Arduino CAP-ESR-FREQ Meter: 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

เครื่องวัด CAP-ESR-FREQ พร้อม Arduino Duemilanove

ในคำแนะนำนี้ คุณสามารถค้นหาข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมดเกี่ยวกับเครื่องมือวัดแสงตาม Arduino Duemilanove ด้วยเครื่องมือนี้ คุณสามารถวัดสามสิ่ง: ค่าตัวเก็บประจุในนาโนฟารัดและไมโครฟารัด ค่าความต้านทานแบบอนุกรมที่เทียบเท่า (ค่า ESR) ของตัวเก็บประจุ และความถี่สุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุดระหว่าง 1 เฮิร์ซถึง 3 เมกะเฮิร์ซ การออกแบบทั้งสามนั้นอิงตามคำอธิบายที่ฉันพบในฟอรัม Arduino และบน Hackerstore หลังจากเพิ่มการอัปเดตบางอย่างแล้ว ฉันรวมมันไว้ในเครื่องมือเดียว ควบคุมด้วยโปรแกรม Arduino ino เพียงโปรแกรมเดียว เลือกมิเตอร์ที่ต่างกันโดยใช้สวิตช์เลือกตำแหน่งสามตำแหน่ง S2 ซึ่งเชื่อมต่อกับพิน A1, A2 และ A3 การรีเซ็ตค่าศูนย์ ESR และการเลือกมิเตอร์ทำได้โดยใช้ปุ่มกด S3 เพียงปุ่มเดียวบน A4 สวิตช์ S1 เป็นสวิตช์เปิด/ปิดไฟ ซึ่งจำเป็นสำหรับพลังงานแบตเตอรี่ 9 V DC เมื่อไม่ได้เชื่อมต่อมิเตอร์กับพีซีผ่าน USB หมุดเหล่านี้ใช้สำหรับอินพุต:A0: อินพุตค่า esr A5: อินพุตตัวเก็บประจุ D5: ความถี่ ป้อนข้อมูล.

เครื่องวัดนี้ใช้จอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) ที่ใช้ชิปเซ็ต Hitachi HD44780 (หรือที่เข้ากันได้) ซึ่งพบได้ใน LCD แบบข้อความส่วนใหญ่ ไลบรารีทำงานในโหมด 4 บิต (เช่น ใช้สายข้อมูล 4 สายนอกเหนือจากสายควบคุม rs, enable และ rw) ฉันเริ่มโครงการนี้ด้วยจอ LCD ที่มีสายข้อมูลเพียง 2 เส้น (การเชื่อมต่อ SDA และ SCL I2C) แต่น่าเสียดายที่สิ่งนี้ขัดแย้งกับซอฟต์แวร์อื่นที่ฉันใช้สำหรับมิเตอร์ ก่อนอื่นฉันจะอธิบายเขาสามเมตรที่แตกต่างกันและในที่สุดคำแนะนำในการประกอบ ด้วยมาตรวัดแต่ละประเภท คุณสามารถดาวน์โหลดไฟล์ Arduino ino แยกกันได้ หากคุณต้องการติดตั้งมิเตอร์เฉพาะประเภทนั้นเท่านั้น

ขั้นตอนที่ 1: เครื่องวัดตัวเก็บประจุ

มิเตอร์ตัวเก็บประจุแบบดิจิตอลได้รับการออกแบบโดย Hackerstore การวัดค่าของตัวเก็บประจุ:

ความจุเป็นตัววัดความสามารถของตัวเก็บประจุในการเก็บประจุไฟฟ้า มิเตอร์ Arduino อาศัยคุณสมบัติพื้นฐานของตัวเก็บประจุเหมือนกัน นั่นคือ ค่าคงที่เวลา ค่าคงที่เวลานี้ถูกกำหนดเป็นเวลาที่ใช้สำหรับแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุถึง 63.2% ของแรงดันไฟฟ้าเมื่อชาร์จเต็ม Arduino สามารถวัดความจุได้เนื่องจากเวลาที่ตัวเก็บประจุใช้ในการชาร์จนั้นสัมพันธ์โดยตรงกับความจุโดยสมการ TC = R x C TC คือค่าคงที่เวลาของตัวเก็บประจุ (เป็นวินาที) R คือความต้านทานของวงจร (เป็นโอห์ม) C คือความจุของตัวเก็บประจุ (ใน Farads) สูตรหาค่าความจุใน Farads คือ C = TC/R

ในมิเตอร์นี้ สามารถตั้งค่า R สำหรับการสอบเทียบระหว่าง 15kOhm และ 25 kOhm ผ่าน potmeter P1 ตัวเก็บประจุถูกชาร์จผ่านพิน D12 และคายประจุสำหรับการวัดครั้งต่อไปผ่านพิน D7 ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จถูกวัดผ่านพิน A5 ค่าแอนะล็อกแบบเต็มบนพินนี้คือ 1023 ดังนั้น 63.2% จะถูกแทนด้วยค่า 647 เมื่อถึงค่านี้ โปรแกรมจะคำนวณค่าตัวเก็บประจุตามสูตรที่กล่าวถึงข้างต้น

ขั้นตอนที่ 2: เครื่องวัด ESR

ดูคำจำกัดความของ ESR

ดูหัวข้อฟอรัม Arduino ดั้งเดิม https://forum.arduino.cc/index.php?topic=80357.0ขอบคุณ szmeu สำหรับการเริ่มต้นหัวข้อนี้ และ mikanb สำหรับการออกแบบ esr50_AutoRange ของเขา ฉันใช้การออกแบบนี้ รวมทั้งความคิดเห็นและการปรับปรุงส่วนใหญ่สำหรับการออกแบบเครื่องวัด esr ของฉัน

อัปเดตพฤษภาคม 2021: เครื่องวัด ESR ของฉันทำงานผิดปกติในบางครั้ง ฉันใช้เวลามากในการหาเหตุผลแต่หาไม่เจอ การตรวจสอบหน้าฟอรัม Arduino ดั้งเดิมตามที่กล่าวไว้ข้างต้นอาจเป็นวิธีแก้ปัญหา….

Equivalent Series Resistance (ESR) คือความต้านทานภายในที่ปรากฏเป็นอนุกรมพร้อมกับความจุของอุปกรณ์ สามารถใช้เพื่อค้นหาตัวเก็บประจุที่ผิดพลาดในระหว่างการซ่อมแซม ไม่มีตัวเก็บประจุใดที่สมบูรณ์แบบ และ ESR มาจากความต้านทานของสายนำ อะลูมิเนียมฟอยล์ และอิเล็กโทรไลต์ มักเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ โดยที่ ESR ของตัวเก็บประจุเอาท์พุตอาจส่งผลต่อความเสถียรของตัวควบคุม เป็นคุณลักษณะที่ไม่เหมาะอย่างหนึ่งของตัวเก็บประจุซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาด้านประสิทธิภาพที่หลากหลายในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ค่า ESR ที่สูงจะทำให้ประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากการสูญเสียพลังงาน เสียง และแรงดันไฟฟ้าตกที่สูงขึ้น

ในระหว่างการทดสอบ กระแสที่ทราบจะถูกส่งผ่านตัวเก็บประจุในช่วงเวลาสั้น ๆ ดังนั้นตัวเก็บประจุจึงไม่ชาร์จจนเต็ม กระแสสร้างแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุ แรงดันไฟฟ้านี้จะเป็นผลคูณของกระแสและ ESR ของตัวเก็บประจุบวกกับแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยเนื่องจากประจุขนาดเล็กในตัวเก็บประจุ เนื่องจากทราบกระแส ค่า ESR จึงคำนวณโดยการหารแรงดันไฟที่วัดได้ด้วยกระแส ผลลัพธ์จะปรากฏบนจอแสดงผลมิเตอร์ กระแสทดสอบถูกสร้างขึ้นผ่านทรานซิสเตอร์ Q1 และ Q2 ค่าของมันคือ 5mA (การตั้งค่าช่วงสูง) และ 50mA (การตั้งค่าช่วงต่ำ) ผ่าน R4 และ R6 การปลดจะดำเนินการผ่านทรานซิสเตอร์ Q3 แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุวัดผ่านอินพุตแบบอะนาล็อก A0

ขั้นตอนที่ 3: เครื่องวัดความถี่

ดูข้อมูลต้นฉบับในฟอรัม Arduino:https://forum.arduino.cc/index.php?topic=324796.0#main_content_section.ขอบคุณ arduinoaleman สำหรับการออกแบบเครื่องวัดความถี่ที่ยอดเยี่ยมของเขา

ตัวนับความถี่ทำงานดังนี้ 16 บิต Timer/Counter1 จะเพิ่มนาฬิกาทั้งหมดที่มาจากพิน D5 ตัวจับเวลา/ตัวนับ2 จะสร้างการขัดจังหวะทุกๆ มิลลิวินาที (1000 ครั้งต่อวินาที) หากมีโอเวอร์โฟลว์ใน Timer/Counter1, overflow_counter จะเพิ่มขึ้นหนึ่งรายการ หลังจาก 1,000 อินเตอร์รัปต์ (= หนึ่งวินาที) จำนวนโอเวอร์โฟลว์จะถูกคูณด้วย 65536 (นี่คือเมื่อตัวนับไหลผ่าน) ในรอบ 1000 ค่าปัจจุบันของตัวนับจะถูกเพิ่มเข้าไป ทำให้คุณมีจำนวนการติ๊กนาฬิกาทั้งหมดที่เข้ามาในช่วงวินาทีสุดท้าย และนี่ก็เทียบเท่ากับความถี่ที่คุณต้องการวัด (ความถี่ = นาฬิกาต่อวินาที) การวัดขั้นตอน (1000) จะตั้งค่าตัวนับและเริ่มต้น หลังจากนั้น วนรอบ WHILE จะรอจนกว่ารูทีนการขัดจังหวะบริการจะตั้งค่า Measurement_ready เป็น TRUE นี่คือหลังจาก 1 วินาที (1,000 มิลลิวินาทีหรือ 1,000 อินเตอร์รัปต์) สำหรับมือสมัครเล่น ตัวนับความถี่นี้ทำงานได้ดีมาก (นอกเหนือจากความถี่ที่ต่ำกว่า คุณจะได้รับความแม่นยำ 4 หรือ 5 หลัก) โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับความถี่ที่สูงขึ้น ตัวนับจะมีความแม่นยำมาก ฉันได้ตัดสินใจที่จะแสดงเพียง 4 หลัก อย่างไรก็ตาม คุณสามารถปรับค่านั้นได้ในส่วนเอาต์พุต LCD คุณต้องใช้ขา D5 ของ Arduino เป็นอินพุตความถี่ นี่เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการใช้ตัวจับเวลา 16 บิต/ตัวนับ 1 ของชิป ATmega (โปรดตรวจสอบพิน Arduino สำหรับบอร์ดอื่นๆ) ในการวัดสัญญาณแอนะล็อกหรือสัญญาณแรงดันต่ำ พรีแอมพลิฟายเออร์จะถูกเพิ่มด้วยทรานซิสเตอร์พรีแอมพลิฟายเออร์ BC547 และตัวสร้างพัลส์บล็อก (ชมิตต์ทริกเกอร์) ที่มี 74HC14N IC

ขั้นตอนที่ 4: การประกอบส่วนประกอบ

วงจร ESR และ CAP ติดตั้งอยู่บนแผ่นไม้อัดที่มีรูระยะห่าง 0.1 นิ้ว วงจร FREQ ติดตั้งอยู่บนบอร์ดแยกส่วน (เพิ่มวงจรนี้ในภายหลัง) สำหรับการเชื่อมต่อแบบมีสายจะใช้ส่วนหัวของตัวผู้ หน้าจอ LCD ติดตั้งอยู่ที่ฝาด้านบนของกล่องพร้อมกับสวิตช์เปิด/ปิด (และสวิตช์สำรองหนึ่งตัวสำหรับการอัพเดทในอนาคต) เลย์เอาต์ทำบนกระดาษ (ง่ายกว่าการใช้ Fritzing หรือโปรแกรมออกแบบอื่น ๆ มาก) โครงร่างกระดาษนี้ถูกใช้ในภายหลังเพื่อตรวจสอบวงจรจริง

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบกล่อง

ใช้กล่องพลาสติกสีดำ (ขนาด WxDxH 120x120x60 มม.) เพื่อยึดส่วนประกอบทั้งหมดและแผงวงจรทั้งสอง Arduino, แผงวงจร perfboard และที่ใส่แบตเตอรี่ติดตั้งบนแผ่นยึดไม้ขนาด 6 มม. เพื่อให้ประกอบและบัดกรีได้ง่าย ด้วยวิธีนี้ ทุกอย่างสามารถประกอบเข้าด้วยกันได้ และเมื่อเสร็จแล้วก็สามารถวางลงในกล่องได้ ใต้แผงวงจรและตัวเว้นวรรคไนลอน Arduino ถูกใช้เพื่อป้องกันไม่ให้แผ่นงอ

ขั้นตอนที่ 6: การเดินสายขั้นสุดท้าย

ในที่สุดการเชื่อมต่อแบบมีสายภายในทั้งหมดจะถูกบัดกรี เมื่อเสร็จสิ้น ฉันทดสอบทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง esr ผ่านการทดสอบการเชื่อมต่อ T1, T2 และ T3 ในแผนภาพการเดินสาย ฉันเขียนโปรแกรมทดสอบขนาดเล็กเพื่อเปลี่ยนเอาต์พุตที่เชื่อมต่อ D8, D9 และ D10 จาก HIGH เป็น LOW ทุก ๆ วินาที และตรวจสอบสิ่งนี้บนการเชื่อมต่อ T1, T2 และ T3 ด้วยออสซิลโลสโคป เพื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุภายใต้การทดสอบ มีสายทดสอบสั้นคู่หนึ่ง ทำด้วยคลิปหนีบจระเข้

สำหรับการวัดความถี่ สามารถใช้สายทดสอบที่ยาวกว่าได้

มีความสุขในการทดสอบ!