Diese Schaltung basiert auf dem PCB-Design der Kapazitätsprüfsignalschaltung des Mikrocontrollers PlCl6LF874. Die spezifischen Inhalte sind wie folgt.
Funktionsweise des Kapazitätsmessmoduls
Das Blockdiagramm des Gesamtdesigns des Kapazitätsmessmoduls ist in Abbildung 1 dargestellt und umfasst eine Stromversorgungsschaltung, einen PICl6LF874-Mikrocontroller, einen kapazitiven Sensor, eine Signalaufbereitungsschaltung, einen PS021-Kapazitäts-Digital-Wandler und eine mit dem Computer verbundene Schnittstellenschaltung.
Das Funktionsprinzip des Kapazitätsmessmoduls ist wie folgt: Der kapazitive Sensor gibt ein schwaches Kapazitätssignal aus, das durch die Signalaufbereitungsschaltung geleitet wird. Es gelangt in den Kapazitäts-Digital-Wandler PS02l, dessen Messkapazität im Bereich von 0 bis mehreren zehn nF (unbegrenzt) liegt. Nach der internen Umwandlung des Geräts wird durch die Einstellung der internen Register des PS02l der erforderliche Wert ermittelt. Die Daten werden über SPI an den Mikrocontroller PICl6LF-874 übertragen, die gemessenen Daten werden über die asynchrone serielle Kommunikationsschnittstelle USART des Mikrocontrollers an den übergeordneten Computer (Computer) gesendet, und schließlich zeigt das Anwendungsprogramm des übergeordneten Computers die Messergebnisse an und speichert die Testdaten.
System-Hardware-Anschluss
Diese Messschaltung benötigt ein Steuergerät, um das Lesen und Schreiben von Daten zu steuern. Es wird der Mikrocontroller PICl6LF874 mit einfacher Struktur, leistungsstarken Funktionen und Kompatibilität mit der seriellen SPI-Schnittstelle ausgewählt. Da die periphere Schnittstelle des PS02l SPI ist, kann der Einchip-Mikrocomputer die Arbeit des PS02l gut steuern, und die Messdaten können über die serielle USART-Schnittstelle an den Host-Computer gesendet werden. Der Anschluss des Einchip-Mikrocomputers ist in Abbildung 2 dargestellt, das Anschlussdiagramm des PS02l in Abbildung 3.
Realisierung der Systemsoftwarefunktionen
Die auf Basis des PS021 entwickelte Anwendungssoftware umfasst Programme wie Erkennung, Steuerung, Datenverarbeitung, Datenbankverwaltung und Systemschnittstelle. Unter Berücksichtigung der Programmausführungsgeschwindigkeit und Speicherkapazität sollte versucht werden, die Hardwarefunktionen herkömmlicher Instrumentensysteme mit Software zu realisieren und die Hardwarekonfiguration zu vereinfachen. Darüber hinaus ist die Schnittstelle das „Fenster” des Testsystems und der virtuellen Instrumente und dient in erster Linie der Anzeige von Funktionsinformationen durch das System. Das Software-Design sollte nicht nur Funktionen erfüllen, sondern auch eine ansprechende Benutzeroberfläche bieten. Nach der Festlegung der Hardware-Plattform des Testsystems ist es entscheidend, geeignete Software-Entwicklungswerkzeuge auszuwählen, um die entsprechende Anwendungssoftware zu schreiben. Das Testmodul wird in einer grafischen Programmiersprache entwickelt. Die Entwicklungsumgebung kann eine integrierte Entwicklungsumgebung bereitstellen, die eine bequeme Verbindung mit der Instrumentenhardware ermöglicht und über eine gute Benutzeroberfläche verfügt. Nach dem Prinzip des Anwendungsprogrammdesigns des übergeordneten Computers wird die Software des Testsystems erstellt. Durch Einstellen einiger Parameter in der Hauptoberfläche der Software wird die Hardwareschaltung mit dem übergeordneten Computer verbunden, und die Messergebnisse können angezeigt werden. Die Messergebnisse werden auf der Datenanzeigeoberfläche angezeigt, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Versuche und Ergebnisse
Verwenden Sie die oben genannte Software zur Messung. Vor der Messung muss das Messsystem kalibriert werden. Bei der Kalibrierung erfordert PS02l, dass die Referenzkapazität Cref und die gemessene Kapazität Cmeas im gleichen Kapazitätswertbereich liegen, d. h. dass das Verhältnis Cmeas/Cref 25 % (der Grenzwert von PS02l) nicht überschreitet. Die Referenzkapazität ist ein sehr wichtiger Bestandteil und hat einen direkten Einfluss auf die Qualität der Messung sowie auf die Temperaturstabilität der Messung. Empfohlene Kondensatormaterialien: CFCAP-Serie (Mehrschichtkeramikkondensatoren von Taiyo Yuden), COG- oder NPO-Keramikkondensatoren. Der Entladungswiderstand Rdis steht in engem Zusammenhang mit der Entladungszeit, wobei die Entladungszeit τ=0,7R (C+20 pF) beträgt und die Zeitkonstante τ zwischen 2 und 10 μs liegt (empfohlen werden 5 μs). Der Widerstandswert des Entladungswiderstands wird nach der Formel berechnet.
Im Test wurden die Festkondensatoren 1, 2, 3, 5,1, 6,8, 8,2, 9,1, 12, 13, 15, 16,5 und 18 pF als Messkondensatoren ausgewählt. Bestimmen Sie die Größe des Referenzkondensators entsprechend dem Bereich der gemessenen Kapazität und bestimmen Sie dann den Widerstandswert des Entladungswiderstands entsprechend der gemessenen Kapazität und dem Referenzkapazitätswert in Kombination mit der Entladezeit und wählen Sie schließlich den geeigneten Messmodus für die Messung aus. Schließen Sie im kalibrierten System einen Referenzkondensator an den Referenzanschluss und den Messanschluss an. Zu diesem Zeitpunkt ist der auf der Datenanzeigeoberfläche angezeigte Wert die Summe aus dem Referenzkapazitätswert und dem parasitären Kapazitätswert (die von Sensor l in Abbildung 3 angezeigten Daten). Schließen Sie dann die gemessene Kapazität parallel auf der Grundlage der Referenzkapazität des Messanschlusses an. Die gemessenen Daten sind die Summe aus dem gemessenen Kapazitätswert, dem Referenzkapazitätswert und dem parasitären Kapazitätswert. Die Subtraktion der Messwerte in den beiden oben genannten Schritten ergibt den Messwert. Der Kapazitätswert von und die Statistik des schließlich erhaltenen gemessenen Kapazitätswerts sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1 spiegelt den relativen Fehler zwischen dem Messwert und dem Nennwert der gemessenen Kapazität wider. Es ist auch bekannt, dass der relative Fehler zwischen dem Messwert und dem Nennwert umso kleiner ist, je größer der gemessene Kapazitätswert ist. Da die gemessene Kapazität durch Faktoren wie die Umgebungstemperatur, die Menge des Lötzinns und die Qualität der gemessenen Kapazität beeinflusst wird, gibt es gewisse Fehler. Um einen stabileren Kapazitätswert zu erhalten, wird der Durchschnitt aus mehreren Messungen gebildet. Unter dem kalibrierten System wird die feste Kapazität gemessen, um die Genauigkeit des Messmoduls zu überprüfen. Der gemessene Wert liegt sehr nahe am Nennwert. Es kann davon ausgegangen werden, dass der Fehler des Nennwerts der gemessenen Kapazität gering ist. Es ist ferner bekannt, dass die Messgenauigkeit des Kapazitätsmessmoduls höher ist als die des Messmoduls.
Der Einchip-Mikrocomputer PlCl6LF874 kann das Kapazitätsmessmodul sehr gut steuern und hat einen guten Förderungseffekt auf die Forschung zu kapazitiven Sensoren. Der Einchip-Mikrocomputer vereinfacht das Schaltungsdesign und sorgt für eine höhere Genauigkeit der Messergebnisse. Gleichzeitig kann dieses Messmodul die Leiterplatte verkleinern. Dadurch wird das Volumen des gesamten Geräts reduziert, der Schaltungsdesignprozess erheblich vereinfacht, die Schwierigkeit der Produktentwicklung verringert und die Produktentwicklung beschleunigt sowie die Produktionskosten gesenkt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das Messmodul eine gute Praktikabilität aufweist.
