Микрофарадометр на PIC микроконтроллере (PIC16F876A, C)

В радиолюбительской практике необходимость измерения больших значений электрической емкости очевидна. Многие современные мультиметры имеют функцию измерения емкости, их верхний предел измерения не превышает 20-100 мкФ [1]. Профессиональные RLC-метры измеряют емкость до 1Ф и более [2], но в виду своей высокой стоимости, они мало доступны для большинства радиолюбителей. В журнале "Радио" был описан ряд устройств для измерения емкости электролитических конденсаторов [3, 4], они, как правило, оформлены в виде приставок и основаны на косвенных методах измерения.

Вместе с тем, используя современную элементную базу и основные физические соотношения, можно построить простой и качественный прибор, имеющий достаточно высокие метрологические характеристики. В предлагаемом устройстве используется принцип пропорциональности электрической емкости заряду, а заряда, в свою очередь, току и времени: C=Q/U; где: Q=I*t . Если U и t константы, то емкость пропорциональна времени протекания зарядного тока [6]. Для отсчета временных интервалов, индикации результатов измерения и управления периферийными узлами оптимально использование микроконтроллера.

Измеритель имеет следующие технические характеристики:

габаритные размеры, мм	127*72*25
масса с блоком питания, не более, кг	0,8
напряжение питающей сети, В	220
потребляемая мощность, Вт, не более	12
диапазон измерения, мкФ	1 - 1 000 000
погрешность во всем диапазоне, не более, %	+/- 3
максимальная разрешающая способность, мкФ	0,01
время измерения, с, не более	2,5
выбор пределов измерения	автоматический
число разрядов индикации	3

Основу прибора составляет микроконтроллер PIC16F876A [5], выполняющий все основные функции: управление процессом измерения, вычисление его результатов и отображение полученного значения измеряемой емкости на индикаторе.

Принципиальная схема прибора:

Микроконтроллер DD1 работает по программе, которая прошивается в микроконтроллер. После включения питания и инициализации микроконтроллера устройство работает в автоматическом режиме. Вход RA0 сконфигурирован как вход компаратора, RA3 - вход опорного напряжения компаратора, RC0, RC1 - выходы управления источниками зарядного тока, RC2 - выход включения разряда измеряемого конденсатора.

Цикл измерения начинается с разряда конденсатора через транзистор VT2 и резистор R5. Затем включается источник зарядного тока величиной 1мА на транзисторе VT3 [6]. Напряжение на конденсаторе начинает увеличиваться. По достижении им величины примерно 1В, равной опорному напряжению на входе RA3, процесс заряда останавливается и микроконтроллер DD1 фиксирует время заряда. Если напряжение на измеряемом конденсаторе не достигнет опорного в течение более чем 1,2 с, происходит переход на старший предел измерения: включается источник тока 1А на транзисторе VT1, индикация "х1000" и цикл измерения начинается вновь. Далее микроконтроллер вычисляет значение измеряемой емкости, по времени заряда, величине зарядного тока и напряжения на конденсаторе с учетом предела измерения и соответствующего ему калибровочного коэффициента. Цикл измерения повторяется.

Динамическая индикация результатов измерения организована на трехразрядном светодиодном индикаторе VD7 - VD9, транзисторах VT5 - VT7 и портах микроконтроллера RC3 - RC5, RB0 - RB7 по классической схеме.
Кнопки SB1 - SB3, подключенные к портам RA1, RA2, RA5, служат для ввода калибровочных коэффициентов при настройке и поверке прибора. Кнопка "Режим" - вход в режим калибровки, выбор коэффициента, выход в режим измерения. Кнопки "+" и "-" - установка величины выбранного коэффициента в пределах от 1 до 255. Калибровочный коэффициент для диапазона "мкФ" отображается без десятичных запятых, для "мкФ х 1000" - с запятой в разряде единиц. Установленные значения автоматически записываются в EEPROM микроконтроллера, сохраняются там после отключения питания и считываются при включении прибора.

Исходный текст управляющей программы написан на языке С в среде программирования MPLAB IDE версии 6.5 [7], скомплектованной компилятором PICC версии 8.05PL1 фирмы HI TECH [8]. Листинг программы приведен в файле c-m_c.c. Программа осуществляет начальную конфигурацию микроконтроллера, затем работает в цикле: опрос кнопок, измерение по описанному выше алгоритму, вычисление значения емкости и автоматический выбор предела измерения. Если нажата кнопка "Режим" - проводится установка и запись калибровочных коэффициентов. По прерываниям TMR0 отрабатывается программа вывода результатов измерения на трехразрядный светодиодный индикатор. Более подробно работу программы можно рассмотреть, читая комментарии к ней в файле c-m_c.c.

Конструктивно прибор оформлен в корпусе от мультиметра M-838.

Для питания используется выносной выпрямитель (в сетевой вилке) обеспечивающий выходное напряжение 9 - 12В при токе до 1А, из числа имеющихся в продаже, например БП7Н-12-1000. Стабилизатор напряжения +5В установлен на плате прибора. На контактные площадки X1, X2 необходимо присоединить электролитический конденсатор емкостью не менее 1000 мкФ на напряжение 16В. Он займет место в батарейном отсеке корпуса прибора.

Печатная плата измерителя - двусторонняя и с двусторонним расположением деталей.
Для формирования переходных отверстий в плате вскрыты отверстия диаметром 0,5 мм, в которые расклепаны и запаяны отрезки выводов от резисторов МЛТ - 0,25. Микроконтроллер DD1 необходимо установить в плату прибора на панельку с цанговыми зажимами.
В приборе использованы резисторы МЛТ или аналогичные, резистор R5 проволочный: манганин диаметр 1мм, длина 15мм или датчик тока от мультимера M-838. Конденсаторы КМ, К10-17, электролитические - К53-4, К53-14, К52-1, навесной - К50-35. Кварцевый резонатор в корпусе HC-49, на частоту 10 - 12 МГц. Кнопки малогабаритные тактовые SWT2, TS-A1PS-130. Светодиодные индикаторы TR319 можно заменить любыми другими с такой же цоколевкой, например SA05-11HWA. Транзистор VT2 - мощный КМОП с током стока не менее 10А и сопротивлением сток - исток не более 0,1 Ом. Клеммы Х3, Х4 используются от мультиметра M-838. Стабилизатор DA1 и транзистор VT1 установлены на пластинчатые радиаторы площадью 12 и 5 квадратных сантиметров соответственно.

Настройку прибора начинают не устанавливая микроконтроллер в панель на плате. Включают питание выключателем SA1, проверяют наличие и правильность подачи напряжения питания +5В на контакты панельки микроконтроллера. Напряжение на контактах MCLR, RA1, RA2, RA5 должно быть примерно равно напряжению питания, RC3 - RC5 - около 4В, RB0 - RB7 - близко к нулю. Затем проверяют работоспособность кнопок SB1 - SB3: нажимая их контролируют появление низкого уровня на входах RA1, RA2, RA5. Цепи динамической индикации проверяют подачей уровня "земли" на соответствующие выводы портов RB0 - RB7 и RC3 - RC5: наблюдают свечение заданных сегментов в выбранном разряде. Источники тока включают поочередно подачей уровня "земли" на контакты RC0, RC1 и подключив амперметр к гнездам X4, X4 вместо измеряемого конденсатора. При включении RC0 ток должен быть в пределах 0,5 - 1мА; RC1 - 0,5 - 1А. Схему разрядки проверяют при включенном источнике тока 1А, подачей напряжения +5В на контакт RC2. Показания вольтметра, подключенного к гнездам X3, X4, при этом должны упасть до нуля.

Далее, при отключенном питании, вставляем запрограммированный микроконтроллер в панельку и включаем прибор. На дисплее должны быть показания, близкие к нулю, индикатор "Цикл" подмигивает, "х 1000" - отключен. Теперь можно произвести пробные замеры для оценки работоспособности прибора в целом. Полученные результаты могут значительно отличаться от истинных в силу большого разброса параметров источников тока, погрешности установки опорного напряжения, ошибки компаратора, частоты использованного кварцевого резонатора и ряда других, менее заметных факторов. Необходима калибровка прибора.

Для калибровки измерителя нужно иметь 4 образцовых конденсатора разных номиналов: два на диапазон "мкФ" - емкостью 100 - 900 мкФ, и два для диапазона "мкФ х1000" - номиналом более 10000 мкФ, для точного определения их емкости желетельно воспользоваться поверенным промышленным измерителем или каким-либо косвенным методом. Проводя измерения и изменяя калибровочные коэффициенты соответственно показаниям прибора, добиваются совпадения истинного значения емкости калибровочных конденсаторов и показаний прибора. После проведения калибровки прибор готов к эксплуатации.

На старшем пределе измерения показания прибора в некоторой степени зависят от эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС) измеряемого конденсатора. Это выражается в занижении истинного значения емкости. Чтобы погрешность прибора не превышала указанную, ЭПС не должно превышать 0,1 Ом. Для исправных электролитических конденсаторов, емкостью более 1000 мкФ, среднестатистическое значение ЭПС как раз и лежит в этих пределах [9], его влияние компенсируется при калибровке прибора. Для более объективной оценки работоспособности электролитических конденсаторов необходимо совместное измерение емкости и ЭПС - это тема следующей разработки.

Опыт работы с описанным измерителем показал его хорошие потребительские характеристики: точность, долговременную стабильность показаний, удобство эксплуатации. Он позволяет решить многие вопросы, возникающие при разработке, изготовлении и ремонте электронного оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Радио, 2005, №12, с.1.
2. Измерители RLC WayneKerr 4265, 4276. - Радио, 2005, №11, с. 73.
3. Дергуз А. Измеритель емкости оксидных конденсаторов. - Радио, 2001,№12, с. 27.
4. Савосин А. Микрофарадометр. - Радио, 2003, №5, с. 22.
5. Microchip Technology Inc. DS39582B. PIC16F87xA. Data Sheet. 28/40/44 -Pin Enhanced Flash Microcontrollers.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 2001.
7. Microchip Tecnology Inc. DS1281C. MPLAB IDE v6xx. Quic Start Guide.
8. HI - TECH Software. PICC Manual.
9. Peak Electronic Design Limited. Equivalent Series Resistance Analyser. Model ESR 60. Users Guide.

Скачать печатные платы и чертежи (488 Кб). Загрузок: 309
Скачать исходный код на С и прошивку (7 Кб). Загрузок: 311

Автор статьи: Топников Александр Сергеевич E-mail: alev1@inbox.ru

Просмотров: 3724