Medidor de capacitância usando arduino

Quando nos deparamos com placas de circuito previamente projetadas ou retiramos uma de uma TV ou computador antigo, para tentar consertá-la. E às vezes precisamos saber a capacitância de um capacitor específico na placa para eliminar a falha. Então, enfrentamos um problema em obter o valor exato do capacitor da placa, especialmente se for um dispositivo de montagem em superfície. Podemos comprar equipamentos para medir a capacitância, mas todos esses aparelhos são caros e não são para todos. Com isso em mente, vamos projetar um medidor de capacitância Arduino simples para medir a capacitância de capacitores desconhecidos.

Este medidor pode ser feito facilmente e também com boa relação custo-benefício. Vamos fazer um medidor de capacitância usando Arduino Uno, gatilho Schmitt e temporizador 555 IC.

Componentes necessários:

• 555 temporizador IC
• IC 74HC14 Schmitt trigger gate ou NOT gate.
• 1K Ω resistor (2 peças), 10KΩ resistor
• Capacitor 100nF, capacitor 1000µF
• 16 * 2 LCD,
• Placa de ensaio e alguns conectores.

Explicação do circuito:

O diagrama do circuito do medidor de capacitância usando Arduino é mostrado na figura abaixo. O circuito é simples, um LCD faz interface com o Arduino para exibir a capacitância medida do capacitor. Um circuito gerador de onda quadrada (555 no modo Astable) é conectado ao Arduino, onde conectamos o capacitor cuja capacitância precisa ser medida. Uma porta de disparo Schmitt (IC 74LS14) é usada para garantir que apenas a onda retangular seja alimentada para o Arduino. Para filtrar o ruído, adicionamos alguns capacitores na alimentação.

Este circuito pode medir com precisão as capacitâncias na faixa de 10nF a 10uF.

Gerador de onda quadrada baseado em IC com temporizador 555:

Em primeiro lugar, falaremos sobre o gerador de onda quadrada 555 Timer IC, ou devo dizer 555 Astable Multivibrator. Sabemos que a capacitância de um capacitor não pode ser medida diretamente em um circuito digital, ou seja, o UNO lida com sinais digitais e não pode medir capacitância diretamente. Portanto, usamos o circuito gerador de ondas quadradas 555 para conectar o capacitor ao mundo digital.

Simplesmente falando, o temporizador fornece saída de onda quadrada cuja frequência implica diretamente na capacitância conectada a ele. Portanto, primeiro obtemos o sinal de onda quadrada cuja frequência é o representante da capacitância do capacitor desconhecido e alimentamos esse sinal para UNO para obter o valor apropriado.

Configuração geral 555 no modo Astable conforme mostrado na figura abaixo:

A frequência do sinal de saída depende de RA, resistores RB e capacitor C. A equação é dada como, Frequência (F) = 1 / (Período de tempo) = 1,44 / ((RA + RB * 2) * C).

Aqui RA e RB são valores de resistência e C é o valor de capacitância. Colocando os valores de resistência e capacitância na equação acima, obtemos a frequência da onda quadrada de saída.

Vamos conectar 1KΩ como RA e 10KΩ como RB. Então, a fórmula se torna, Frequência (F) = 1 / (Período de tempo) = 1,44 / (21000 * C).

Reorganizando os termos que temos, Capacitância C = 1,44 / (21000 * F)

Em nosso Código de Programa (veja abaixo), para obter o valor da capacitância com precisão, calculamos o resultado em nF multiplicando os resultados obtidos (em farads) por “1000000000”. Também usamos '20800' em vez de 21000, porque as resistências precisas de RA e RB são 0,98K e 9,88K.

Portanto, se soubermos a frequência da onda quadrada, podemos obter o valor da capacitância.

Schmitt Trigger Gate:

Os sinais gerados pelo circuito do temporizador não são completamente seguros para serem fornecidos diretamente ao Arduino Uno. Com a sensibilidade do UNO em mente, usamos o gatilho Schmitt. A porta de disparo Schmitt é uma porta lógica digital.

Esta porta fornece OUTPUT com base no nível de tensão de INPUT. Um Schmitt Trigger tem um nível de tensão THERSHOLD, quando o sinal INPUT aplicado à porta tem um nível de tensão superior ao THRESHOLD da porta lógica, OUTPUT vai para HIGH. Se o nível do sinal de tensão de ENTRADA for inferior a LIMITE, a SAÍDA do gate será BAIXA. Com isso, geralmente não obtemos o gatilho Schmitt separadamente, sempre temos uma porta NOT seguindo o gatilho Schmitt. O funcionamento do Schmitt Trigger é explicado aqui: Schmitt Trigger Gate

Vamos usar o chip 74HC14, este chip tem 6 portas Schmitt Trigger. Essas portas SEIS são conectadas internamente conforme mostrado na figura abaixo.

A Tabela da Verdade da Porta Trigger Schmitt Invertida é mostrada na figura abaixo, com isso temos que programar o UNO para inverter os períodos de tempo positivo e negativo em seus terminais.

Conectamos o sinal gerado pelo circuito do temporizador à porta ST, teremos onda retangular de períodos de tempo invertidos na saída que é segura para ser fornecida ao UNO.

O Arduino mede a capacitância:

O Uno tem uma função especial pulseIn , que nos permite determinar a duração do estado positivo ou a duração do estado negativo de uma onda retangular particular:

Htime = pulseIn (8, HIGH); Ltime = pulseIn (8, LOW);

A função pulseIn mede o tempo durante o qual o nível Alto ou Baixo está presente no PIN8 de Uno. A função pulseIn mede esse tempo alto (Htime) e o tempo baixo (Ltime) em microssegundos. Quando adicionamos Htime e Ltime juntos teremos a Duração do Ciclo, e ao invertê-la teremos a Frequência.

Assim que tivermos a frequência, podemos obter a capacitância usando a fórmula que discutimos anteriormente.

Resumo e teste:

Em resumo, conectamos o capacitor desconhecido ao circuito do temporizador 555, que gera uma saída de onda quadrada cuja frequência está diretamente relacionada à capacitância do capacitor. Este sinal é dado ao UNO através da porta ST. O UNO mede a frequência. Com a frequência conhecida, programamos o UNO para calcular a capacitância usando a fórmula discutida anteriormente.

Vamos ver alguns resultados que obtive, Quando eu conectei um capacitor eletrolítico de 1uF, o resultado é 1091,84 nF ~ 1uF. E o resultado com o capacitor de poliéster 0,1uF é 107,70 nF ~ 0,1uF

Então eu conectei o Capacitor de Cerâmica de 0,1uF e o resultado é 100,25 nF ~ 0,1uF. Além disso, o resultado com o capacitor eletrolítico de 4,7uF é 4842,83 nF ~ 4,8uF

É assim que podemos simplesmente medir a capacitância de qualquer capacitor.