Presné meranie kapacity: Rozdiel medzi revíziami

Z Kiwiki
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
d
 
(18 medziľahlých úprav od 3 ďalších používateľov nie je zobrazených)
Riadok 1: Riadok 1:
−
[[Category:Mikroprocesorové systémy]]
+
[[Kategória:Konfigurovateľné mikroprocesorové systémy]]
 +
[[Kategória:Čítače, časovače a šírkové modulátory PSoC]]
 
__NOTOC__
 
__NOTOC__
−
{{Draft}}
+
{{sablona_mikroprocoserove_systemy|Čítače, časovače a šírkové modulátory PSoC|Blok čítača a časovača (M8C)|API čítača a časovača (M8C)|Generovanie časových intervalov (M8C)|Meranie času a frekvencie (M8C)|Presné meranie kapacity|Meranie polohy pomocou magnetostrikčného senzoru|Šírkový modulátor PWM|API PWM|Riadenie modelárskeho servomotora pomocou PWM}}
 +
'''Princíp činnosti'''
  
−
V článku si predstavíme jednoduchý merač kapacity, pracujúci na integračnom princípe, ktorého jadrom je mikrokontrolér AT90S2313.
+
Princíp činnosti modulu spočíva v presnom meraní času nabíjanía a vybíjanía kondenzátora, tvoreného elektródami kapacitného snímača. Pre zvýšenie stability a presnosti merania sú namerané údaje digitálne filtrované. Štandardná doba merania je 200 msec, v prípade potreby dynamických meraní je možné dobu merania skrátiť až na 1 msec. K modulu DS-C1000 je možné cez rozhranie I2C pripojiť digitálny teplomer s presnosťou merania <nowiki>+</nowiki>/-0.5°C. Pri súčasnom meraní kapacity a teploty je štandardná doba merania 500 msec.
  
−
Aj v prípade merania&nbsp;kapacity&nbsp;je známych niekoľko&nbsp;meracích metód. Jeden čas sa používalo mostíkové meranie kapacity&nbsp;(určite si na neho každý z vás pamätá, alebo aspoň o ňom čo to počul v škole). Ďalej to boli rezonančné meracie metódy. V poslednej dobe merače&nbsp;kapacity&nbsp;využívajú na meranie&nbsp;kapacity, ale aj iných charakteristík striedavý prúd pripojený priamo na meraný kondenzátor. Existujú však aj pomerne jednoduché kapacitné merače využívajúce integračnú metódu, ktorou je meraná časová odozva R-C siete (prechodový jav na RC článku). Na poslednej spomínanej metóde je založený aj tento merač&nbsp;kapacity. Jej výhodou je, že výsledkom môžu byť priamo digitálne dáta, ktoré získame jednoducho meraním času, pričom odpadá použitie presných analógových obvodov a merač môže byť kalibrovaný pomocou samotného mikrokontroléru. Z týchto dôvodov je integračná metóda veľmi výhodná na stavbu príručných meračov&nbsp;kapacity.
+
Modul je štandardne vybavený sériovým rozhraním RS232 (voliteľne RS485 alebo USB), prostredníctvom ktorého komunikuje s nadradeným systémom. Štandardnou súčasťou modulu sú&nbsp;[http://www.dynamag.com/images/stories/Dynasen/def_vystupy_01.png výstupné porty]&nbsp;- analógový 8-bit DAC s rozsahom 0 ... 5V, šírkovo modulovaný 16-bit PWM výstup a negovaný PWM výstup, binárne výstupy LOW, NORMAL, HIGH a sériový výstup Tx_DATA pre pripojenie zobrazovacích modulov&nbsp;''DynaView''.&nbsp; Úrovne a stavy výstupných portov sa obnovujú priebežne po každom meraní a závisia od aktuálne nameranej hodnoty kapacity. Pomocou sériového rozhrania RS232 je možné definovať limitné hodnoty&nbsp;'''''''''L'''''&nbsp;a&nbsp;'''''''''H''''', ktoré určujú dolnú a hornú hranicu, pre ktoré sú definované stavy výstupov a sú zároveň aj kalibračnými úrovňami snímača. V prípade potreby[http://www.dynamag.com/images/stories/Dynasen/blok.png ]ručnej kalibrácie je možné hodnoty&nbsp;'''''''''L'''''&nbsp;a&nbsp;'''''''''H'''''&nbsp;nastaviť pomocou dvoch tlačítok, ktoré sa nachádzajú na doske modulu. Výstupné porty je možné použiť na indikáciu nameranej hodnoty alebo na riadenie ďalších veličín, súvisiacich s meraným procesom.
  
−
[[Image:meranie_kapacity_01.jpg|framed|none]]
+
K nameranej hodnote kapacity je možné priradiť kalibračnú funkciu f=Ax<nowiki>+</nowiki>B, (A-kalibračný koeficient, B-offset), touto funkciou je prepočítavaný výsledok merania, limitné hodnoty&nbsp;'''''''''L'''''a&nbsp;'''''''''H'''''&nbsp;sa vzťahujú k výsledku kalibračnej funkcie.&nbsp; Všetky kalibračné a identifikačné údaje jednotky, ako aj formát dát vysielaných do rozhrania&nbsp;''DynaView''&nbsp;sa ukladajú do vnútornej EEPROM pamäte modulu. V prípade potreby je možné vlastnosti modulu jednoducho preprogramovať pomocou obyčajného sériového terminálu alebo dodávaného programového vybavenia.
  
−
<br><br>'''Princíp'''<br><br>Ak obvod prechádza z jedného ustáleného stavu, do iného ustáleného stavu, stav obvodu (časový úsek) medzi tými to dvomi ustálenými stavmi sa nazýva&nbsp;prechodný stav&nbsp;(prechodný jav - transient). Tento jav je jedným zo základných operácií v impulzových obvodoch.
 
  
−
[[Image:meranie_kapacity_02.jpg|framed|none]]
+
'''Meranie kapacity:'''
  
−
<br><br>Ak je spínač na obr.1a otvorený (vypnutý), bude sa kondenzátor C nabíjať cez rezistor R a priebeh napätia Vc bude taký, ako vidíte na obr. 1b. Vzťah medzi uplynutým časom t a napätím Vc je vyjadrený nasledujúcou rovnicou (1):
+
* Rozsah: 0-1000pF
 +
* Presnosť: 0.1%(z maximálneho rozsahu)
 +
'''Meranie teploty:'''
  
−
[[Image:meranie_kapacity_03.jpg|framed|none]]
+
* Rozsah: -25°C- <nowiki>+</nowiki>125°C
 +
* Presnosť: <nowiki>+</nowiki>/- 0.5°C(10 až 80°C )
 +
:                                <nowiki>+</nowiki>/- 1°C(-10 až 85°C )
  
−
<br>,kde&nbsp;t&nbsp;je čas v sekundách,&nbsp;R&nbsp;je odpor v ohmoch,&nbsp;C&nbsp;kapacita vo faradoch a&nbsp;epsilon&nbsp;je Napierovo číslo rovnajúce sa cca. 2,72. Keď Vc dosiahne hodnotu Vc1, čas t1 môžeme vyjadriť nasledujúcim vzťahom (2):
+
'''Komunikácia:'''
  
−
[[Image:meranie_kapacity_04.jpg|framed|none]]
+
* RS232,19200Bd
 +
'''Rozhrania:'''
  
−
<br>Tento vzťah znamená, že čas t1 je úmerný hodnote pripojenej&nbsp;kapacity&nbsp;(kondenzátora) a tým pádom, môžme túto neznámu kapacitu vypočítať z času nabíjania a ostatných parametrov, ktoré sú fixne dané.<br><br>'''Hardware'''<br><br>Na meranie nabíjacieho času potrebujeme len napäťový komparátor, čítač a trošku logiky. S použitím mikrokontroléru AT90S2313 je realizácia takéhoto systému jednoduchou záležitosťou. Dlho som si myslel, že komparátor v AVRku je nevyužiteľná periféria. Objavil som, ale že výstup komparátora, môže byť použitý ako spúšťač čítača/časovača1 (Timer/Counter1), čo je pre využitie v tomto prístroji ako stvorené. Integračný obvod môže byť zjednodušený tak ako je to nakreslené na nasledujúcej schéme:<br><br>
+
* Tx-Data sériové rozhranie TTL, 19200Bd
−
[[Image:meranie_kapacity_05.jpg|800px]]
+
* PWM 0 … 100%
−
<br><br><br>Prahové napätie je generované rezistorovým deličom. Zdá sa, že pri kolísaní napájacieho napätia bude obvod ovplyvňovaný, toto je ale naozaj iba zdanie pretože napájacie napätie nemá na nabíjací čas žiadny vplyv. Pekne je to vidieť zo vzťahu 2, kde máme v zátvorke napísané (1 - Vc/E). Veličiny (čiže Volty) pri Vc aj E môžme "vykrátiť" (zmazať) a hodnota zátvorky bude závisieť iba od pomeru Vc a E odpočítaného od jednotky. Toto je v podstate výhoda, ktorú poskytuje aj časovač 555. Samozrejme, počas integrácie musí byť pripojené napájacie napätie stabilné. Čas integrácie sa dá v podstate merať jedným prahovým napätím. Avšak to vyžaduje použitie napätia blízkeho nule, čo nie je vždy až také jednoduché a to z nasledujúcich dôvodov:
+
* logické výstupy pre stavy <nowiki><</nowiki>LOW, NORMAL, <nowiki>></nowiki>HIGH
 +
* analogový výstup 0 … 5V
  
−
Napätie neklesne na nulu.&nbsp;Kondenzátor sa nedá okamžite vybiť a preto je potrebný určitý vybíjací čas na dosiahnutie dostatočne nízkeho napätia, vhodného na začatie samotného merania.
+
'''Princíp merania'''
  
−
Čas medzi začiatkom nabíjania kondenzátora a štartom časovača.&nbsp;Toto môže spôsobiť chybu merania, použitím AVRka však môžeme tento čas ignorovať, lebo procesor potrebuje na túto sekvenciu iba jeden hodinový cyklus. Ak by sme chceli použiť v konštrukcii iný mikrokontrolér museli by sme s týmto problémom rátať.
+
Neznáma kapacita Cx je pripojená k&nbsp;meraciemu obvodu pomocou kapacity Cv. Hodnota kapacity Cv je omnoho väčšia ako môže byť maximálna hodnota kapacity Cx.
  
−
Zvodový prúd analógového vstupu.&nbsp;Podľa datasheetu mikrokontroléru, sa zvodový prúd zvyšuje práve blízko nulovej hodnoty napätia na vstupe, čo môže spôsobiť ďalšiu chybu merania.
+
Princíp meranie je založený na periodickom nabíjaní a&nbsp;vybíjaní kapacity Cx na polovičnú hodnotu napájacieho napätia. Teda doba vybíjania a&nbsp;nabíjania je úmerná kapacite Cx. Doba nabíjania a&nbsp;vybíjania nezávisí od napájacieho napätia, pri splnení podmienky Cv<nowiki>>></nowiki>Cx je určená len hodnotouCx.
  
−
<br><br>Aby sa zabránilo použitiu takmer nulovej hodnoty na vstupe, využívajú sa dve prahové napätia Vc1 (0.17Vcc) a Vc2 (0.5Vcc) a meria sa rozdiel t2-t1(0.5RC). Týmto sa môžeme vyhnúť vyššie uvedeným problémom a taktiež bude zrušený delay/offset komparátora. pokiaľ ide o zvodový prúd, treba udržiavať dosku v čistote, aby sa zabránilo povrchovým zvodom.<br>Napájacie napätie je generované DC-DC meničom z 1,5V AA článku. Spínaný zdroj nie je vhodný na napájanie meraného obvodu, ako sa ale zdá zvlnené napätie zdroja sa v obvode neprejavuje vďaka dvom použitým filtrom. Zo skúsenosti však odporúčam použiť na napájanie 9V batériu a obyčajný stabilizátor 78L05.<br>K mikrokontroléru samozrejme patrí aj firmware (assembler), ktorý stačí stiahnuť, rozbaliť a napáliť do mikrokontroléru. ([http://www.mikrozone.eu/soubory/downloads/29_cmcsrc.zip cmmsrc.zip])<br><br>'''Kalibrácia'''<br><br>Keď zapnete prístroj prvý krát na displeji sa zobrazí&nbsp;"E4"&nbsp;a potom hodnota niekoľko desiatok pikofaradov. Táto hodnota znamená náhodnú kapacitu a zrušiť je ju možné stlačením tlačidla SW1. Na samotnú kalibráciu potrebujeme dva presné referenčné kondenzátory s hodnotami 1nF a 100nF. Ak by sa vám nepodarilo získať takto presné referenčné kondenzátory, môžte namiesto nich použiť kondenzátory s toleranciou 1%. Merač neobsahuje žiadny trimer, kalibrácia sa uskutočňuje automaticky odčítaním hodnoty referenčného kondenzátora a následne jej uložením.
+
<center>  
 +
{|class="wikitable"
 +
| align="center" width=500 | [[Súbor:zapojenie_cap.png | 300px ]]
 +
|-
 +
| align="center" width=500 | Zapojenie spínačov
 +
|}
 +
</center>
  
−
Kalibrácia nižšieho rozsahu:&nbsp;Najprv nastavte nulu tlačidlom SW1 (stlačiť a pustiť SW1), následne stlačte SW1 a pripojte na piny 1 a 3 konektoru P1 referenčný kondenzátor s kapacitou 1nF a tlačidlo pustite.
+
Riadenie nabíjania a&nbsp;vybíjania kondenzátora sa uskutočňuje pomocou spínačov S1až S4. Spínanie jednotlivých spínačov je vyobrazené na obrázku.  
  
−
Kalibrácia vyššieho rozsahu:&nbsp;Postup je podobný ako pri kalibrácii nižšieho rozsahu, čiže stlačíme SW1, na piny 4 a 6 konektora P1 pripojíme referenčný kondenzátor s kapacitou 100nF a SW1 pustíme.
+
<center>
 +
{|class="wikitable"
 +
| align="center" width=500 | [[Súbor:spinanie_cap.png | 400px]]
 +
|-
 +
| align="center" width=500 | Spínanie jednotlivých spínačov
 +
|}
 +
</center>
  
−
<br>Zobrazenie&nbsp;"E4"&nbsp;pri zapnutí prístroja znamená, že kalibračná hodnota v EEPROM bola vymazaná, avšak po vykonaní prvej kalibrácie sa táto "hláška" na displeji už nikdy nezobrazí. Čo sa týka nastavenia nuly, táto nie je uložená v EEPROM a preto ju bude treba nastaviť pri každom spustení prístroja.<br><br>'''Používanie<br><br>Automatické prepínanie rozsahov'''<br><br>Meranie je spúšťané každých 500ms, ale iba ak je pripojený meraný kondenzátor Cx. Každé meranie začína na nižšom rozsahu (R - 3,3Mohm). Ak napätie na kondenzátore nedosiahne 0,5Vcc do 130ms (Cx <nowiki>></nowiki> 57nF), kondenzátor sa vybije a meranie sa začne na vyššom rozsahu (R - 3,3Kohm). Ak napätie na kondenzátore nedosiahne 0,5Vcc ani do jednej sekundy, meranie je zrušené a na display je zobrazené "E2". Len čo je dosiahnutý platný čas, je hodnota&nbsp;kapacity&nbsp;vypočítaná a zobrazená na displeji. Uložená hodnota je zobrazovaná zľava v troch čísliciach. Máme tu teda dva meracie rozsahy a osem automaticky zobrazovaných rozsahov na displeji.<br><br>'''Tienenie'''<br><br>Pri meraní kapacít menších ako 100pF, zodpovedá posledná zobrazovaná číslica desatinám pikofaradu a akákoľvek rozptylová kapacita ovplyvňuje presnosť merania. Ako zásuvku som použil napol rozrezaný nasúvací konektor, ktorý je vhodný pre väčšinu vývodových a aj SMD kondenzátorov. Keďže meracia sústava ovplyvňuje presnosť merania, ak je to možné nepoužívajte súčiastky s dlhými prívodmi. K zvýšeniu stability môže pomôcť aj použitie kovového obalu alebo tienenia.
+
<center>  
 +
{|class="wikitable"
 +
| align="center" width=500 | [[Súbor:Meranie_kapacity_pomocou_PSoC_03.jpg ]]
 +
|-
 +
| align="center" width=500 | Na obrázku je zobrazené klasické analógové zapojenie kapacitného hladinomera.
 +
|}
 +
</center>
  
−
[[Image:meranie_kapacity_06.jpg|framed|none]]
+
<center>
 +
{|class="wikitable"
 +
| align="center" width=500 | [[Súbor:Meranie_kapacity_pomocou_PSoC_04.jpg ]]
 +
|-
 +
| align="center" width=500 | Zapojenie pomocou mikrokontrolera PSoC CY8C27143.
 +
|}
 +
</center>
  
−
<br>'''Predpätie'''<br><br>Keramické kondenzátory s veľkou permitivitou dielektrika menia svoju kapacitu v závislosti od predpätia a teploty. Ak meriate kondenzátory, ktoré potrebujú na zmeranie&nbsp;kapacity&nbsp;predpätie pozrite sa na obrázok dolu.
+
<center>  
 +
{|class="wikitable"
 +
| align="center" width=500 | [[Súbor:Meranie_kapacity_pomocou_PSoC_05.jpg ]]
 +
|-
 +
| align="center" width=500 | Bloková schéma
 +
|}
 +
</center>
  
−
[[Image:meranie_kapacity_07.jpg|framed|none]]
+
Zdroj : [http://www.discovercircuits.com/PDF-FILES/capgage.pdf http://www.discovercircuits.com/PDF-FILES/capgage.pdf]
−
 
 
−
<br><br>A nakoniec je tu malá ukážka merania&nbsp;kapacity&nbsp;rôznych kondenzátorov:<br><br>100uF elektrolytický kondenzátor:
 
−
 
 
−
[[Image:meranie_kapacity_08.jpg|framed|none]]
 
−
 
 
−
<br><br>470nF viacvrstvový kondenzátor:
 
−
 
 
−
[[Image:meranie_kapacity_09.jpg|framed|none]]
 
−
 
 
−
<br><br>16nF 1%&nbsp;[http://www.mikrozone.eu/pluginy/lexicon/lexicon.php?0.cat.1.21 Mica]&nbsp;kondenzátor:
 
−
 
 
−
[[Image:meranie_kapacity_10.jpg|framed|none]]
 
−
<br><br>100pF 5% keramický kondenzátor:
 
−
 
 
−
[[Image:meranie_kapacity_11.jpg|framed|none]]
 
−
 
 
−
<br><br>1pF keramický kondenzátor:
 
−
 
 
−
[[Image:meranie_kapacity_12.jpg|framed|none]]
 
−
 
 
−
<br>5pF&nbsp;[http://www.mikrozone.eu/pluginy/lexicon/lexicon.php?0.cat.1.21 Mica]&nbsp;kondenzátor s dlhými vývodmi:
 
−
 
 
−
[[Image:meranie_kapacity_13.jpg|framed|none]]
 
−
 
 
−
<br><br>1S1588 dióda , kapacita v závernom smere:
 
−
 
 
−
[[Image:meranie_kapacity_14.jpg|framed|none]]
 
−
 
 
−
Zdroj:
 
−
 
 
−
[http://www.mikrozone.eu/pluginy/content/content.php?content.29 http://www.mikrozone.eu/pluginy/content/content.php?content.29]
 
−
 
 
−
<u>'''Homepage projektu:'''</u>&nbsp;[http://elm-chan.org/works/cmc/report.html http://elm-chan.org/works/cmc/report.html]
 

Aktuálna revízia z 09:03, 21. marec 2013


Predmet
  • Blok čítača a časovača (M8C)
  • API čítača a časovača (M8C)
  • Generovanie časových intervalov (M8C)
  • Meranie času a frekvencie (M8C)
  • Presné meranie kapacity
  • Meranie polohy pomocou magnetostrikčného senzoru
  • Šírkový modulátor PWM
  • API PWM
  • Riadenie modelárskeho servomotora pomocou PWM
Konfigurovateľné mikroprocesorové systémy
Tématická časť:
Čítače, časovače a šírkové modulátory PSoC

Princíp činnosti

Princíp činnosti modulu spočíva v presnom meraní času nabíjanía a vybíjanía kondenzátora, tvoreného elektródami kapacitného snímača. Pre zvýšenie stability a presnosti merania sú namerané údaje digitálne filtrované. Štandardná doba merania je 200 msec, v prípade potreby dynamických meraní je možné dobu merania skrátiť až na 1 msec. K modulu DS-C1000 je možné cez rozhranie I2C pripojiť digitálny teplomer s presnosťou merania +/-0.5°C. Pri súčasnom meraní kapacity a teploty je štandardná doba merania 500 msec.

Modul je štandardne vybavený sériovým rozhraním RS232 (voliteľne RS485 alebo USB), prostredníctvom ktorého komunikuje s nadradeným systémom. Štandardnou súčasťou modulu sú výstupné porty - analógový 8-bit DAC s rozsahom 0 ... 5V, šírkovo modulovaný 16-bit PWM výstup a negovaný PWM výstup, binárne výstupy LOW, NORMAL, HIGH a sériový výstup Tx_DATA pre pripojenie zobrazovacích modulov DynaView.  Úrovne a stavy výstupných portov sa obnovujú priebežne po každom meraní a závisia od aktuálne nameranej hodnoty kapacity. Pomocou sériového rozhrania RS232 je možné definovať limitné hodnoty ''''L a ''''H, ktoré určujú dolnú a hornú hranicu, pre ktoré sú definované stavy výstupov a sú zároveň aj kalibračnými úrovňami snímača. V prípade potreby[1]ručnej kalibrácie je možné hodnoty ''''L a ''''H nastaviť pomocou dvoch tlačítok, ktoré sa nachádzajú na doske modulu. Výstupné porty je možné použiť na indikáciu nameranej hodnoty alebo na riadenie ďalších veličín, súvisiacich s meraným procesom.

K nameranej hodnote kapacity je možné priradiť kalibračnú funkciu f=Ax+B, (A-kalibračný koeficient, B-offset), touto funkciou je prepočítavaný výsledok merania, limitné hodnoty ''''La ''''H sa vzťahujú k výsledku kalibračnej funkcie.  Všetky kalibračné a identifikačné údaje jednotky, ako aj formát dát vysielaných do rozhrania DynaView sa ukladajú do vnútornej EEPROM pamäte modulu. V prípade potreby je možné vlastnosti modulu jednoducho preprogramovať pomocou obyčajného sériového terminálu alebo dodávaného programového vybavenia.


Meranie kapacity:

  • Rozsah: 0-1000pF
  • Presnosť: 0.1%(z maximálneho rozsahu)

Meranie teploty:

  • Rozsah: -25°C- +125°C
  • Presnosť: +/- 0.5°C(10 až 80°C )
+/- 1°C(-10 až 85°C )

Komunikácia:

  • RS232,19200Bd

Rozhrania:

  • Tx-Data sériové rozhranie TTL, 19200Bd
  • PWM 0 … 100%
  • logické výstupy pre stavy <LOW, NORMAL, >HIGH
  • analogový výstup 0 … 5V

Princíp merania

Neznáma kapacita Cx je pripojená k meraciemu obvodu pomocou kapacity Cv. Hodnota kapacity Cv je omnoho väčšia ako môže byť maximálna hodnota kapacity Cx.

Princíp meranie je založený na periodickom nabíjaní a vybíjaní kapacity Cx na polovičnú hodnotu napájacieho napätia. Teda doba vybíjania a nabíjania je úmerná kapacite Cx. Doba nabíjania a vybíjania nezávisí od napájacieho napätia, pri splnení podmienky Cv>>Cx je určená len hodnotouCx.

Zapojenie cap.png
Zapojenie spínačov

Riadenie nabíjania a vybíjania kondenzátora sa uskutočňuje pomocou spínačov S1až S4. Spínanie jednotlivých spínačov je vyobrazené na obrázku.

Spinanie cap.png
Spínanie jednotlivých spínačov
Meranie kapacity pomocou PSoC 03.jpg
Na obrázku je zobrazené klasické analógové zapojenie kapacitného hladinomera.
Meranie kapacity pomocou PSoC 04.jpg
Zapojenie pomocou mikrokontrolera PSoC CY8C27143.
Meranie kapacity pomocou PSoC 05.jpg
Bloková schéma

Zdroj : http://www.discovercircuits.com/PDF-FILES/capgage.pdf

Zdroj: „http://www.kiwiki.info/index.php?title=Presné_meranie_kapacity&oldid=11444“