicher einen 1k Ohm Pull-Up-Widerstand verwenden können.
Ich stimme anderen darin zu, dass HF-Rauschen Ihr schlimmstes Problem sein könnte. Sie sollten mindestens einen abgeschirmten Twisted-Pair-Draht verwenden, dessen Abschirmung mit der Leiterplattenmasse verbunden ist .

In Bezug auf "Spannungsabfall-Effekte unter Erdschluss" müssen Sie zwischen Erdungsreferenz und Erdungskabel unterscheiden.
"Erdungsreferenz" ist normalerweise der negativste Punkt einer Schaltung.
"Erdungskabel" ist ein Kabel, das mit der Erdungsreferenz verbunden ist.

Wie auf DrFriedParts Schaltung zu sehen ist, geht der Draht von dem Schalter auf „Massebezug“ ist der als Erdungsdraht , wobei der Draht von dem Schalter zu gehen GPIO wird der hohe Draht betrachtet. Es gibt keinen Unterschied zwischen den Drähten. Sie sind beide 20 m lang und haben jeweils einen Widerstand von ca. 2 Ohm. Wenn also 50 mA Strom fließen, fällt an jedem der Drähte ein Spannungsabfall von 0,1 Volt ab . Dies zeigt, dass Erdungskabel wie jedes andere Kabel "Spannungsabfälle erleiden".

Wenn der Schalter geöffnet ist, ist der GPIO "hoch" (höher als 3 V), und wenn der Schalter geschlossen ist, ist der GPIO "niedrig" (weniger als 0,2 V).