Arduinoで複数チャネルでの静電容量測定

実現したいこと

下記ページの"Capacitance Meter for 470 uF to 18 pF Capacitors"を参考にシングルチャネルでの静電容量を測定するためのプログラムは組めました。今度はこれを拡張して複数チャネル、例えば5チャネルで同時に静電容量を測定したいと思っています。

https://www.circuitbasics.com/how-to-make-an-arduino-capacitance-meter/

発生している問題・分からないこと

使用しているのはarduino unoのため下記のプログラムのやり方ではアナログ入力端子が足りず拡張しようとしても、回路が組めません。色々ネット上を探しているとアナログ入力端子を使っても5つの入力でもグランドを共通にしてるのか、6本のアナログ入力にしていたり、ディジタル入力端子を使っていそうなものも見られるのですがいずれにしても具体的な配線方法やプログラムが全くわかりません。ちなみに、下記の"Capacitance Meter for 470 uF to 18 pF Capacitors"と同様に外部抵抗無しで測定したいと思ってます。

https://www.circuitbasics.com/how-to-make-an-arduino-capacitance-meter/

該当のソースコード

const int OUT_PIN = A2;
const int IN_PIN = A0;
const float IN_STRAY_CAP_TO_GND = 24.48;
const float IN_CAP_TO_GND  = IN_STRAY_CAP_TO_GND;
const float R_PULLUP = 34.8;  
const int MAX_ADC_VALUE = 1023;

void setup(){
  pinMode(OUT_PIN, OUTPUT);
  pinMode(IN_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop(){
    pinMode(IN_PIN, INPUT);
    digitalWrite(OUT_PIN, HIGH);
    int val = analogRead(IN_PIN);
    digitalWrite(OUT_PIN, LOW);

    if (val < 1000){
      pinMode(IN_PIN, OUTPUT);

      float capacitance = (float)val * IN_CAP_TO_GND / (float)(MAX_ADC_VALUE - val);

      Serial.print(capacitance, 3);
      Serial.print(F("e-12"));
      Serial.println(F(") "));
    }

    else{
      pinMode(IN_PIN, OUTPUT);
      delay(1);
      pinMode(OUT_PIN, INPUT_PULLUP);
      unsigned long u1 = micros();
      unsigned long t;
      int digVal;

      do{
        digVal = digitalRead(OUT_PIN);
        unsigned long u2 = micros();
        t = u2 > u1 ? u2 - u1 : u1 - u2;
      } while ((digVal < 1) && (t < 400000L));

      pinMode(OUT_PIN, INPUT);  
      val = analogRead(OUT_PIN);
      digitalWrite(IN_PIN, HIGH);
      int dischargeTime = (int)(t / 1000L) * 5;
      delay(dischargeTime);   
      pinMode(OUT_PIN, OUTPUT);  
      digitalWrite(OUT_PIN, LOW);
      digitalWrite(IN_PIN, LOW);

      float capacitance = -(float)t / R_PULLUP / log(1.0 - (float)val / (float)MAX_ADC_VALUE);

      if (capacitance > 1000.0){
        Serial.print(capacitance / 1000.0, 2);
        Serial.print(F("e-6"));
      }
      else{
        Serial.print(capacitance, 2);
        Serial.print(F("e-9"));
      }

      Serial.println(F(") "));
      Serial.print(digVal == 1 ? F("Normal") : F("HighVal"));
      Serial.print(F(", t= "));
      Serial.print(t);
      Serial.print(F(" us, ADC= "));
      Serial.print(val);
      Serial.println(F(")"));
    }
    while (millis() % 1000 != 0);    
}

試したこと・調べたこと

teratailやGoogle等で検索した
ソースコードを自分なりに変更した
知人に聞いた
その他

上記の詳細・結果

アナログ入力を使った静電容量測定に関する情報は比較的出てきますが、デジタル入出力を使ったものはあまり出てきません。

補足

特になし

y_waiwai

2025/04/24 00:18

で、しつもんはなんでしょうか

toooomuuuu

2025/04/24 00:33

複数チャネルで測定するための上記のような外部抵抗を使わないプログラムと回路の配線方法が知りたいです。

thkana

2025/04/26 06:38

マイコンの多入力ADCは、そもそもADC自体は一つでその入力を切り替えているものがほとんどだと思います。注意深く設計しないと、特に小容量を測定しようとした場合には切り替え回路の残り電荷とかで痛い目をみたりもしそうな気がします。正直、まともに考えるのならADCを必要数並べてしまった方がよいのではないか、と私は思いますけれど。多入力のADCを使わなきゃいけない合理的な理由があるのでしょうか？で。 > プログラムと回路の配線方法が知りたいです。なんだか「あなたが自分でやること」が残っていないような気がします。つまり、全部丸投げで教えろ、あなたの代わりに設計しろ、ということでしょうか？それはなんだかなぁ...

行動規範の内容に同意します

回答1件

ベストアンサー

単純に、アナログ入力ピンが足りない、という事なので、必要数のあるマイコンボードに変えるか、アナログマルチプレクサ(74ＨＣ4053とか)あたりを繋いでピン数を稼ぐか、ではないかな。

ただし、マイコンの内部プルアップ抵抗を使って測定しているようなので精度は良くないと思いますよ。
その辺りの係数はもう一度測り直した方が良いと思います。

《追記》
勧めるわけでは無いが、ちょっと試したので報告。

中華UNOで添付画像のように

A0～A3：0.33uF　3つ
A3～A5: 0.01uF　2つ

を直接端子に挿して試したところ、

1: Capacitance Value = 327.00 nF (Normal, t= 7548 us, ADC= 496)
2: Capacitance Value = 338.42 nF (Normal, t= 7924 us, ADC= 501)
3: Capacitance Value = 327.33 nF (Normal, t= 7708 us, ADC= 503)
4: Capacitance Value = 12.92 nF (Normal, t= 312 us, ADC= 512)
5: Capacitance Value = 12.52 nF (Normal, t= 312 us, ADC= 523)

のような、思ったよりも正確？に出力してきた。
（条件が悪ければ悪い値がでてくるだろうけど）

投稿2025/04/26 01:43

編集2025/04/28 02:38