Измеритель емкости с использованием Arduino

Когда мы сталкиваемся с ранее разработанными печатными платами или вынимаем их из старого телевизора или компьютера в попытке отремонтировать. А иногда нам нужно знать емкость конкретного конденсатора на плате, чтобы устранить неисправность. Затем мы сталкиваемся с проблемой получения точного значения емкости конденсатора с платы, особенно если это устройство для поверхностного монтажа. У нас можно купить оборудование для измерения емкости, но все эти приборы дорогие и не для всех. Имея это в виду, мы собираемся разработать простой измеритель емкости Arduino для измерения емкости неизвестных конденсаторов.

Этот счетчик может быть легко изготовлен, а также экономичен. Мы собираемся сделать измеритель емкости с использованием Arduino Uno, триггера Шмитта и таймера 555 IC.

Обязательные компоненты:

555 таймер IC
IC 74HC14 Триггерный вентиль Шмитта или НЕ вентиль.
Резистор 1 кОм (2 шт.), Резистор 10 кОм
Конденсатор 100 нФ, конденсатор 1000 мкФ
ЖК-дисплей 16 * 2,
Макетная плата и некоторые разъемы.

Описание схемы:

Принципиальная схема измерителя емкости с использованием Arduino показана на рисунке ниже. Схема проста, ЖК-дисплей сопряжен с Arduino для отображения измеренной емкости конденсатора. Схема генератора прямоугольных импульсов (555 в нестабильном режиме) подключена к Arduino, где мы подключили конденсатор, емкость которого необходимо измерить. Триггерный вентиль Шмитта (IC 74LS14) используется для того, чтобы гарантировать, что только прямоугольная волна подается на Arduino. Для фильтрации шума мы добавили пару конденсаторов по питанию.

Эта схема может точно измерять емкости в диапазоне от 10 нФ до 10 мкФ.

Генератор прямоугольных сигналов на базе таймера 555:

Прежде всего, мы поговорим о генераторе прямоугольных импульсов на основе таймера 555, или, лучше сказать, 555 Astable Multivibrator. Мы знаем, что емкость конденсатора не может быть измерена непосредственно в цифровой цепи, другими словами, UNO имеет дело с цифровыми сигналами и не может измерять емкость напрямую. Поэтому мы используем схему генератора прямоугольных импульсов 555 для подключения конденсатора к цифровому миру.

Проще говоря, таймер обеспечивает выходной сигнал прямоугольной формы, частота которого напрямую влияет на подключенную к нему емкость. Итак, сначала мы получаем прямоугольный сигнал, частота которого представляет емкость неизвестного конденсатора, и подаем этот сигнал в UNO для получения соответствующего значения.

Общая конфигурация 555 в нестабильном режиме, как показано на рисунке ниже:

Частота выходного сигнала зависит от резисторов RA, RB и конденсатора C. Уравнение имеет вид, Частота (F) = 1 / (период времени) = 1,44 / ((RA + RB * 2) * C).

Здесь RA и RB - значения сопротивления, а C - значение емкости. Помещая значения сопротивления и емкости в приведенное выше уравнение, мы получаем частоту выходного прямоугольного сигнала.

Мы собираемся подключить 1 кОм как RA и 10 кОм как RB. Таким образом, формула становится такой:

Частота (F) = 1 / (период времени) = 1,44 / (21000 * C).

Переставляя термины, мы имеем

Емкость C = 1,44 / (21000 * F)

В нашем программном коде (см. Ниже) для точного получения значения емкости мы вычислили результат в нФ, умножив полученные результаты (в фарадах) на «1000000000». Также мы использовали «20800» вместо 21000, потому что точные сопротивления RA и RB составляют 0,98 кОм и 9,88 кОм.

Итак, если мы знаем частоту прямоугольной волны, мы можем получить значение емкости.

Триггерный вентиль Шмитта:

Сигналы, генерируемые схемой таймера, не могут быть полностью безопасными для прямой передачи на Arduino Uno. Помня о чувствительности UNO, мы используем триггерный вентиль Шмитта. Триггерный вентиль Шмитта представляет собой цифровой логический вентиль.

Этот вентиль обеспечивает ВЫХОД в зависимости от уровня входного напряжения. Триггер Шмитта имеет ПОРОГ напряжения, когда входной сигнал, подаваемый на затвор, имеет уровень напряжения выше, чем ПОРОГ логического элемента, ВЫХОД становится ВЫСОКИМ. Если уровень сигнала ВХОДНОГО напряжения ниже ПОРОГА, ВЫХОД затвора будет НИЗКИЙ. При этом мы обычно не получаем триггер Шмитта отдельно, у нас всегда есть вентиль НЕ, следующий за триггером Шмитта. Работа триггера Шмитта объясняется здесь: Триггер Шмитта.

Мы собираемся использовать микросхему 74HC14, в которой есть 6 триггерных вентилей Шмитта. Эти ШЕСТЬ ворот имеют внутреннее соединение, как показано на рисунке ниже.

Истина Таблица Перевернутый триггера Шмитта ворот это шоу в рисунке ниже, с этим мы должны запрограммировать UNO для инвертирования положительные и отрицательные периоды времени на своих терминалах.

Мы подключаем сигнал, генерируемый схемой таймера, к вентилю ST, у нас будет прямоугольная волна инвертированных периодов времени на выходе, которую безопасно передать в UNO.

Arduino измеряет емкость:

Uno имеет специальную функцию pulseIn , которая позволяет нам определять длительность положительного или отрицательного состояния конкретной прямоугольной волны:

Htime = pulseIn (8, HIGH); Ltime = pulseIn (8, LOW);

Функция pulseIn измеряет время, в течение которого высокий или низкий уровень присутствует на PIN8 Uno. Функция pulseIn измеряет это высокое время (Htime) и нижнее время (Ltime) в микросекундах. Когда мы складываем Htime и Ltime вместе, мы получим длительность цикла, а, инвертируя ее, мы получим частоту.

Когда у нас есть частота, мы можем получить емкость, используя формулу, которую мы обсуждали ранее.

Резюме и тестирование:

Таким образом, мы подключаем неизвестный конденсатор к схеме таймера 555, которая генерирует выходной сигнал прямоугольной формы, частота которого напрямую связана с емкостью конденсатора. Этот сигнал передается в UNO через шлюз ST. UNO измеряет частоту. Зная частоту, мы программируем UNO на расчет емкости по формуле, описанной ранее.

Посмотрим, какие у меня результаты, Когда я подключил электролитический конденсатор емкостью 1 мкФ, результат составил 1091,84 нФ ~ 1 мкФ. И результат с 0,1 мкФ полиэфирным конденсатором составляет 107,70 нФ ~ 0,1 мкФ.

Затем я подключил керамический конденсатор 0,1 мкФ, и результат составил 100,25 нФ ~ 0,1 мкФ. Также результат с электролитическим конденсатором 4,7 мкФ составляет 4842,83 нФ ~ 4,8 мкФ.

Таким образом, мы можем просто измерить емкость любого конденсатора.