Мікроконтролерний вимірник ємності конденсаторів. Схема, опис

Безкоштовна технічна бібліотека

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Схеми радіоелектронних та електротехнічних пристроїв

Мікроконтролерний вимірник ємності конденсаторів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Вимірювальна техніка

Коментарі до статті

В основу роботи пристрою закладено відомий метод виміру тривалості зарядки та розрядки конденсатора від джерела напруги через резистор відомого опору. Діапазон вимірюваних значень ємності – від 1 нФ до 12000 мкФ. Він розділений на два піддіапазони, які умовно названі "нФ" та "мкФ". Для вимірювання ємності конденсаторів без їх випоювання з плати необхідна мала амплітуда напруги на конденсаторі, щоб цьому процесу не заважали переходи р-n напівпровідникових приладів, тому зразкове джерело має напругу 0,5 В.

Схема пристрою показано на рис. 1.

Мікроконтролерний вимірник ємності конденсаторів
Рис. 1

Основну "роботу" виконує мікроконтролер DD1. Синхронізація роботи його вузлів здійснюється від вбудованого генератора із зовнішнім кварцовим резонатором ZQ1. У складі мікроконтролера DD1 є аналоговий компаратор, який використаний для контролю за напругою зарядки та розрядки вимірюваного конденсатора. Входи компаратора з'єднані з портами РВО, РВ1. Вимірюваний конденсатор підключають до гнізда XS1, XS2, і напругами високого або низького рівня з порту РВЗ через резистивний дільник R1-R3R7R10 здійснюється його зарядка і розрядка. Контакти перемикача SA1.1 шунтують резистор R2 межі "мкФ", збільшуючи значення як зарядного, і розрядного струму. Контакти перемикача SA1.2 на піддіапазоні "нФ" з'єднують лінії PD1 та PD3 через резистор R19, що фіксується мікроконтролером DD1 як встановлення цього піддіапазону. Резистивний дільник R9R6 при напрузі високого рівня на лінії РВ2 формує на резисторі R6 зразкову напругу 0,316 для інвертуючого входу вбудованого компаратора (лінія РВ1), яке є пороговим для зарядки вимірюваного конденсатора.

При перекладі лінії РВ2 у високо-імпедансний стан зразкова напруга відключається і вхід компаратора буде підключений через резистор R6 і гніздо XS2 до конденсатора, що вимірюється - це "загальний" висновок конденсатора, що забезпечує фіксацію нульової напруги на конденсаторі при його розрядці. Напруга з конденсатора через резистор R4 надходить інший вхід компаратора (лінія РВО). Ланцюг C3R5, підключений паралельно входам компаратора, сприяє зниженню "цифрового" шуму. Ланцюг R8VD5 "допоможе" мікроконтролеру DD1 визначити, чи підключений до гнізд XS1, XS2 конденсатор або вони замкнуті.

Ще одне джерело зразкової напруги, щодо якого вимірюються, зібраний на ОУ DA2. Дільник R27R29 формує напругу близько 2,5, воно надходить на ОУ DA2, що виконує роль буферного підсилювача.

Висновок результатів вимірювання мікроконтролер здійснює на світлодіодні семіелементні індикатори HG1-HG3 динамічному режимі з періодичністю близько 20 мс. Комутація анодів індикаторів здійснюється транзисторами VT1, VT3, VT4, але в їх катоди сигнали у відповідному коді надходять з ліній PD0-PD6 через резистори R12-R18. Коди зберігаються в пам'яті мікроконтролера DD1 і заносяться до неї на етапі програмування. "Запалювання" на індикаторах десяткової точки здійснюється через лінію РВ4 та резистори R11, R21.

Ця ж лінія використовується для формування імпульсних сигналів 34, що надходять на акустичний пьезоизлучатель НА1 через резистор R24.

Живлення пристрою здійснюється від батареї, що складається з двох Ni-Cd акумуляторів типорозміру АА із загальною напругою 2,4, яке перетворювачем DA1 підвищується до стабілізованого 5 В для живлення мікроконтролера DD1 і джерела зразкового напруги на ОУ DA2. Конденсатор С7 - резистивний дільник R23R25, що згладжує, задає нижню межу напруги акумуляторної батареї. При його зниженні до 2...2,1 на виході LBO (висновок 2) перетворювача DA1 формується напруга низького рівня, яке через резистори R33 і R12 надходить на лінію PD0 (висновок 2) мікроконтролера DD1. При черговому опитуванні цієї лінії мікроконтролер DD1, виявивши низький рівень, зупиняє роботу основної програми, відключає світлодіодний індикатор, генерує тривалий сигнал, що надходить на акустичний випромінювач НА1, і переходить в "сплячий" економічний режим, з якого він виходить тільки при відключенні напруги живлення і подальшому його підключенні.

Для захисту мікроконтролера та інших елементів пристрою від напруги зарядженого вимірюваного конденсатора застосовано вузол активного захисту, що складається з діодного мосту VD6, транзистора VT2 та світлодіода HL1. При підключенні зарядженого конденсатора, напруга на якому перевищує 4...5, через світлодіод HL1 протікає струм, що відкриває транзистор VT1. У цьому випадку більша частина напруги конденсатора прикладена до резистори R3, R7 - відбувається розрядка цього конденсатора. Як додатковий захист лінії РВЗ мікроконтролера DD1 застосовані діоди VD3, VD4 та резистор R10, а лінії РВО - VD1, VD2 та R4. Для програмування мікроконтролера до вилки ХР1 підключають програматор.

У пристрої використані резистори МЛТ, ОМЛТ з допуском не більше 5 %, оксидні конденсатори – К53-16, інші – К10-17, КМ, КД, кварцовий резонатор – НС-49, дроселі L1, L2 – ELC06D фірми Panasonic. Вилка ХР1 є частиною розетки ЮС-10. Такі вилки продаються в магазинах радіодеталей у вигляді лінійок, від них відокремлюють необхідну кількість контактів. Перемикач SA1 - будь-який малогабаритний двигун на два напрямки і два положення, бажано в металевому корпусі, наприклад В1561, що дозволить закріпити його на платі пайкою. П'єзо-випромінювач НА1 – п'єзокерамічний FML-15T-7.9F1-50 з резонансною частотою близько 8 кГц. Як XS1-XS3 застосовані контакти із внутрішнім діаметром 1,5 мм (вони припаяні до контактних майданчиків на платі) від розібраного роз'єму РГ4Т. Для вимірювань окремих конденсаторів використані затискачі "крокодил", які припаяні до вилок, що підключаються до гнізда XS1, XS2 "Сх", а для вимірювання впаяних конденсаторів застосовують сполучні екрановані дроти, екрани яких з'єднані з вилкою, що підключається до гнізда XS3 "Загальний". Необхідно пам'ятати, що вимірювальний кабель вносить додаткову похибку при вимірюванні конденсаторів із малою ємністю.

Для приладу використано пластмасовий корпус від калькулятора БЗ-26, його відсік живлення був зменшений для розміщення двох акумуляторів. З внутрішньої сторони корпус обклеєний екраном із тонкої алюмінієвої фольги. Для контакту з цим екраном використані пружні посріблені пластини, які припаяні до загального дроту на платі. Штатний вимикач живлення калькулятора використаний для увімкнення живлення приладу, а гніздо блоку живлення – для підключення зарядного пристрою. Блок живлення БП2-1М від калькулятора перероблений під зарядний пристрій акумуляторної батареї. Для цього в плюсову лінію живлення встановлюють два резистори та світлодіод (рис. 2). За яскравістю світла цього світлодіода можна судити про рівень зарядженості акумуляторної батареї.

Мікроконтролерний вимірник ємності конденсаторів
Рис. 2

Креслення друкованої плати із двосторонньо фольгованого склотекстоліту показано на рис. 3-5. Не вдалося обійтися без застосування перехідних отворів, особливо у цифрових індикаторів. Тому при монтажі в першу чергу слід встановити і запаяти в перехідні отвори дротяні перемички і потім виконати монтаж інших елементів. Висновки деяких елементів також використовуються як перехідні перемички, тому необхідна їх паяння з обох сторін плати. З боку установки більшості елементів (рис. 4) залишено ділянку фольги, з'єднаний із загальним проводом, який ускладнює пайку елементів, але підвищує надійність роботи пристрою. Отвори для висновків елементів, не з'єднаних із загальним проводом, на цій ділянці зенкуют (на рис. 4 зенковка не показана).

Мікроконтролерний вимірник ємності конденсаторів
Рис. 3

Мікроконтролерний вимірник ємності конденсаторів
Рис. 4

Мікроконтролерний вимірник ємності конденсаторів

З'єднання елементів R4, C3, VD1, VD2 та виведення 12 мікроконтролера DD1 необхідно виконати навісним монтажем. При установці мікроконтролера на плату цей висновок слід відігнути, резистор R4 встановити перпендикулярно платі, пропаяв його висновок з боку установки гнізда XS1, до іншого висновку резистора припаяти луджену дротяну перемичку, що йде до висновку 12 мікроконтролера DD1, і вже потім до цієї перемички C3, VD1 та VD2.

Для вимірювання конденсатор підключають до гнізд "Сх". Мікроконтролер, виявивши підключений конденсатор, почне процес вимірювання його ємності, при цьому світитиме десяткова точка на індикаторі HG3. Після закінчення процесу результат виводиться на світлодіодні індикатори, потім символи одиниць виміру. При підключеному конденсаторі процес вимірювання періодично повторюватиметься. З метою економії енергії акумуляторної батареї, яка максимально витрачається під час індикації результатів, необхідно своєчасно відключати вимірюваний конденсатор. Якщо при увімкненні приладу або під час його роботи залунає довгий звуковий сигнал без увімкнення індикації, потрібно зарядити акумулятор.

Для відображення одиниць виміру використані символи: "nF" - нанофара-ди; "nF" - мікрофаради; "nnF"-тисячі мікрофарад.

Для відображення різних ситуацій, що вимагають виконання будь-яких дій, разом із звуковою індикацією застосовані символи:
"ссс" - конденсатор, що вимірюється, має залишковий заряд, його необхідно відключити і повністю розрядити до повторного вимірювання;
"ггг" - замикання у вимірювальному ланцюзі, необхідно переконатися у відсутності випадкового замикання вимірювальних гнізд (проводів) чи перевірити вимірюваний конденсатор на пробій;
"ппп" - ємність конденсатора виходить за межі діапазону вимірювання, необхідно вибрати інший піддіапазон або переконатися, що очікувана ємність конденсатора, що вимірювається, відповідає вимірювальним можливостям пристрою;
"---" - втрата значень поправочних коефіцієнтів, необхідне повторне завантаження.

При підключенні зарядженого конденсатора з напругою більше 4...5 включається система захисту і спалахує світлодіод HL1. Мікроконтролер виявить заряджений конденсатор і повідомить про це світлову та звукову індикацію, але з деякою затримкою. Тому при підключенні вимірюваного конденсатора необхідно стежити за індикатором захисту та негайно відключати такий конденсатор. Під час проведення вимірювань слід пам'ятати, що до пристрою не можна підключати конденсатор, заряджений до напруги понад 100 В.

У пристрої немає режиму самокалібрування. Тому використана більш трудомістка, але, на думку автора, більш надійна процедура встановлення поправочних коефіцієнтів за допомогою програматора, яка може проводитися як на етапі виготовлення, так і після його ремонту або при виникненні похибки вимірювання. Для цієї роботи можна використовувати будь-який доступний засіб програмування мікроконтролерів ATMEL.

Насамперед, використовуючи, наприклад, програму " Блокнот " в ОС WINDOWS, відкривають файл cmetr.eep і переконуються, що третій рядок має вигляд

:0C002000FFFF00FFFF00FFFF00FFFF00DC

Тут у першому байті вказано кількість байтів даних у рядку. Наступні два байти - адреса осередку пам'яті, у якій зберігається перший байт даних рядка, четвертий байт - службовий. Потім йдуть дванадцять байтів даних, і останній байт - контрольна сума. Тепер можна завантажити файли cmetr.hex і cmetr.eep в пам'ять мікроконтролера наявними програмними та апаратними засобами. Якщо все зроблено правильно, при включенні пристрою зазвучить короткий звуковий сигнал і пройде тест цифрових індикаторів - зсув цифри 8 по всіх розрядах. Потім індикатори згаснуть, і вимірювач очікуватиме підключення конденсатора, подаючи короткі звукові сигнали з періодом прямування близько 4 с.

Після перевірки працездатності пристрою необхідно визначити поправочні коефіцієнти двох піддіапазонів. Для цього будуть потрібні зразкові конденсатори (Зібр). бажано з малими втратами. Наприклад, для піддіапазону "мкФ" підійде конденсатор ємністю 100 мкф. Якщо такої можливості немає, слід вибрати неполярний конденсатор з ємністю не менше 10 мкФ.
Припустимо, що з підключення зразкового конденсатора ємністю 100 мкФ показання приладу становлять 106 мкФ (Сх). Значення поправочного коефіцієнта визначають за формулою К = Сх/(Зібр - Сх) = 106/(100 - 106) = -17,66. Приймаємо значення К = -18. У піддіапазоні "нФ" як зразкові можна використовувати більш доступні конденсатори К71, К73 ємністю близько 0,1 мкФ. Припустимо, що виміряне пристроєм значення зразкової ємності (0,1 мкФ) становить 99,7 нФ, тоді поправочний коефіцієнт дорівнюватиме: К = 99,7 / / (100 - - 99,7) = 332,3. Приймаємо К = 332.

Отримані значення коефіцієнтів переводять у шістнадцятковий вигляд, вони будуть 12Н та 14СН відповідно. Немає суперечності в тому, що чим менше похибка виміру, тим більший поправочний коефіцієнт, просто такий алгоритм обчислення поправки. Тепер необхідно повернутися до опису процесу програмування та у файлі cmetr.eep у третьому рядку замінити значення дванадцяти байтів даних, щоб рядок мав вигляд

:0C0020001200FF1200FF4C01004C010064

Перші шість байтів даних містять продубльовану інформацію про коефіцієнт для піддіапазону "мкФ", далі йдуть шість байт (також продубльовані) для піддіапазону "нФ". Причому перші два байти - чисельне значення коефіцієнта, а третій свідчить про його знак. Наприклад, на піддіапазоні "мкФ" отримано негативне значення коефіцієнта, тому третій і шостий байти даних містять число FF, що "повідомляє" мікроконтролера про необхідність віднімання поправочного коефіцієнта. Для піддіапазону "нФ" коефіцієнт позитивний, тому дев'ятий та дванадцятий байти містять число 00, це означає, що поправочний коефіцієнт потрібно додавати.

Тепер слід підрахувати значення контрольної суми у цьому рядку. Зробити це можна за допомогою спеціалізованих програм або інженерного калькулятора ОС WINDOWS у режимі Hex. Для цього необхідно скласти всі байти цього рядка, включаючи байт числа байтів даних у рядку, два байти адреси комірки і всі байти даних, потім визначити, яке число потрібно додати до цієї суми, щоб молодший байт результату дорівнював нулю. Це і буде контрольної сумою, у наведеному вище прикладі вийде 64н. Потім слід виконати стирання інформації в пам'яті мікроконтролера та повторне завантаження файлів cmetr hex та cmetr.eep. Вимірюючи зразкові конденсатори, переконуються у правильній установці поправочних коефіцієнтів.

При вимірюванні необхідно враховувати, що в піддіапазоні "нФ" ємність вимірюваного конденсатора не повинна перевищувати 12 мкФ, в піддіапазоні "мкФ" - 12000 мкФ, а вимірювання конденсаторів ємністю менше 1000 пФ має наближений характер, оскільки позначається ємність.

Програму мікроконтролера вимірювача ємності можна завантажити звідси.

Автор: А. Димов, м. Оренбург; Публікація: radioradar.net

Дивіться інші статті розділу Вимірювальна техніка.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Ректальний джойстик 11.05.2020

Тепер людина може керувати роботами та іншими пристроями за допомогою свого сфінктера. Можна, звичайно, посміятися з ректального джойстика, але він дозволить деяким людям, у яких немає можливості керувати електронними пристроями голосом або за допомогою жестів, все одно взаємодіяти з ними.

"B-hind (співзвучно англ. Behind - ззаду) пропонує унікальне рішення в галузі Інтернету речей (IoT) - інтеграцію м'язів сфінктера у повсякденне життя, - йдеться в описі технології. - Революційний інтерфейс на основі анального електрода замінює способи звичайної взаємодії з пристроєм на основі голосу і жестів, забезпечуючи цифрове управління, заснований на м'язах, що усередині тіла".

Будучи першим (і поки що єдиним) подібним пристроєм, B-hind, розроблене дизайнером Дані Плоєгером, засноване на анальному електроді Anuform, що використовується для "стимуляції м'язів анального сфінктера і м'язів тазового дна для їх зміцнення. Дизайнер вивчив види скорочення м'язів і перевів їх у команди для робота.

Інші цікаві новини:

▪ Онлайн-навчання ефективніше традиційного

▪ Кристал, що очищає повітря від вуглекислого газу

▪ Loon від Google - система глобального доступу до Інтернету

▪ Геном людини очищений від ВІЛ

▪ Тонометр працює від дотику

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Блискавкозахист. Добірка статей

▪ стаття Не думай про секунди зверхньо. Крилатий вислів

▪ стаття Коли почалося і закінчилося Середньовіччя? Детальна відповідь

▪ стаття Галаганія пахуча. Легенди, вирощування, способи застосування