Микроконтроллерное устройство для измерения емкости Российский патент 2018 года по МПК G01R27/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике в частности, к устройствам для измерения электрической емкости и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными датчиками.

Уровень техники

Известно цифровое устройство для измерения емкости и ее отклонения от номинала, которое содержит первый и второй генераторы, во времязадающие цепи генераторов, включены конденсаторы, соответственно, измеряемой емкости и образцовой, выходы генераторов соединены с устройством, формирующим импульсы с частотой повторения, равной разности частот указанных генераторов, импульсы разностной частоты поступают на ключ, который управляется делителем частоты импульсов, поступающих от первого генератора, импульсы с выхода ключа поступают на счетчик для формирования двоичного кода, пропорционального измеряемой емкости [Авт.св. СССР №331340, опубл. 07.03.1972, бюл. №9, МПК G01R 27/26].

Недостаток известного решения - низкая точность измерения емкости.

Известно устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее микроконтроллер, цифровой индикатор и два генератора, во времязадающие цепи генераторов включены конденсаторный датчик измеряемой емкости, и конденсатор образцовой емкости, выходы генераторов подключены к счетным входам, соответственно, первого и второго счетчиков микроконтроллера, один из выходов микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к одному из портов микроконтроллера [Патент РФ №2214610, опубл. 20.10.2003, бюл. №29, МПК G01R 27/26].

Недостаток известного решения - низкая точность измерения емкости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является цифровое устройство для измерения емкости конденсаторного датчика, содержащее микроконтроллер, цифровой индикатор, генератор, преобразователь коэффициента заполнения сигнала широтно-импульсного модулятора в цифровой код и RC-фильтр, во времязадающую цепь генератора включен конденсаторный датчик измеряемой емкости, выход генератора подключен к счетному входу счетчика микроконтроллера, цифровой выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования генератора, к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера подключены входы RC-фильтра и преобразователя коэффициента заполнения сигнала широтно-импульсного модулятора в цифровой код, к выходу которого подключен цифровой индикатор [Патент РФ №2309415, опубл. 27.10.2007 Бюл. №30, МПК G01R 27/26].

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная тем, что частота генератора зависит как от измеряемой емкости, так и от температуры, которая не учитывается, а, следовательно, вносит температурную погрешность в измерения емкости.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности измерения емкости.

Технический результат достигается тем, что микроконтроллерное устройство для измерения емкости, содержащее микроконтроллер, генератор, RC-фильтр, во времязадаюшую цепь генератора включена измеряемая емкость, выход генератора подключен к счетному входу счетчика микроконтроллера, цифровой выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования генератора, выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера подключен к входу RC-фильтра, при чем устройство дополнительно содержит, первый и второй цифровые датчики температуры, преобразователь интерфейса USART/USB и компьютер, причем первый и второй цифровые датчики температуры подключены к цифровому выводу микроконтроллера, первые выводы преобразователя интерфейса USART/USB подключены к выводам интерфейса USART микроконтроллера, вторые выводы преобразователя интерфейса USART/USB подключены к выводам интерфейса USB компьютера, выход RC-фильтра подключен к входу управления частотой генератора.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного устройства для измерения емкости.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерное устройство для измерения емкости содержит (фиг.) генератор 1, микроконтроллер 2, RC-фильтр 3, первый 4 и второй 5 цифровые датчики температуры, преобразователь 6 интерфейсов USART/USB и компьютер 7. Выход генератора 1 подключен к счетному входу счетчика (на чертеже счетчик не показан) микроконтроллера 2, цифровой выход микроконтроллера 2 подключен к входу разрешения генерирования генератора 1. Во времязадающую цепь генератора 1 включена измеряемая емкость Сх, к выходу широтно-импульсного модулятора (на фиг. широтно-импульсный модулятор не показан) микроконтроллера 2 подключен вход RC-фильтра 3, выход которого подключен к входу управления частотой генератора 1 путем изменения напряжения на этом входе, к цифровому выводу микроконтроллера 2 подключены цифровые датчики температуры, соответственно 4 и 5, (например, датчики температуры DS18B20), к выводам USART микроконтроллера 2 подключены первые выводы преобразователя 6 интерфейса USART/USB, вторые выводы которого подключены к выводам USB компьютера 7.

Микроконтроллерное устройство для измерения емкости работает следующим образом.

Микроконтроллер 2, в начале каждого цикла измерения, устанавливает на разрешающем входе генератора 1 логический уровень напряжения, разрешающий генерирование и запускает два внутренних счетчика, первый из которых предназначен для счета импульсов генератора 1, второй счетчик - для счета тактовых импульсов внутреннего генератора микроконтроллера 2. При переполнении первого счетчика микроконтроллер 2 останавливает второй счетчик, в котором к этому моменту формируется двоичный код N. Двоичный код N пропорционален изменению емкости Сх конденсаторного датчика и определяется следующим образом:

N=mТ1/Т2,

где m - количество периодов генератора 1 подсчитанных первым счетчиком, задается программным способом, что позволяет управлять разрешающей способностью измерительного устройства; Т1 - период следования прямоугольных импульсов генератора 1, определяется выражением Т1=k⋅Сх; где k - коэффициент характеризующий свойства конкретной схемы генератора и имеющий размерность сопротивления; Сх - измеряемая емкость; Т2 - период следования тактовых импульсов внутреннего генератора микроконтроллера 2. Генератор 1 может быть реализован на базе известной микросхемы NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1).

В зависимости от температуры частота генератора 1 изменяется, что приводит к возрастанию погрешности измерений. Для уменьшения погрешности измерений микроконтроллер 2 измеряет температуру корпуса микросхемы генератора 1 с помощью цифрового датчика 4, рассчитывает поправочный коэффициент и в зависимости от этого коэффициента формирует с помощью широтно-импульсного модулятора сигнал с коэффициентом заполнения, который позволяет сформировать на управляющем входе генератора 1 такое напряжение, которое приведет к компенсации изменения его частоты, вызванному изменением температуры. Напряжение на выходе RC-фильтра 3 пропорционально коэффициенту заполнения сигнала, формируемого широтно-импульсным модулятором микроконтроллера 1. Таким образом, осуществляется температурная коррекция выходного сигнала генератора 1, что приводит к повышению точности измерений.

Известно, что в диэлькометрических влагомерах семян сельскохозяйственных культур электрическая емкость емкостного датчика зависит от температуры контролируемого материала, находящегося в полости этого датчика. Для температурной коррекции измерения, например влажности семян сельскохозяйственных культур, в предлагаемом устройстве введен цифровой датчик 5 температуры. Микроконтроллер 2 измеряет температуру семян сельскохозяйственных культур, находящихся между обкладками емкостного датчика Сх, рассчитывает поправочный коэффициент по температуре, и выполняет коррекцию результата измерения, что приводит к повышению точности измерений, например влажности семян сельскохозяйственных культур. Результаты измерения выводятся микроконтроллером 2 через преобразователь 6 интерфейса USART/USB на компьютер 7, который выводит их на монитор.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущества: повышена точность измерения емкости путем компенсации температурной погрешности, вносимой как самой интегральной микросхемой генератора 1, так и температурной зависимостью емкости емкостного датчика, между обкладками которого находится диэлектрический материал, например, семена сельскохозяйственных культур, влажность которых требуется измерить диэлькометрическим методом.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения электрической емкости, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными датчиками. Технический результат заключается в повышении точности измерений. Микроконтроллерное устройство для измерения емкости содержит генератор 1, микроконтроллер 2, RC-фильтр 3, первый 4 и второй 5 цифровые датчики температуры, преобразователь 6 интерфейсов USART/USB и компьютер 7. Во времязадающую цепь генератора 1 включена измеряемая емкость Сх. Соединение элементов показано на блок-схеме (см. чертеж). 1 ил.

Микроконтроллерное устройство для измерения емкости, содержащее микроконтроллер, генератор, RC-фильтр, во времязадающую цепь генератора включена измеряемая емкость, выход генератора подключен к счетному входу счетчика микроконтроллера, цифровой выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования генератора, выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера подключен к входу RC-фильтра, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит первый и второй цифровые датчики температуры, преобразователь интерфейса USART/USB и компьютер, причем первый и второй цифровые датчики температуры подключены к цифровому выводу микроконтроллера, первые выводы преобразователя интерфейса USART/USB подключены к выводам интерфейса USART микроконтроллера, вторые выводы преобразователя интерфейса USART/USB подключены к выводам интерфейса USB компьютера, выход RC-фильтра подключен к входу управления частотой генератора.