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Das Projekt Ein Messgerät für Induktivitäten und Kapazitäten mit einem Atmel ATMega163 Microcontroller (LC-Meter) [1] wurde, so weit ich das feststellen konnte, gerne gelesen und es gab auch immer wieder Anfragen nach einer Platine. Leider hatte ich in der Vergangenheit weder ein brauchbares Layout noch überhaupt eine Platinen vorrätig, um diesen Wunsch zu erfüllen. Auch ist das ursprüngliche Projekt über das Experimentalstadium niemals hinausgekommen. Es war für einen Nachbau nicht besonders gut geeignet.
Etwa zur Jahreswende 2013/2014 hatte ich mich dann doch, nachdem einige Anfragen vorlagen, dazu entschlossen, eine neue Platine zu entwickeln, ein paar Exemplare fertigen zu lassen, die Platine zu bestücken und die Firmware zu aktualisieren. Am Grundprinzip hat sich gegenüber dem ursprünglichen Projekt nichts geändert. Wenn aber die Platine vorhanden ist, dann sollte es jetzt ein leichtes sein, daraus ein brauchbares Messgerät für Induktivitäten und Kapazitäten aufzubauen.
Dieser Artikel befasst sich im wesentlichen mit dem Aufbau, weniger mit der dahinter stehenden Theorie. Die Aussagen diesbezüglich aus dem alten Projekt sind immer noch richtig und können dort nachgelesen werden.
Der Schaltplan ist auf zwei Seiten verteilt. Die erste Seite behandelt den Analogteil, also den Oszillator, der zur Messung von Induktivitäten benutzt wird und den Timerbaustein, der zur Messung der Kapazitäten verwendet wird. Die zweite Seite zeigt den Digitalteil, der im wesentlichen aus dem Controller Atmel ATMega32 sowie einigen peripheren Bausteinen besteht. Als drittes schließlich der Bestückungsplan, der genau so auch als Bestückungsaufdruck auf der Platine zu finden ist:
Die Stückliste ist hier zu finden. Es kommen, wie man leicht sieht, durchweg bedrahtete Bauelemente zur Anwendung.
Gelegentlich wurde beobachtet, dass der LC-Oszillator mit dem LM311 nicht richtig anschwingt. Die gemessenen Induktivitätswerte schwanken dann sehr stark. Ich selber habe mittlerweile mehrere Platinen aufgebaut und mir sind keine Probleme aufgefallen. Ich hatte allerdings konsequent Reichelt-Bauteile gemäß der Stückliste verwendet. Mein Ratschlag wäre, zumindest bei folgenden Bauteilen unbedingt die angegebenen Reichelt-Bauteile einzusetzen: C9, C10, C13, C14 (hier wurde FKP-2 erprobt; den Styroflex- und den Glimmerkondensator hatte ich selber nicht erprobt. Ich hatte sie nur deshalb angegeben, weil sie eine noch etwas bessere Genauigkeit haben. Ich kann aber keinen Grund sehen, warum es mit denen nicht funktionieren soll) und IC2. Kritisch sind wahrscheinlich die Tantal-Elkos, die möglichst nicht durch normale Elkos ersetzt werden sollten. Für den LM311 habe ich ein Exemplar von Texas Instruments [4] benutzt. Zu anderen Herstellern kann ich nichts sagen.
Zu IC3, NE555, ist zu bemerken, dass ich ein klassisches Exemplar von ST [5] verwendet habe. Mir liegen keine Erfahrungen zur CMOS-Variante vor. Die Widerstände R8 bis R10 sollten ebenfalls den angegebenen Reichelt-Nummern entsprechen, da sie eine hohe Genauigkeit besitzen. Die Genauigkeit dieser drei Widerstände wirkt sich direkt auf die Genauigkeit der Kapazitätsmessung aus.
Als Anzeigeelement kommt ein OLED-Display mit zwei Zeilen zu je acht Zeichen zum Einsatz. Die Verwendung eines LC-Displays gleicher Größe ist nicht vorgesehen. Einerseits ist der Anschluss zur Kontrasteinstellung nicht herausgeführt und andererseits fehlen die Anschlüsse für die Hintergrundbeleuchtung. Außerdem wäre der Spannungsregler IC4 und vor allem sein Kühlkörper überfordert, wenn er weitere rund 200 mA regeln müsste.
Auf der Stückliste nicht erwähnt sind folgende Komponenten:
Der Aufbau ist unproblematisch. die folgenden Bilder zeigen ihn beginnend mit der leeren Platine. Das zweite Bild zeigt dann die Bestückung mit den niedrigsten Bauelementen (Widerstände) usw. bis schließlich das vorletzte Bild alle, auch die höchsten Bauteile (Kühlkörper, Stiftleisten), zeigt während das letzte Bild dann auch noch die eingesetzten ICs darstellt.
Bei den Tantal-Kondensatoren (C7, C9, C10, C12 und C19) und dem Elko (C24) ist die Polarität zu beachten genau so wie bei den Dioden. Da die Relais eingebaute Freilaufdioden haben, ist auch ihre Einbaurichtung unbedingt zu beachten. Der Plus-Pin ist auf dem Relais oft mit einem Plus-Zeichen markiert und ist an die Stelle zu löten, die auf dem Bestückungsaufdruck die Plus-Markierung hat.
Auch wenn die Platine die Versionsbezeichnung V1.0 trägt, so trägt das ganze Projekt die Versionsbezeichnung 2.0. Es ist einfach die erste ernst zu nehmende Version der Platine. Das Projekt an sich war (und ist) auch in der allerdings nicht explizit vergebenen Versionsnummer 1.0 ernst zu nehmen.
Einige Komponenten haben optionalen Charakter. Siehe Stückliste. Die Varianten werden im folgenden diskutiert.
Die Stiftleiste J5 (AUX1) kann weggelassen werden - standardmäßig wird sie nicht benutzt. Sie ist eher für eigene Experimente oder zukünftige Erweiterungen vorgesehen. Auch die Stiftleiste J3 (I2C) kann vorerst entfallen.
Zur Stromversorgung kann standardmäßig die Einbaukupplung nach DIN 45323 für Hohllochstecker verwendet werden. Das Layout ist dafür ausgelegt. Alternativ kann aber auch eine zweipolige Stiftleiste eingelötet werden, wenn man beispielsweise ein anderes Gehäuse verwendet und die Einbaukupplung vielleicht zu weit weg von der Rückwand ist.
Der Microcontroller ATMega32 besitzt eine serielle Schnittstelle (Pins 14 und 15), die an die Buchsenleiste J8 bzw. an den Platz für das Modul M1 herausgeführt ist.
An die Buchsenleiste J8 kann man das Bluetooth-Modul NIBOBee blue [6] anschließen und die Messwerte über Bluetooth auf ein Notebook, ein Tablet oder ein Smartphone übertragen, das einerseits selber Bluetooth unterstützt und andererseits über ein Terminalprogramm bzw. eine Terminal-App verfügt. Auf einem Notebook oder PC erscheint dieses Bluetooth-Modul dann, nachdem das Pairing erfolgreich stattgefunden hat, als eine serielle Schnittstelle COMx.
Alternativ kann aber auch das Modul M1 [7] bestückt werden, das dann eine USB-Schnittstelle zur Verfügung stellt. Das Modul ist bei ELV erhältlich und kann auf die Platine auf verschiedene Arten montiert werden. Entweder mit zwei M3-Schrauben fixiert und mittels dreier Drahtstücke mit der Platine verbunden (das wäre die robustere Lösung) oder ähnlich wie das Bluetooth-Modul mittels Buchsenleiste und Stiftleiste - zum experimentieren wohl ausreichend; für einen "Produktivbetrieb" aber sicher nicht robust genug, weil nicht fest mit der Platine verbunden.
Momentan wird die serielle Schnittstelle jedoch noch nicht sehr systematisch genutzt. Eine Bestückung eines der beiden Module ist also nicht zwingend erforderlich. Zu einem späteren Zeitpunkt könnte die Schnittstelle jedoch zu folgenden Zwecken benutzt werden:
Wichtig: es kann nur entweder das Bluetooth oder das USB-Modul (oder natürlich keines) bestückt werden. Auf keinen Fall dürfen beide Module gleichzeitig bestückt werden. Eines von beiden oder sogar beide werden ansonsten beschädigt werden, weil die modulseitigen TxD-Leitungen (Ausgänge!) aufeinandertreffen und sich - je nach Pegel - gegenseitig zerstören können. Danach ist mindestens ein Modul unbrauchbar.
Ohne dass ich es jemals ausprobiert hätte glaube ich, das mit der selben Firmware auch ein einzeiliges OLED-Display mit 8 Zeichen zu betreiben wäre. Das würde vielleicht eine besonders kompakte Bauweise ermöglichen. Da der Messwert immer in der ersten Zeile steht, kann man eventuell auf die Informationen aus der zweiten Zeile verzichten. Bislang wird sowieso nur angezeigt, ob die Nullpunktkorrektur aktiv ist, oder nicht. Dies kann alternativ aber auch über die ZERO_LED geschehen.
Die Platine ist für den Einbau in das Gehäuse Bopla UM32009 [2] ausgelegt (z.B. Reichelt UM 32009 "BOPLA-Frontplattengehäuse, 199x157,5x62,2mm"). Die Stromversorgungsbuchse und - falls bestückt - die USB-Buchse schließen dann bündig mit der Innenseite der Rückwand ab. Wird dieses Gehäuse benutzt, dann muss man jedoch die Platine auf kleine Abstandsrollen mit 5 mm Höhe montieren (z.B. Reichelt DK 5MM "Distanzhülsen, Kunststoff, 5mm" oder DKM 5MM "Distanzhülsen, Messing vernickelt, 5mm"). Als Schrauben eignen sich Blechschrauben der Größe 2,9 x 13 mm (z.B. Reichelt SBL 2913-100 "PAN Head, Kreuzschl. PZD, 2,9 x 13mm, 100 Stk"), die allerdings mit einem kräftigen Seitenschneider um etwa 1 mm zu kürzen sind. Sonst besteht die Gefahr, dass sich die Spitzen der Schrauben durch das Gehäuse durchdrücken und man unschöne Druckstellen auf der Außenseite der unteren Gehäusehalbschale sieht. Zusätzlich empfehle ich noch eine passende Unterlegscheibe zwischen Platine und Schraubenkopf zuzufügen (z.B. Reichelt SKU 3,2-100 "Unterlegscheiben, 3,2mm, 100 Stk."). Das folgende Bild zeig die bestückte Platine, wie sie in die untere Gehäusehalbschale montiert ist.
Das folgende Bild zeigt das OLED-Display (allerdings noch mit Schutzfolie).
Das Display besitzt Lötkontakte um das zu J1 (OLED) führende Kabel anschließen zu können. Die einfachste Möglichkeit ist, die einzelnen Adern des Flachbandkabels direkt dort von der Rückseite (Lötseite der OLED-Platine) anzulöten. Nummer 1 ist die farbig markierte Ader des Flachbandkabels bzw. das mit 1 markierte Lötpad auf der OLED-Display-Platine. Das Lötpad Nummer 2 ist ebenfalls auf der Platine noch angegeben. Alle weiteren Nummern ergeben sich dann von allein.
Etwas eleganter ist die Variante, einen Leiterplattenverbinder zu verwenden (z.B: Reichelt LPV 14 "Leiterplattenverbinder, 14-polig"). Das Kabel wird mittels Schneid-Klemmtechnik montiert und der Verbinder dann direkt von der Bestückungsseite in die OLED-Display-Platine eingelötet. Der Nachteil ist, dass der Leiterplattenverbinder etwa 3 mm höher ist, als das Display. Das Display kann also nicht bündig hinter die Frontplatte montiert werden.
Für mich hat sich das nicht als problematisch erwiesen. Ich habe es dabei belassen.
Was definitiv nicht geht, ist, den Leiterplattenverbinder auf der Rückseite (Lötseite) der OLED-Display-Platine zu bestücken. Dann sind nämlich alle geradzahligen und ungeradzahligen Pins vertauscht. Auch die Stromversorgung! Das LC-Meter wird nicht funktionieren. Man müsste dann auch den Wannenstecker J1 (OLED) auf der LC-Meter-Platine von hinten montieren. Wer also mit den 3 mm Überstand des Leiterplattenverbinders nicht leben kann, muss leider die 14 Adern einzeln von Hand mit der OLED-Platine verlöten.
Wenn man sich also zur Variante mit dem Leiterplattenverbinder entscheidet, dann bemerkt man schnell, dass ein Befestigungsloch dann nicht mehr nutzbar ist. Aber das Display lässt sich auch mit drei Schrauben hervorragend befestigen. Das folgende Bild zeigt das Display, wie es auf die Trägerplatte montiert ist.
Wie man auf dem obigen Bild sieht, habe ich mich für einen Taster der Reihe Digitast mit eingebauter LED entschieden. Dieser Taster lässt sich natürlich nicht direkt an der Frontplatte befestigen sondern er muss auf eine kleine Platine gelötet werden. Dafür bietet sich ein kleines Stück Lochrasterplatte an. Diese kleine Lochrasterplatte wird dann auf zwei Abstandsbolzen montiert.
Das folgenden beiden Bilder zeigen die Frontplatte aus verschiedenen Perspektiven. Die Messbuchsen sind bereits montiert;
Die Frontplatte wurde von Schaeffer AG [8] als Einzelstück gefertigt. Sie enthält einen Ausschnitt für das OLED-Display in den eine passende Acrylglasscheibe (auch von Schaeffer AG gefertigt) eingelegt ist. Hinter die Frontplatte wird mit Abstandsbolzen eine Trägerplatte montiert, auf die das OLED-Display und der ZERO-Taster montiert werden. Die folgenden beiden Bilder zeigen die Trägerplatte.Die mit der Trägerplatte verschraubte Frontplatte zeigt das folgende Bild. Die beiden Messbuchsen sind auf der Frontplatte montiert; das OLED-Display und der Taster mit LED ist auf der Trägerplatte montiert. Beide Platten werden über Abstandsbolzen zusammengehalten.
Die Datenfiles für die Frontplatte, die Acrylglasscheibe und die Trägerplatte können hier heruntergeladen werden. Die Files können mittels Schaeffer Frontplattendesigner angesehen und ggf. bearbeitet werden.
Setzt man die Frontplatte in die dafür vorgesehene Nut in das Gehäuse ein und verschraubt die Platine mit der Gehäuseunterschale, dann ist das LC-Meter fertig. Die folgenden Bilder zeigen das LC-Meter kurz vor dem aufsetzten der oberen Gehäusehalbschale.
Zum Abschluss noch eine paar Bilder des geschlossenen betriebsfertigen LC-Meters mit einigen Messungen.
Hinweis: die Mesobjekte befanden sich zum photographieren im Inneren des Gehäuses. Messleitungen und Kontaktierung am Messobjekt haben sich als sehr störrisch erwiesen. Die Messungen sind also echt.
Der Taster ist mit dem Anschlüssen ZERO_KEY und GND der Stiftleiste AUX2 zu verbinden. Der LED ist zunächst ein Widerstand in Reihe zu schalten (Größenordnung 1 kOhm - je nach zulässigem Strom durch die LED) und diese Kombination ist dann mit den Pins ZERO_LED und +5V der Stiftleiste AUX2 zu verbinden, wobei die Anode der LED (ob nun direkt oder über den Vorwiderstand ) mit +5V zu verbinden ist. Der Vorwiderstand befindet sich nicht auf der Platine.
In einem Fall wurde berichtet, dass trotz ansonsten korrektem Aufbaus im Display keine Anzeige erfolgt ist. Das Problem konnte dadurch behoben werden, dass die Reset-Taste betätigt wurde. Danach ist das Problem nie mehr aufgetreten.
Die Bedienung ist eigentlich ganz einfach. Nachdem die Stromversorgung angeschlossen wurde, erscheint für etwa eine Sekunde lang ein kleines Copyright-Statement auf dem Display, das danach verschwindet, um den aktuellen Messwert anzuzeigen. Das Messgerät erkennt selbstständig, ob ein Kondensator oder eine Induktivität angeschlossen ist und führt die passende Messung aus. Eine manuelle Umschaltung zwischen C- und L-Messung ist daher überflüssig und auch nicht vorhanden. Sind die Messeingänge offen, dann wird von einer C-Messung ausgegangen. Sind die Messeingänge kurzgeschlossen, dann handelt es sich um eine L-Messung. Kurzschließen der Messleitung ist erlaubt, ohne dass das Messgerät davon Schaden nimmt (eine 1 µH-Drossel ist ja auch faktisch ein Kurzschluss!).
Je nach Messbereich und Bauteil (L oder C) kann man die Reed-Relais hören. Insbesondere bei der L-Messung werden die verschiedenen Konfigurationen (vier Stück) hergestellt und die jeweilige Frequenz gemessen. Bei der C-Messung wird der richtige Messbereich gesucht, um in vernünftiger Zeit ein Messergebnis vorliegen zu haben. Ist nichts angeschlossen, dann verhalten sich die Relais ruhig.
Wenn also nichts angeschlossen ist, dann wird standardmäßig ein kleiner Kapazitätswert von einigen 10 pF angezeigt - der Wert hängt vom individuellen Aufbau ab (bei mir sind es rund 50 pF). Mit einem Druck auf die Taste ZERO_KEY (Anzuschließen an AUX2) wird der Messwert so korrigiert, dass bei offenem Messeingang tatsächlich 0 pF angezeigt werden. Damit ist es möglich, auch sehr kleine Kapazitäten mit guter Genauigkeit zu messen. Drückt man erneut ZERO_KEY, dann wird die Nullpunktkorrektur wieder aufgehoben.
Momentan reagiert die ZERO_KEY-Taste noch etwas hakelig. Man muss sie manchmal ein weiteres mal drücken, um in den korrigierten Modus oder zurück in den unkorrigierten Modus zu wechseln. Bei der L-Messung wird momentan keine Korrektur durchgeführt. Die Induktivität der Messleitung (wenn diese wenige 10 cm lang ist) ist von der Größenordnung 1 µH und fällt damit sowieso nicht wirklich ins Gewicht.
Ob die Nullpunktkorrektur aktiv ist, oder nicht, wird im Display in der zweiten Zeile angezeigt. Zusätzlich kann man noch eine Leuchtdiode an den ZERO_LED-Anschluss (AUX2) anschließen, die, wenn die Korrektur aktiv ist, leuchtet und andernfalls aus ist. Diese Variante ist nur dann sinnvoll, wenn, wie bereits weiter oben erwähnt, der ZERO_KEY-Taster eine eingebaute LED besitzt.
Hier die vorläufige Version der Firmware als komplettes gezipptes Projektverzeichnis für Atmel Studio 6.1. Das File zum flashen (LC-Meter-003.hex) befindet sich dann im Debug-Verzeichnis. Da das EEPROM noch nicht genutzt wird, kann das File LC-Meter-003.eep ignoriert werden.
Die Fuses sind wie folgt einzustellen:
OCDEN = [ ] JTAGEN = [ ] SPIEN = [X] CKOPT = [ ] EESAVE = [ ] BOOTSZ = 256W_3F00 BOOTRST = [ ] BODLEVEL = 2V7 BODEN = [ ] SUT_CKSEL = EXTHIFXTALRES_16KCK_64MS HIGH = 0xDF (valid) LOW = 0xFF (valid)
Tipp: Die Fuse SPIEN niemals wegnehmen, weil man sich sonst selber 'aussperrt' - der Controller ist dann nur noch mit einem geeigneten Programmiergerät, das den Parallel-Mode unterstützt, zu programmieren. Etwa mit dem STK500.
Von Zeit zu Zeit werde ich Aktualisierungen liefern. Diese Version funktioniert mit den in der Stückliste aufgeführten Komponenten; d.h. insbesondere mit dem dort genannten OLED-Display.
Einige kommerziell gefertigte Platinen sind beim Autor noch erhältlich und können per Mail angefragt werden. Der Stückpreis liegt bei 15,00 Euro (100mm x 120 mm, doppelseitig durchkontaktiert, Lötstopplack beidseitig grün, Bestückungsaufdruck weiß auf der Bestückungsseite, bleifrei, geeignetes Lötwerkzeug vorausgesetzt von geübten Elektronikbastlern leicht zu bestücken); der Versand innerhalb Deutschlands ist zuzüglich 3,00 Euro. Außerhalb Deutschlands, aber innerhalb der EU zuzüglich 5,00 Euro. Andere Länder auf Anfrage. Da ich keine programmierten Prozessoren versende, wird außerdem ein für Atmel-Prozessoren geeignetes Programmierinterface vorausgesetzt (Originale und Nachbauten sind für max. 40 Euro im einschlägigen Versandhandel erhältlich) sowie das aktuelle AVR-Studio, das nach Registrierung bei Atmel kostenlos verfügbar ist.
Eine spätere Version der Firmware könnte möglicherweise über das USB-Modul (oder evtl. auch das BlueTooth-Modul) aktualisiert werden. Das ist aber für mich ein nachrangiger Punkt auf der Prioritätenliste. Momentan steht diese Funktionalität nicht zur Verfügung.