Sirkuit ini didasarkan pada desain PCB sirkuit pengujian kapasitansi mikrokontroler PIC16LF874. Isi spesifiknya adalah sebagai berikut.
Cara Kerja Modul Pengukuran
Kapasitansi Diagram blok prinsip desain keseluruhan modul pengukuran kapasitansi ditunjukkan pada Gambar 1, termasuk sirkuit manajemen daya, mikrokontroler PIC16LF874, sensor kapasitif, sirkuit pengkondisi sinyal, konverter kapasitansi-ke-digital PS021, dan sirkuit antarmuka yang terhubung ke komputer.
Prinsip kerja modul pengukuran kapasitansi adalah: sensor kapasitif mengeluarkan sinyal kapasitansi yang lemah, dan sinyal kapasitansi tersebut melewati rangkaian pengkondisi sinyal. Masuk ke konverter kapasitansi-ke-digital PS021, rentang pengukuran kapasitansi perangkat ini berkisar dari 0 hingga puluhan nF (tidak terbatas), setelah konversi internal perangkat, melalui pengaturan register internal PS021, nilai yang diperlukan diperoleh; data dikirim melalui SPI ke mikrokontroler PIC16LF874, data pengukuran dikirim ke komputer atas (komputer) melalui antarmuka komunikasi serial asinkron USART mikrokontroler, dan akhirnya program aplikasi komputer atas menampilkan hasil pengukuran dan menyimpan data pengujian.
Koneksi perangkat keras
sistem Sirkuit pengukuran ini memerlukan perangkat pengendali untuk mengontrol pembacaan dan penulisan data. Mikrokontroler PIC16LF874 dengan struktur sederhana, fungsi yang kuat, dan kompatibel dengan antarmuka serial SPI dipilih. Karena antarmuka periferal PS02l adalah SPI, mikrokontroler tunggal dapat mengendalikan kerja PS02l dengan baik, dan data pengukuran dapat dikirim ke komputer host melalui antarmuka serial USART. Koneksi mikrokontroler ditunjukkan pada Gambar 2, sedangkan diagram koneksi PS021 ditunjukkan pada Gambar 3.
Realisasi Fungsi Perangkat Lunak Sistem
Perangkat lunak aplikasi yang dirancang berdasarkan PS021 mencakup program seperti deteksi, pengendalian, pemrosesan data, manajemen basis data, dan antarmuka sistem. Dalam kondisi kecepatan eksekusi program dan kapasitas penyimpanan, usahakan menggunakan perangkat lunak untuk merealisasikan fungsi hardware sistem instrumen tradisional dan menyederhanakan konfigurasi hardware. Selain itu, antarmuka merupakan "jendela" dari sistem pengujian dan instrumen virtual, serta merupakan cara utama sistem menampilkan informasi fungsional. Desain perangkat lunak tidak hanya harus mencapai fungsi, tetapi juga memiliki antarmuka yang menarik. Setelah menentukan platform perangkat keras sistem pengujian, kuncinya adalah memilih alat pengembangan perangkat lunak yang sesuai untuk menulis perangkat lunak aplikasi yang sesuai. Modul pengujian dikembangkan dalam bahasa pemrograman grafis. Lingkungan pengembangan dapat menyediakan lingkungan pengembangan terintegrasi, yang memudahkan koneksi dengan perangkat keras instrumen dan memiliki antarmuka pengguna yang baik. Berdasarkan prinsip desain program aplikasi komputer atas, perangkat lunak sistem pengujian diperoleh. Dengan mengatur beberapa parameter di antarmuka utama perangkat lunak, sirkuit perangkat keras terhubung ke komputer atas, dan hasil pengukuran dapat ditampilkan. Hasil pengukuran ditampilkan pada antarmuka tampilan data, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Uji Coba dan Hasil
Gunakan perangkat lunak di atas untuk melakukan pengukuran. Sebelum pengukuran, sistem pengukuran harus dikalibrasi. Saat kalibrasi, PS02l memerlukan kapasitansi referensi Cref dan kapasitansi yang diukur Cmeas berada dalam rentang nilai kapasitansi yang sama, yaitu memastikan rasio Cmeas/Cref tidak melebihi 25% (nilai batas PS02l). Kapasitansi referensi merupakan bagian yang sangat penting dan memiliki dampak langsung terhadap kualitas pengukuran serta stabilitas suhu pengukuran. Bahan kapasitor yang direkomendasikan: seri CFCAP (kapasitor keramik multilayer dari Taiyo Yuden), kapasitor keramik COG atau NPO. Resistansi pelepasan Rdis berkaitan erat dengan waktu pelepasan, di mana waktu pelepasan τ = 0,7R (C + 20 pF), dan konstanta waktu τ berkisar antara 2 hingga 10 μs (5 μs direkomendasikan). Nilai resistansi resistor pelepasan dihitung berdasarkan rumus.
Dalam pengujian, kapasitor tetap dengan nilai 1, 2, 3, 5,1, 6,8, 8,2, 9,1, 12, 13, 15, 16,5, dan 18 pF dipilih sebagai kapasitor yang diukur. Tentukan ukuran kapasitor referensi sesuai dengan rentang kapasitansi yang diukur, kemudian tentukan nilai resistansi resistor pelepasan berdasarkan kapasitansi yang diukur dan nilai kapasitansi referensi, dikombinasikan dengan waktu pelepasan, dan akhirnya pilih mode pengukuran yang sesuai untuk pengukuran. Pada sistem yang telah dikalibrasi, hubungkan kapasitor referensi ke terminal referensi dan terminal yang diukur masing-masing. Pada saat ini, nilai yang ditampilkan pada antarmuka tampilan data adalah jumlah dari nilai kapasitansi referensi dan nilai kapasitansi parasit (data yang ditampilkan oleh Sensor l pada Gambar 3); Kemudian hubungkan kapasitansi yang diukur secara paralel berdasarkan kapasitansi referensi terminal yang diukur. Data yang diukur adalah jumlah dari nilai kapasitansi yang diukur, nilai kapasitansi referensi, dan nilai kapasitansi parasit. Pengurangan nilai yang diukur pada dua langkah di atas adalah nilai yang diukur. Nilai kapasitansi , dan statistik nilai kapasitansi yang diukur yang akhirnya diperoleh ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1 mencerminkan kesalahan relatif antara nilai yang diukur dan nilai nominal kapasitansi yang diukur, dan diketahui pula bahwa semakin besar nilai kapasitansi yang diukur, semakin kecil kesalahan relatif antara nilai yang diukur dan nilai nominal. Karena kapasitansi yang diukur dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti suhu lingkungan, jumlah timah, dan kualitas kapasitansi yang diukur, terdapat kesalahan tertentu. Pengukuran diulang beberapa kali untuk mendapatkan nilai kapasitansi yang lebih stabil. Dalam sistem yang dikalibrasi, kapasitansi tetap diukur untuk memverifikasi akurasi modul pengukuran. Nilai yang diukur sangat mendekati nilai nominal. Dapat dikatakan bahwa kesalahan nilai nominal kapasitansi yang diukur relatif kecil. Diketahui pula bahwa akurasi pengukuran modul pengukuran kapasitansi lebih tinggi daripada modul pengukuran konvensional.
Mikrokontroler tunggal PlCl6LF874 dapat mengendalikan modul pengukuran kapasitansi dengan sangat baik, dan memiliki dampak positif yang signifikan terhadap penelitian sensor kapasitif. Mikrokontroler tunggal menyederhanakan desain sirkuit dan membuat hasil pengukuran mencapai akurasi yang lebih tinggi; pada saat yang sama, modul pengukuran ini dapat mengurangi ukuran papan sirkuit. Oleh karena itu, volume perangkat secara keseluruhan berkurang; hal ini sangat menyederhanakan proses desain sirkuit, mengurangi kesulitan pengembangan produk, dan memiliki arti penting dalam mempercepat pengembangan produk serta mengurangi biaya produksi. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa modul pengukuran memiliki kelayakan praktis yang baik.
