Capacímetro con Arduino

La plataforma de programación de Arduino es muy versátil. Al ser un sistema de código abierto, hay mucha gente que colabora y comparte sus programas. Con Arduino es muy sencillo diseñar y fabricar cualquier dispositivo electrónico a medida. Sólo hay que buscar las librerías del proyecto que tengamos en mente, y escribir unas pocas líneas de código para  hacer que todo funcione según lo hemos pensado. Hace unos días me preguntaron si conocía la librería Capacitor.h, y como la mejor forma de conocer una librería es trabajar con ella, hice este capacímetro con Arduino. Como en realidad son dos librerías, he utilizado las dos dentro del mismo código.

«Capacitor.h» permite medir capacidades comprendidas entre 1pF y 100μF.

https://wordpress.codewrite.co.uk/pic/2014/01/21/cap-meter-with-arduino-uno/

«CapacitorLite.h» utiliza menos almacenamiento de programa y funciona más rápido. Puede medir entre 0,2pF y 655pF, pero se aumenta su resolución porque entrega los valores en pFx100 (dos decimales).

https://wordpress.codewrite.co.uk/pic/2014/01/25/capacitance-meter-mk-ii/

Esquema del capacímetro

Este capacímetro está construido con un ATMEGA328P y sus componentes mínimos: el circuito oscilador y el del Reset.

Esquema del Capacímetro.

Para montar todo esto, utilicé un PCB de los que me sobraron cuando hice el Shield del programador ISP para Arduino.

Shield programador ATmega/ATtiny (ARDUINO)

El único problema es que tuve que hacer algunos puentes con cable por debajo.

Puentes a realizar en el PCB del Capacímetro-

Para alimentar el capacímetro utilicé una batería LiPo de 3,86V de tensión nominal, es un módulo recuperado de la batería de un PC. El largo y ancho del capacímetro lo hice en función del tamaño de la batería. La batería va alojada en la base de la caja, debajo de toda la electrónica. Para elevar la tensión de la batería a 5V, es necesario un circuito Step-Up Converter. El primer circuito Step-Up que utilicé interfería las lecturas del conversor ADC, y el capacímetro mostraba algunas medidas erróneas. Al final probé con un módulo MT-3608, previamente ajustado a 5V, y se acabaron los problemas. Para cargar la batería, utilicé el módulo de carga y protección TP-4056.

La  medida de la capacidad se muestra en un display LCD de 2×16 caracteres, utilizando la librería CapacitorLite si el condensador bajo prueba mide menos de 655 pF, o Capacitor.h para mostrar capacidades hasta 100μF. El rango de la medida de capacidad se podría aumentar un poco más, pero la precisión empeora rápidamente.

Código de programación

En los comentarios de inicio del programa están los detalles de funcionamiento, y los link de acceso a las dos publicaciones de Jonathan Nethercott, donde explica con más detalle el funcionamiento de las dos librerías y su calibración.

Código Arduino para el Capacímetro.

Al principio del código se definen los pines de conexión del display LCD y los dos pines donde las dos librerías medirán el condensador bajo prueba: el pin digital 12 y el analógico 2. Para realizar la medida, la librería genera un impulso de 5V de corta duración, alrededor de 100μSeg.

Impulso generado por el Capacímetro.

Posteriormente se realiza la media de tensión en el condensador entre los pines D12 y A2, en función de la capacidad interna y la resistencia PullUp del microprocesador que se utiliza. Estos valores los define de forma automática la librería, pero se pueden calibrar para aumentar la precisión.

En el void setup() se define la velocidad del puerto serie y se genera el mensaje de presentación en el LCD y el puerto serie. También se pueden modificar los valores de calibración de las dos librerías si fuera necesario.

En el void loop() se repite el ciclo de medida de capacidad cada segundo. Se empieza midiendo la capacidad con la librería CapacitorLite.h. El valor de esta medida es en pF x 100, por lo que habría que dividir el valor obtenido entre 100 para mostrar la medida en pF, pero primero se comprueba si el valor obtenido es menor de 65.500, ya que el contador es de 16 bits y se desborda al superar 65.535. A continuación se puede ver el impulso de 5V de corta duración, que genera el pin D12 para realizar la medida de capacidad.

Si el valor de la medida fuese mayor de 655pF, se repetiría la medida utilizando la librería Capacitor.h. A continuación se pueden ver los dos impulsos que genera el pin D12, uno a continuación del otro, para realizar otra medida de capacidad utilizando la segunda librería.

Doble impulso del capacímetro

Con Capacitor.h se obtienen directamente valores en pF. Mediante el código se ajustan los valores superiores a 1.000 para que se muestre en nF, y si la medida es superior a 1.000.000, se ajusta el valor a μF. Al principio de todo, se comprueba que el valor medido sea inferior a 101 μF, con el fin de no mostrar valores imprecisos en las medidas.

Al final del código se muestra la medida realizada en el LCD y a través del puerto serie, añadiendo una indicación de actividad en el display durante 300mSeg. Al final se realiza una pausa de 700mSeg. antes de repetir de nuevo el ciclo de medida.

Firmware

El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:

https://github.com/J-RPM/Capacimeter/

Caja 3D del Capacímetro

La caja del Capacímetro la hice con 3 piezas, impresas en 3D con PLA de color negro. Para que destaque la serigrafía, se puede pintar con un pincel fino y pintura sintética, utilizando cualquier color que sea claro.

Caja 3D para el Capacímetro.

Caja del Capacímetro – Thingiverse: Capacimeter with Arduino

¿Necesitas fabricar un circuito impreso?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

Logo: PCBWay

https://www.pcbway.es/

Plato giratorio con motor paso a paso

Construcción de un plato giratorio, con un motor paso a paso unipolar de 5 hilos 28BYJ-48. Los platos giratorios se utilizan desde hace mucho tiempo en los escaparates como expositores, sobretodo en tiendas de relojes y joyerías. En mi caso, lo voy a utilizar para grabar algunas escenas de montajes electrónicos. Este plato puede girar en ambos sentidos con gran precisión, y a una velocidad configurable a elegir entre uno de sus 6 preset. El controlador del motor está hecho con un microcontrolador Atmega328P (Arduino). Aprovechando la gran precisión de giro de los motores paso a paso, este plato giratorio se podría utilizar como temporizador cíclico, montando levas en el plato para accionar uno o varios pulsadores.

Motores Paso a Paso

Un motor paso a paso convierte los impulsos eléctricos que recibe en sus bobinas, en movimiento de rotación, y se considera como un motor de corriente continua sin escobillas.

Motor Unipolar de 5 hilos

Un motor paso a paso funciona con tensión continua, y puede ser de casi cualquier tamaño y par. Cuando se le aplica energía en alguno de sus bobinados, da un «paso» en lugar de girar constantemente. Cada paso provoca una rotación con un ángulo especificado por el fabricante del motor, ya que depende del número de polos del motor y su demultiplicación interna.

Un motor paso a paso se comporta como un conversor Digital-Analógico (D/A), convirtiendo los impulsos digitales de tensión que recibe en giros analógicos de gran precisión. Estos motores se utilizan en cualquier dispositivo electrónico que requiera mover objetos con gran precisión: impresoras convencionales y 3D, escáner, plotter, fresadoras CNC, grabadores láser, etc.

Stepper motor 28BYJ-48

Model : 28BYJ-48
Rated voltage : 5VDC
Number of Phase : 4
Speed Variation Ratio : 1/64
Stepper Motor 5V 4-Phase 5-Wire & ULN2003 Driver Board
Stride Angle : 5.625° /64
Frequency : 100Hz
DC resistance : 50Ω±7% (25℃)
Idle In-traction Frequency : > 600Hz
Idle Out-traction Frequency : > 1000Hz
In-traction Torque >34.3mN.m (120Hz)
Self-positioning Torque >34.3mN.m
Friction torque : 600-1200 gf.cm
Pull in torque : 300 gf.cm
Insulated resistance >10MΩ (500V)
Insulated electricity power :600VAC/1mA/1s
Insulation grade :A
Rise in Temperature <40K (120Hz)
Noise <35dB (120Hz, No load, 10cm)

Control del plato giratorio

Para controlar los ángulos de giro y velocidad de un motor paso a paso, es necesario saber como mínimo el número de pasos por vuelta del motor, su tensión de alimentación y la frecuencia máxima de funcionamiento.

El motor 28BYJ-48 hace un giro completo cada 64 pasos, pero incluye una reducción de 1/64 . Como resultado tenemos 64×64 = 4096 pasos por vuelta. Como el motor se acopla al plato mediante un piñón y una corona de relación 1/7, los cálculos de giro los tendremos que calcular en función de 4096×7 = 28972 pasos por vuelta.

Al tratarse de un motor de 4 fases, es posible controlarlo en ciclos de 4 pasos. Aunque se pierda un poco de PAR, los fabricantes aconsejan hacer funcionar el motor en modo “Half Step Drive” (medio paso), haciendo los saltos menos bruscos y reduciendo su consumo.

Secuencia de 8 pasos, para mover el motor 28BYJ-48 en Half Step Drive:

Secuencia de 8 pasos, para alimentar el motor paso a paso unipolar de 5 hilos 28BYJ-48

Construcción del Plato giratorio

Para la construcción de este plato giratorio he utilizado el motor paso a paso unipolar de 5 hilos 28BYJ-4.  Este motor junto con su driver de control, se puede conseguir por Internet por menos de 5 Euros. Al tratarse de un motor unipolar, no es necesario utilizar un driver del tipo Puente H, necesario para controlar los motores bipolares de 4 hilos.

Driver para motor paso a paso unipolar de 5 hilos

El driver de este motor es muy sencillo, sólo necesita 4 transistores en montaje Open-Collector para suministrar la corriente necesaria a las bobinas del motor. El driver que se incluye con este motor utiliza 4 entradas-salidas del circuito integrado ULN2003, de las 7 que incluye el chip. También lleva 4 indicadores LED para señalizar cuando se está alimentado cada una de las 4 bobinas del motor.

El controlador del motor lo he montado aprovechando el PCB del Shield del programador ISP de Arduino UNO que hice hace unos años.

Shield programador ATmega/ATtiny (ARDUINO)

Sólo es necesario cortar una pista del circuito impreso, y unir 11 pines del ATmega328P con su puntos de conexión correspondiente, como si se tratase de un Arduino UNO.

Esquema del plato giratorio con Arduino

En el esquema de montaje se muestran todos los puentes que hay que hacer en color rojo, así como los componentes que hay que montar, resaltados en color verde. Para alimentar todo el circuito, he utilizado una pequeña fuente conmutada de 230VAC-5VDC de 500 mA.

Acceso a descargas

Firmware para cargar en Atmega328P:

Plato_28BYJ-48.rar

Caja y engranajes 3D – Thingiverse:

Turntable, with a 28BYJ-48 5-wire unipolar stepper motor

¿Necesitas fabricar un PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

Logo: PCBWay

Ahora también puedes encargar trabajos 3D, mecanizados con CNC y fabricación de cajas metálicas o de plástico inyectado.

https://www.pcbway.es/

Shield programador ATmega/ATtiny (ARDUINO)

Diseño de un Shield programador ISP para la tarjeta de desarrollo Arduino UNO. Este programador es compatible con los micro-controladores: ATmega 48/88/168/328P de 28 pines, y con los ATtiny 25/45/85 de 8 pines.

Shield programador ISP

Este montaje es una modificación del programador ISP para micro-controladores ATmega, que mostraba aquí:

ARDUINO a fondo… no te lo pierdas!!!

KT002 Arduino UNO R3 Starter Kit 

Programador ISP para ATmega/ATtiny

Haciendo una pequeña modificación sobre el programador ISP de ATmega, podemos hacer que sea compatible con los micro-controladores de 8 pines ATtiny.

Pinout ATtiny

Si observamos la distribución de los pines de los micro-controladores ATtiny, podemos comprobar que si los insertáramos en el zócalo del programador del ATmega (28 pines), posicionando el pin 1 del ATtiny en el pin 9 del programador ISP, apenas tendríamos que realizar 2 cambios en el circuito para poder programarlos.

Montaje: Programador ISP

  1. El pin 12 del programador ISP lo podríamos conectar directamente a la línea GND, necesaria para alimentar el ATtiny cuando lo estamos programando… y la conexión del pin 12 a GND del ATmega no afecta a su programación.
  2. En el pin 9 del programador ISP tendremos que poner un pequeño conmutador, mediante la posición de un puente, para conectar el cristal de cuarzo cuando tengamos que programar un ATmega. Cuando tengamos que programar un ATtiny, el pin 9 del zócalo habrá que unirlo con el pin 1 (cambiando la posición del puente)… ya que el pin 9 del zócalo se corresponde con el pin 1 del ATtiny = Reset (ver el esquema anterior)

Shield para Arduino UNO

Con la construcción de un PCB hecho a medida de la tarjeta de desarrollo  Arduino UNO, se consigue hacer un programador mucho más compacto y versátil.

Esquema + PCB: Programador ISP

Así no sería necesario realizar la conexión con puentes entre ambas placas, cada vez que quisiéramos utilizar nuestro Arduino UNO como programador.

¿Dónde fabricar el PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay, y es la empresa PCBWay es un fabricante de circuitos impresos en China. Puedes encargar tus diseños – PCB Low Cost – que yo he elegido en esta ocasión.

Logo: PCBWay

https://www.pcbway.com/

Esta empresa, aparte de ser grande y tener muy buenos precios, dispone de un apartado en su Web para alojar los diseños y poder compartirlos.

https://www.pcbway.com/project/shareproject/

Link of my shared project: 

PCB from PCBWay