Prototyp eines Kapazitätsmessgerätes

El siguiente artículo nos fue enviado por el lector Miguel Torres Gordo. ¡Diviértase leyendo y replicando!

Este es el prototipo para medir la capacitancia de un condensador con ATMega328p. Como la mayoría sabe, los pines digitales del microcontrolador tienen un voltaje de salida de 5 voltios. Utilizaremos este voltaje y la función ADC de los pines analógicos para realizar los cálculos necesarios y, por lo tanto, determinar la capacitancia de los condensadores.

Primero, un breve detalle sobre la carga de los condensadores. El circuito más sencillo para cargar un condensador y su curva de carga son:

Panel de interruptores y curva de carga.

Cuando conectamos un condensador al voltaje, podemos determinar el tiempo que tarda en cargarse hasta el 63,2% del voltaje de alimentación mediante la ecuación

T = R * C

donde T es la constante de tiempo constante en segundos, R es la resistencia en Ohmios del circuito y C es el valor del condensador en faradios.

¿Cómo puede entonces determinar el tiempo que se tarda en cargar hasta el 63.2%? La respuesta es: con la ayuda del ADC en los puertos analógicos, ya que el 63,2% de 5 voltios es 3,16 voltios. El circuito simplificado es:

Circuito simplificado

El proyecto cuenta con un interruptor para seleccionar la medición de condensadores en los rangos μF-nF o nF-pF, así como una pantalla OLED para la visualización de las mediciones.

Materiales

Circuito del proyecto

Circuito

Circuito de medición para valores altos (F-nF), selección del Pin D6 con el interruptor

Comenzamos a cargar el condensador con el pin A2 a través de la resistencia 10K, al mismo tiempo iniciamos un temporizador y medimos el voltaje en el pin A0. Sabemos que el voltaje suministrado por los pines es de 5 V. Así que, con el ADC sabemos que 5 V es igual al valor digital 1023 y 63,2% de 5 V es igual a 3,16 V, que es igual al valor 648. Cuando la lectura del pin A0 alcanza el valor 648, establecemos la fuente de alimentación y detenemos el temporizador. A continuación, divide el tiempo utilizado por la resistencia de 10K para determinar el valor del condensador, y luego el condensador se descarga.

Circuito de medición para valores pequeños (nF-pF), selección del pin D5 con el interruptor

Para los valores bajos, utilizamos la carga medida en los pines A3 y A0 respectivamente. Aplicamos el voltaje de 5 V al pin A3 a través de la resistencia de 220 Ohmios y empezamos a cargar el condensador. Utilizamos el ADC del pin A0. Si el valor es inferior a 976, significa que el valor del condensador está en el rango de los pF. Realizamos los cálculos necesarios con el rango de medición y error de la resistencia interna del Nano V3.0 con la resistencia externa.

Si el valor en A0 es mayor que 976, entonces configuramos el pin A0 para suministrar 5 V a la salida y el pin A3 para leer el voltaje. Contamos el tiempo en microsegundos y si en un tiempo de 400 ms el voltaje no alcanza los 5 V, realizamos los cálculos de la capacitancia del condensador con el valor de la resistencia pull-up interna, la medición del tiempo y el valor de conversión del ADC de la medida de voltaje en A3. Si el resultado del valor es mayor que 1000, la medición se realiza en μF, si es menor, se lleva a cabo en pF.

Código fuente

Siga el código fuente del sketch para el Arduino IDE (Descargar):

 / * Miguel Torres Gordo - Medidor de Capacitencia * /
 
 // Configuración de pantalla OLED
 #include
 #include
 #include
 # INCLUYE
 
 #define screen_width 128       // Pantalla de ancho OLED
 #define screen_height 32       // Pantalla de altura OLED
 
 // adafruit_ssd1306 objeto de clase
 Adafruit_ssd1306 monitor(Screen_width, Screen_height, &Cable, -1); // -1 si compartir el PIN de restablecimiento de Arduino
 
 // Cambiar para seleccionar valores para medir
 En t Scalepf=5;
 En t Scalenf=6;
 
 // valores altos //
 #define analogpin a0
 #define carepin a2
 #define warkpin a1
 #define resistorvalue 10000.0f // valor de resistencia 10k para cargar al condensador
 
 no firmado largo hora de inicio;
 no firmado largo tiempo transcurrido;
 flotador microfaradas;                
 flotador nanofarads;
 
 // valores bajos //
 const En t OUT_PIN = A3;
 const En t In_pin = A0;  
 const flotador In_stray_cap_to_gnd = 50.28;     // valor con 220 resistencias
                                               
 const flotador In_cap_to_gnd  = In_stray_cap_to_gnd;
 const flotador R_pullup = 30.0;  
 const En t Max_adc_value = 1023;
 
 vacío configuración() {
   De serie.empezar(9600);
   demora(100);
   De serie.imprimir("Inicializando la pantalla OLED");
 
   // Iniciar pantalla OLED en la dirección 0x3c
   si (!monitor.empezar(Ssd1306_switchcapvcc, 0x3c)) {
  De serie.imprimir(F("Pantalla Oled no encontrada"));
  por(;;); // no proceda, bucle para siempre
  }
 
   mono(Scalepf, APORTE);
   mono(Scalenf, APORTE);
 
   mono(OUT_PIN, PRODUCCIÓN);
   mono(In_pin, PRODUCCIÓN);
   mono(composición, PRODUCCIÓN);    
 }
 
 vacío círculo() {
 
   / *************************** Altos valores: escala 4F - 100nf ***************** ************************* /
 
   si (lectura digital(Scalenf)) {
   
     mono(OUT_PIN, PRODUCCIÓN);
     escritura digital(OUT_PIN, BAJO);         // A3 como GND
     mono(analogpin, APORTE);           // A0 leer el voltaje
   
     escritura digital(composición, ELEVADO);  
     hora de inicio = micros();
 
     tiempo (analógrafo(analogpin) < 648) {   }     // el condensador está cargando
 
     tiempo transcurrido = micros() - hora de inicio;
     microfaradas = ((flotador)tiempo transcurrido / Resistencia);
     
     si (microfaradas > 1) {
 
    monitor.cleardisplay();                                 // buffer limpio
    monitor.SetTextsize(1);                                 // Tamano del texto
    monitor.SetTEXTCOLOR(Ssd1306_white);                   // texto de color
    monitor.setcursor(1, 2);                               // Posición de texto
    monitor.imprimir("Escala: 4f-100nf");
    monitor.setcursor(1, 12);
    monitor.imprimir(microfaradas);
    monitor.setcursor(50, 12);
    monitor.imprimir("UF");
    monitor.monitor();                                     // mostrar texto en pantalla
    demora(500);
 
    } demás {
 
    nanofarads = microfaradas * 783;
    monitor.cleardisplay();                                 // buffer limpio
    monitor.SetTextsize(1);                                 // Tamano del texto
    monitor.SetTEXTCOLOR(Ssd1306_white);                   // texto de color
    monitor.setcursor(1, 2);                                      // Posición de texto
    monitor.imprimir("Escala: 4f-100nf");
    monitor.setcursor(1, 12);
    monitor.imprimir(nanofarads);
    monitor.setcursor(50, 12);
    monitor.imprimir("NF");
    monitor.monitor();                                     // mostrar texto en pantalla
    demora(500);
 
    }
   
     escritura digital(composición, BAJO);            
     mono(farol, PRODUCCIÓN);            
     escritura digital(farol, BAJO);         // descargar el condensador
   
     tiempo (analógrafo(analogpin) > 0) {   }     // espera hasta que el Capacitor sea descargado
 
     mono(farol, APORTE);             // Esto establece el PIN a alta impedancia
   
     monitor.SetTextsize(1);                                 // Tamano del texto
     monitor.SetTEXTCOLOR(Ssd1306_white);                   // texto de color
     monitor.setcursor(1, 22);                               // Posición de texto
     monitor.imprimir("DESCARGA.....");     // Mensaje para mostrar
     monitor.monitor();                                     // mostrar texto en pantalla
     demora(1000);
 
   
  }
 
   / **************************** A escala de valores bajos 1nf - 1PF ***************** ************ /
 
   si (lectura digital(Scalepf)) {
     
     mono(composición, APORTE);
     mono(farol, APORTE);       // configurar puertos con alta impedancia porque no se usa
 
     mono(In_pin, APORTE);
     escritura digital(OUT_PIN, ELEVADO);
     En t Val = analógrafo(In_pin);
     escritura digital(OUT_PIN, BAJO);
 
     si (Val < 976) {
       
       mono(In_pin, PRODUCCIÓN);
 
       flotador capacidad = ((flotador)Val * In_cap_to_gnd / (flotador)(Max_adc_value - Val))/2;                        
           
       monitor.cleardisplay();                                 // buffer limpio
       monitor.SetTextsize(1);                                 // Tamano del texto
       monitor.SetTEXTCOLOR(Ssd1306_white);                   // texto de color
       monitor.setcursor(1, 2);                               // Posición de texto
       monitor.imprimir("Escala: 1nf-1pf"); // Mensaje para mostrar
       monitor.setcursor(1, 12); // Posición de texto
       monitor.imprimir(capacidad); // valor para mostrar
       monitor.setcursor(50, 12);
       monitor.imprimir("PF");
       monitor.monitor();                                     // mostrar texto en pantalla
       demora(200);
 
    } demás {
 
       mono(In_pin, PRODUCCIÓN);
       demora(1);
       mono(OUT_PIN, Input_pullup);
       no firmado largo u1 = micros();
       no firmado largo t;
       En t DigVal;
 
       hacer {
         DigVal = lectura digital(OUT_PIN);
         no firmado largo U2 = micros();
         t = U2 > u1 ? U2 - u1 : u1 - U2;
      } tiempo ((DigVal < 1) && (t < 400000l));
 
       mono(OUT_PIN, APORTE);
       Val = analógrafo(OUT_PIN);
       escritura digital(In_pin, ELEVADO);
       En t extravío = (En t)(t / 1000 l) * 5;
       
       demora(extravío);  
       
       mono(OUT_PIN, PRODUCCIÓN);  
       escritura digital(OUT_PIN, BAJO);
       escritura digital(In_pin, BAJO);
 
       flotador capacidad = -(flotador)t / R_pullup / Iniciar sesión(1.0 - (flotador)Val / (flotador)Max_adc_value);
       
       si (capacidad > 1000.0) {
         monitor.cleardisplay();                                 // buffer limpio
         monitor.SetTextsize(1);                                 // Tamano del texto
         monitor.SetTEXTCOLOR(Ssd1306_white);                   // texto de color
         monitor.setcursor(1, 2);                               // Posición de texto
         monitor.imprimir("Escala: 1nf-1pf");
         monitor.setcursor(1, 12);
         monitor.imprimir(capacidad/1000.0, 3);
         monitor.setcursor(50, 12);
         monitor.imprimir("UF");
         monitor.monitor();                                     // mostrar texto en pantalla
         
         demora(200);    
       
      } demás {
         monitor.cleardisplay();                                
         monitor.SetTextsize(1);                                
         monitor.SetTEXTCOLOR(Ssd1306_white);                  
         monitor.setcursor(1, 2);                              
         monitor.imprimir("Escala: 1nf-1pf");
         monitor.setcursor(1, 12);
         monitor.imprimir(capacidad, 3);
         monitor.setcursor(50, 12);
         monitor.imprimir("PF");
         monitor.monitor();                                    
         
         demora(200);
      }
    }        
     tiempo (micros() % 1000 != 0);
  }
 }

Fotos del proyecto

Estructura del proyecto

Polvo

47μf

47μF de descarga

100 μf

100 μF de descarga


Gracias a Miguel Torres Gordo por su contribución.

Para arduinoConceptos básicos electrónica

8 comentarios

Robert Baptist

Robert Baptist

Andreas, Vielen Dank fur die Antwort. und Grusse an Miguel.
RB

Andreas Wolter

Andreas Wolter

@Robert Baptist: ich habe das an den Autoren weitergegeben und folgendes von ihm zurück erhalten:

Der Wert 783 in der Skizze des Schaltungsaufbaus ist die Anpassung, die ich mit verschiedenen Werten vornehmen musste, um den richtigen Wert der Kondensatoren zu erhalten, da die Messwerte für Kondensatoren mit sehr niedrigen Werten in nF sind und die Toleranzen der elektronischen Komponenten es unmöglich machen, dass man Werte mit der idealen Umrechnung von 1 µF = 1000 nF erhält.

Der Wert der internen Pull-up-Widerstände des Arduino sind 10K, aber ich denke, worauf Sie sich beziehen, sind die Werte der Konstanten R_PULLUP = 30.0 und IN_STRAY_CAP_TO_GND = 50.28. Diese Werte werden verwendet, um die Berechnungen der Kondensatorwerte (mit dem Selektor für niedrige Kondensatorwerte) am ADC auzulesen mit der Spannungen an Pin A3 mit einem Serienwiderstand von 220 Ohm und A0.

Robert Baptist

Robert Baptist

Guten Tag.
Woher (und warum) kommt der Wert 783 in der Linie 92 nanoFarads = microFarads * 783 in diesem “Prototyp eines Kapazitätsmessgerätes” Projekt ? Warum nicht 1000?
Welche sind die Einheiten für den Pull-Widerstand und die parasitäre Kapazität ?Kohm und pF?
Danke fuer die Erklarung.

Andreas Wolter

Andreas Wolter

Danke für den Hinweis zum Schaltplan. Der wurde von uns aktualisiert.

Grüße,
Andreas Wolter

Andreas Wolter

Andreas Wolter

@Wolfgang Rind: ich vermute, dass die Bibliothek für das Display nicht installiert wurde. Dazu müssen Sie den Bibliothekenverwalter öffnen (Werkzeuge → Bibliotheken verwalten… oder STRG+UMSCHALT+i). In das Suchfeld SSD1306 eingeben und die Bibliothek Adafruit_SSD1306 installieren. Falls es nicht gleich automatisch mit installiert wird, muss auch Adafruit_GFX installiert werden. Dann sollte es funktionieren. Ich ergänze das im Beitrag.

Grüße,
Andreas Wolter

Wolfgang Rind

Wolfgang Rind

Hallo, Ursache gefunden, SSD1306 2.4.7 installiert und im Schaltplan ist die Verdrahtung vom Bereichs Schalter verkehrt, blau und braun sind vertauscht.

Wolfgang Rind

Wolfgang Rind

Hallo, habe den Sketch geladen, bei der Überprüfung kommt die Fehlermeldung:
exit status 1
‘SSD1306_WHITE’ was not declared in this scope
was muss ich Ändern?

DIYLAB

DIYLAB

Hallo zusammen,
hier wäre dann z.B. noch der größere Bruder dieses Projekts, ein LCR-Meter mit dem Nano:
https://github.com/gavinlyonsrepo/LCR_meter
Falls ihr eh beim Basteln seid ;)

Viele Grüße
DIYLAB
www.diylab.de

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