如何制作自己的Arduino電容計(jì)

在這個(gè)項(xiàng)目中，您將學(xué)習(xí)如何制作自己的Arduino電容計(jì)（測(cè)量電容器的值，范圍從pF到1000的uF）。一般來說，電子愛好者喜歡設(shè)計(jì)自己的小工具而不是購(gòu)買。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用兩種電容測(cè)量方法，即充電和放電方法，Arduino電容表和多諧振蕩器方法，Arduino電容計(jì)。對(duì)于測(cè)量低值電容器，我們使用充電和放電方法，對(duì)于測(cè)量高值電容器，我們使用多諧振蕩器方法。

電容器：電容器以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)電能，電場(chǎng)由電容器的兩個(gè)電極上的電荷極性建立。

電容：它是元件在其中存儲(chǔ)電荷的能力。定量電容是可以存儲(chǔ)在元件中的每單位電壓電荷的量度。

從電容器的公式中，我們發(fā)現(xiàn)電容器存儲(chǔ)的能量為

從方程中我們發(fā)現(xiàn)，電容器兩端的電壓是恒定的，通過它的電流為零。這意味著電容器，施加直流電壓并且沒有初始電荷，首先充當(dāng)短路，但一旦保持完全充電，電容器就會(huì)表現(xiàn)為開路。

Arduino電容計(jì)電路說明

Arduino電容表的電路如圖1所示，由arduino uno板、LCD、定時(shí)器IC和少量其他電子元件（如電阻器、電容器等）組成。

Arduino電容計(jì)的電路連接說明：

使用LCD的目的是顯示電容器的值。我們?cè)谶@里使用的 LCD 是 16×2 字母數(shù)字類型，有 16 個(gè)引腳輸出。16 個(gè)引腳中有 8
個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)通信。通常，LCD 可以在兩種模式下運(yùn)行，即 8 位模式和 4 位模式。在 8 位模式下，所有數(shù)據(jù)引腳 （D0 – D7） 都用于通信，而在 4
位模式下，只有高階數(shù)據(jù)引腳 （D4 – D7） 用于通信。在項(xiàng)目中，Arduino電容計(jì)使用4位數(shù)據(jù)模式。LCD 的引腳 D4 到 D7 分別連接到
arduino uno 的 D7 到 D4 引腳。使能 （E） 和 SET/RESET （RS） 引腳分別連接到 arduino uno 板的 D11 和
D12 引腳。

定時(shí)器IC
555配置為非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（頻率發(fā)生器）模式，待測(cè)電容器的正極性連接到定時(shí)器IC的引腳2，電容器的負(fù)極性接地。定時(shí)器IC的輸出從引腳3連接到arduino
uno板的D2引腳。通常在pF（皮科法拉）范圍內(nèi)的較低值的電容器，使用模擬引腳直接測(cè)量，采用充電和放電方法，如電路圖所示。

充電放電方法的工作原理（用于測(cè)量1pF至100nF的低值電容）。

在這種方法中，電容器首先通過已知電阻器充電和放電。電容器的時(shí)間常數(shù)

其中 R = 用于電容器充電和放電的電阻的固定值

C = 電容器的電容

時(shí)間常數(shù)定義為電容器上的電荷達(dá)到最大電荷值的 63.2% 的時(shí)間。

arduino uno板基本上測(cè)量電容器在充滿電時(shí)達(dá)到其電壓的63.2%和完全放電時(shí)達(dá)到其電壓的36.8%所需的時(shí)間。

從上面的表達(dá)式中，我們發(fā)現(xiàn)需要一個(gè)電阻器來對(duì)電容器進(jìn)行充電和放電，但在上述電路中，我們沒有使用外部電阻器。這是因?yàn)锳rduino板內(nèi)部有上拉和下拉電阻，電容器通過該電阻器充電和放電。通過這種方式，我們可以使用充電和放電方法測(cè)量電容器的電容。

多諧振蕩器方法（測(cè)量范圍為1uF – 1000uF的電容器）

可以使用這種方法測(cè)量高值電容器。定時(shí)器IC在穩(wěn)態(tài)模式下使用。在這種模式下，輸出以恒定速率在高電平和低電平之間擺動(dòng)，即產(chǎn)生頻率。

Arduino電容計(jì)涉及的數(shù)學(xué)

其中 R1= 連接在 Vcc 和定時(shí)器 IC 555 的引腳編號(hào) 7 之間的電阻器。

R2= 定時(shí)器 IC 的引腳 7 和引腳 6 之間連接的電阻

我們知道

arduino電容表的電阻值是固定的，使用兩個(gè)電阻，每個(gè)電阻100K歐姆。當(dāng)我們插入任何電容器時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的頻率，該頻率由Arduino板以時(shí)間為單位進(jìn)行測(cè)量。由于arduino具有毫秒的內(nèi)置時(shí)間庫(kù)功能。

電容可以按時(shí)間計(jì)算

如果我們把電阻的值放在上面的表達(dá)式中，它看起來像

戴夫

這樣我們就可以計(jì)算出電容器的電容。

如果電容器的值較低，則在多諧振蕩器方法中誤差會(huì)變大，因此我們使用充電和放電方法來降低電容器的值。

單刀雙擲開關(guān)用于在高值電容器和低值電容器的測(cè)量之間切換。

Arduino電容計(jì)軟件代碼：軟件代碼是用Arduino編程語言編寫的，用Arduino編程語言編譯。您可以從下面下載代碼并在您的系統(tǒng)中使用，而無需進(jìn)行任何修改。

LiquidCrystal lcd（12， 11， 7， 6， 5， 4）;

volatile unsigned long microseconds;

volatile float capacitance;

int CapPf=9;

int CapUf=10;

const int Cap_Out = A2;

const int Cap_In = A0;

const float Stray_Cap = 24.48;

const float Cap_GND = Stray_Cap;

const float Pullup_Res = 34.8;

const int ADC_Value = 1023;

void setup（） {

lcd.begin（16， 2）;

pinMode（2，INPUT）;

pinMode（CapPf，INPUT）;

pinMode（CapUf，INPUT）;

pinMode（Cap_Out， OUTPUT）;

pinMode（Cap_In， OUTPUT）;

Serial.begin（9600）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“ Capacitance ”）;

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（“ Meter ”）;

delay（2000）;

}

void cap（） {

microseconds=micros（）-microseconds;

capacitance=1.443*microseconds/300;

capacitance = capacitance/1000;

Serial.print（capacitance，3）;

Serial.println（“uF”）;

lcd.clear（）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“Range： 1uf-1mF”）;

lcd.setCursor（0， 1）;

lcd.print（capacitance，3）;

lcd.print（“uF ”）;

microseconds=micros（）;

}

void loop（）{

if（digitalRead（CapUf））

{

attachInterrupt（0，cap，RISING）;

}

if（digitalRead（CapPf））

{

lcd.clear（）;

pinMode（Cap_In， INPUT）;

digitalWrite（Cap_Out， HIGH）;

int val = analogRead（Cap_In）;

digitalWrite（Cap_Out， LOW）;

if （val 《 1000）

{

pinMode（Cap_In， OUTPUT）;

float capacitance = （float）val * Cap_GND / （float）（ADC_Value -

val）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“Range： 1pF-1nF”）;

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（capacitance，3）;

lcd.setCursor（14，1）;

lcd.print（“pF”）;

delay（200）;

}

else

{

pinMode（Cap_In， OUTPUT）;

delay（1）;

pinMode（Cap_Out， INPUT_PULLUP）;

unsigned long u1 = micros（）;

unsigned long t;

int digVal;

do

{

digVal = digitalRead（Cap_Out）;

unsigned long u2 = micros（）;

t = u2 》 u1 ？ u2 - u1 ： u1 - u2;

}

while （（digVal 《 1） && （t 《 400000L））;

pinMode（Cap_Out， INPUT）;

val = analogRead（Cap_Out）;

digitalWrite（Cap_In， HIGH）;

int dischargeTime = （int）（t / 1000L） * 5;

delay（dischargeTime）;

pinMode（Cap_Out， OUTPUT）;

digitalWrite（Cap_Out， LOW）;

digitalWrite（Cap_In， LOW）;

float capacitance = -（float）t / Pullup_Res / log（1.0 - （float）val /
（float）ADC_Value）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（“Scale： 1pF-1nF”）;

if （capacitance 》 1000.0）

{

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（capacitance / 1000.0， 2）;

lcd.setCursor（14，1）;

lcd.print（“uF ”）;

delay（200）;

}

else

{

lcd.setCursor（0，1）;

lcd.print（capacitance）;

lcd.setCursor（14，1）;

lcd.print（“nF”）;

delay（200）;

}

}

while （micros（） % 1000 ！= 0）;

}

}