Функціональна схема мікроконтролерного вимірювача ємності, Електрична принципова схема мікроконтролерного вимірювача ємності - Мікроконтролерний вимірювач ємності конденсаторів

Функціональна схема мікроконтролерного вимірювача ємності конденсаторів зображена на рис.3.2 та на кресленні ДП. КН5Д.05/ДК67.10.002 Е2.

Функціональна схема є проміжним етапом на таких стадіях створення конструкторської документації на пристрій, як структурна та принципова електричні схеми. На ній, на відміну від структурної схеми деталізовано схемні рішення основних вузлів. Зокрема обрано МК DD1 AT90S2313 здійснено підключення до нього пристроїв виведення інформації: трьох семисегментних світлодіодних індикаторів HG1-HG3 по типовій схемі та п'єзоелектричного звуковипромінювача HA1.

Показано також підключення джерела опорної напруги та конденсатора у якого вимірюється ємність Сх через резистивний дільник до мікроконтролера DD1.

Обрано також і підключено кварцовий резонатор ZQ1 за типовою зовнішньою схемою.

Рис.3.2 Функціональна схема мікроконтролерного вимірювача ємності конденсаторів

Хоча деякі вузли представлені структурно, їх опис та розробка буде проводитись у наступному розділі.

Електрична принципова схема мікроконтролерного вимірювача ємності

Пропонований вимірювач розроблений для експлуатації в польових умовах і придатний для вимірювання оксидних конденсаторів великої ємності без їх відпаювання. Крім того, він має захист від напруги заряджених конденсаторів.

У основу роботи пристрою закладений відомий метод вимірювання тривалості зарядки і розрядки конденсатора від джерела напруги через резистор відомого опору. Діапазон вимірюваних значень ємності - від 1 нФ до 12 000 мкФ. Він роздільний на два піддіапазони, які умовно названі "нф" і "мкФ". Для вимірювання ємності конденсаторів без їх випаювання з плати необхідна мала амплітуда напруги на конденсаторі, щоб цьому процесу не заважали р-n переходи напівпровідникових приладів, тому зразкове джерело має напругу 0,5 В.

Електрична принципова схема пристрою показана на рис.3.3. та на кресленні ДП. КН5Д.05/ДК67.10.003 Е3.

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 і розрядки вимірюваного конденсатора. Входи цього компаратора сполучені з портами РВ0, РВ1. Вимірюваний конденсатор підключають до гнізд XS1, XS2, і напругами високого або низького рівня з порту РВ3 через резистивний дільник R1-R3R7R10 здійснюється його зарядка і розрядка. Контакти перемикача SA1.1 шунтують резистор R2 на межі "мкФ", збільшуючи значення як зарядного, так і розрядного струму. Контакти перемикача SA1.2 на піддіапазоні "нф" з'єднують лінії PD1 і PD3 через резистор R19, що фіксується мікроконтролером DD1 як установка цього піддіапазону. Резистивний дільник R9R6 при напрузі високого рівня на лінії РВ2 формує на резисторі R6 зразкову напругу 0,316 В для інвертуючого входу вбудованого компаратора (лінія РВ1), яке є пороговим для зарядки вимірюваного конденсатора.

Рис.3.3 Принципова електрична схема мікроконтролерного вимірювача ємності

При переведенні лінії РB2 у високоімпедансний стан зразкова напруга відключається і вхід компаратора буде підключений через резистор R6 і гніздо XS2 до вимірюваного конденсатора - це "загальний" вивід конденсатора, що забезпечує фіксацію нульової напруги на конденсаторі при його розрядці. Напруга з конденсатора через резистор R4 поступає на інший вхід компаратора (лінія РВ0) Ланцюг C3R5, який підключено 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, відносно якого виконуються вимірювання, зібране на операційному підсилювачі OП DA2. Дільник R27R29 формує напругу близько 2.5 В, воно поступає на ОП DA2, який виконує роль буферного підсилювача.

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

Та ж лінія використовується для формування імпульсних сигналів звукової частоти, які поступають на акустичний п'єзовипромінювач НА1 через резистор R24.

Живлення пристрою здійснюється від батареї, що складається з двох Ni-Cd акумуляторів типорозміру АА із загальною напругою 2,4 В, яка перетворювачем DA1 підвищується до стабілізованого 5 В для живлення мікроконтролера DD1 і джерела опорної напруги на ОП DA2. Конденсатор С7 - погладжуючий, резистивний дільник R23R25 задає нижню межу напруги акумуляторної батареї. При його зниженні до 2...2,1 В на виході LBO (вивід 2) перетворювача DA1 формується напруга низького рівня, яка через резистори R33 і R12 поступає на лінію РD0 (вивід 2) мікроконтролера DD1. При черговому опитуванні цієї лінії мікроконтролер DD1, знайшовши низький рівень, зупиняє роботу основної програми, відключає світлодіодний індикатор, генерує тривалий сигнал, що поступає на акустичний випромінювач НА1, і переходить в "сплячий" економічний режим, з якого він виходить тільки при відключенні живлячої напруги і подальшому його підключенні.

Для захисту мікроконтролера і інших елементів пристрою від напруги зарядженого вимірюваного конденсатора застосований вузол активного захисту, що складається з діодного моста VD6, транзистора VT2 і світлодіода HL1. При підключенні зарядженого конденсатора, напруга на якому перевищує 4...5 В, через світлодіод HL1 протікає струм, який відкриває транзистор VT1. В цьому випадку велика частина напруги конденсатора прикладена до резисторів R3, R7 - відбувається розрядка цього конденсатора. Як додатковий захист лінії РВ3 мікроконтролера DD1 застосовані діоди VD3, VD4 і резистор R10, а лінії РВО - VD1, VD2 і R4. Для програмування мікроконтролера до вилки ХР1 підключають програматор.

У пристрої використані резистори МЛТ, ОМЛТ з допуском не більш 5%, оксидні конденсатори - К53-16, інші - К10-17. КМ, КД, кварцовий резонатор - НС-49, дроселі L1, L2 - ELC06D фірми Panasonic. Вилка XP1 є відповідною частиною розетки IDC-10. Такі вилки продаються в магазинах радіодеталей у вигляді лінійок, від них відокремлюють необхідне число контактів. Перемикач SA1 - будь-який малогабаритний на два напрями і два положення, бажано в металевому корпусі, наприклад В1561, що дозволить закріпити його на платі паянням. П'єзовипромінювач НА1 - п'єзокерамічний FML-15T-7,9F1-50 з резонансною частотою близько 8 кГц. В якості XS1 - XS3 застосовані контакти з внутрішнім діаметром 1,5 мм (вони припаяні до контактних площадок на платі) від розібраного роз'єму РГ4Т. Для вимірювань окремих конденсаторів використані затискачі "крокодил", які припаяні до вилок, що підключаються до гнізд XS1, XS2 Сх, а для вимірювання впаяних конденсаторів застосовують сполучні екрановані дроти, екрани яких сполучені з вилкою, що підключається до гнізда XS3 "Загальний". Необхідно пам'ятати, що вимірювальний кабель вносить додаткову похибку при вимірюванні конденсаторів з малою ємністю.

Для приладу може бути використаний пластмасовий корпус від калькулятора БЗ-26, його відсік живлення був зменшений для розміщення двох акумуляторів. З внутрішньої сторони корпус обклеєний екраном з тонкої алюмінієвої фольги. Для контакту з цим екраном застосовані пружні пластини покриті шаром срібла, які припаяні до загального дроту на платі. Штатний вимикач живлення калькулятора використаний для включення живлення приладу, а гніздо блоку живлення - для підключення зарядного пристрою. Блок живлення БП2-1М від калькулятора перероблено під зарядний пристрій для акумуляторної батареї. Для цього в плюсову лінію живлення встановлюють два резистори і світлодіод По яскравості свічення цього світлодіода можна судити про ступінь зарядженої акумуляторної батареї.

Для вимірювання конденсатор підключають до гнізд "СХ". Мікроконтролер, знайшовши підключений конденсатор, почне процес вимірювання його ємності, при цьому стане світити десяткова точка на індикаторі HG3. Після закінчення процесу результат виводиться на світлодіодні індикатори, потім виводяться символи одиниць намірі, при підключеному конденсаторі процес вимірювання періодично повторюватиметься. З метою економії енергії акумуляторної батареї, яка максимально витрачається при індикації результатів, необхідно своєчасно відключати вимірюваний конденсатор. Якщо при включенні приладу або під час його роботи зазвучить довгий звуковий сигнал без включення індикації, потрібно зарядити акумуляторну батарею.

Для відображення одиниць вимірювання використані символи: "nF" - нанофаради; "uF" - мікрофаради; "nnF"- тисячі мікрофарад. Для відображення різних ситуацій, що вимагають виконання яких-небудь дій, спільно із звуковою індикацією застосовані символи:

"ссс" - вимірюваний конденсатор має залишковий заряд, його необхідно відключити і повністю розрядити до повторного вимірювання;

"rrr" - замикання у вимірювальному ланцюзі, необхідно переконатися у відсутності випадкового замикання вимірювальних гнізд (дротів) або перевірити вимірюваний конденсатор на пробій;

"nnn" - ємність конденсатора виходить за межі діапазону вимірювання, необхідно вибрати інший піддіапазон або переконатися, що очікувана ємність вимірюваного конденсатора відповідає вимірювальним можливостям пристрою;

- втрата значень поправочних коефіцієнтів, необхідне повторне завантаження.

При підключенні зарядженого конденсатора з напругою більше 4...5 В включається система захисту і спалахує світлодіод HL1. Мікроконтролер знайде заряджений конденсатор і повідомить про це світловою і звуковою індикацією, але з деякою затримкою. Тому при підключенні вимірюваного конденсатора необхідно стежити за індикатором захисту і негайно відключати такий конденсатор. При проведенні вимірювань потрібно пам'ятати, що до пристрою не можна підключати конденсатор, заряджений до напруги більше 100 В.

У пристрої відсутній режим самокалібрування. Тому використана більш трудомістка, але, на нашу думку, надійніша процедура установки поправочних коефіцієнтів за допомогою програматора, яка може виконуватись на етапі виготовлення, так і після його ремонту або при виникненні великої похибки вимірювання. Для даної роботи можна використовувати будь-який доступний засіб програмування мікроконтролерів ATMEL.

Перш за все, використовуючи, наприклад, програму "Блокнот" в ОС WINDOWS, відкривають файл cmelr. eep і переконуються, що третій рядок має вигляд

:0C002000FFFF00FFFF00FFFF00FFFF00DC

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

Після перевірки працездатності пристрою необхідно визначити поправочні коефіцієнти для двох піддіапазонів. Для цього потрібно зразкові конденсатори (Ссбр), бажано з малими втратами. Наприклад, для піддіапазону "мкФ" підійде конденсатор місткістю 100 мкФ. Якщо такої можливості немає, то слід вибрати неполярний конденсатор з ємністю не менше 10 мкФ.

Припустимо, що при підключенні зразкового конденсатора ємністю 100 мкФ покази приладу складають 106 мкФ (СХ). Значення поправочного коефіцієнта визначають по формулі:

K = СХ/(ССбр - СХ ) = 106/(100 - 106) = -17,66

Приймаємо значення K= -18. У піддіапазоні "нф" як зразкові можна використовувати доступніші конденсатори К71, К73 ємністю близько 0.1 мкФ. Припустимо, що зміряне пристроєм значення зразкової ємності (0,1 мкФ) складає 99,7 нФ, тоді поправочний коефіцієнт буде рівний:

K= 99.7/(100 - 99.7) = 332,3 Приймаємо K=332

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

:0С0020001200FF1200FF4C01004С010064

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

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

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

Електрична принципова схема мікроконтролерного вимірювача ємності

Похожие статьи