Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем Российский патент 2019 года по МПК G01R27/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике в частности, к устройствам для измерения физических величин емкостными датчиками и может быть использовано во встраиваемых вычислительных системах контроля и управления.

Уровень техники

Известно устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, во времязадающие цепи первого и второго одновибраторов включены конденсаторы, соответственно измеряемой емкости и образцовой, два интегрирующих звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, индикатор, включенный между выходами интегрирующих звеньев. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, которое зависит от изменения измеряемой емкости и отражается индикатором (см. пат. РФ №2156472, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограниченные функциональные возможности.

Известно устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее микроконтроллер, индикатор, первый и второй генераторы, во времязадающие цепи которых включены соответственно емкостный датчик и образцовый конденсатор, выходы генераторов подключены к входам микроконтроллера, индикатор подключен к одному из портов микроконтроллера (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерное устройство для измерения частоты вращения вала, содержащее микроконтроллер, индикатор, первый и второй резисторы, емкостный датчик и образцовый конденсатор, которые первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к первому и второму входам аналогового компаратора микроконтроллера и к первым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы которых подключены к выходам микроконтроллера, индикатор подключен к одному из портов микроконтроллера (см. пат. РФ №2378658, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразований и ограниченные функциональные возможности, по причине несовершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, а также ограниченных вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем, обладающего повышенной точностью преобразования и расширенными функциональными возможностями за счет использования более совершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, а также увеличению вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства, путем введения компьютера.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, первый и второй резисторы, причем емкостный датчик и образцовый конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к первым выводам первого и второго резисторов, введен компьютер, причем вторые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов, встроенных в микроконтроллер, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем содержит (фиг.) резистор 1, емкостный датчик 2, резистор 3, образцовый конденсатор 4, микроконтроллер 5 и компьютер 6. Емкостный датчик 1 и образцовый конденсатор 4 первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика 1 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно, к первым выводам резисторов 1 и 3, вторые выводы резисторов 1 и 3 подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер 5 (на фиг. ШИМ не показаны), вторые обкладки емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг. аналоговый мультиплексор не показан), выход аналогового мультиплексора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг. АЦП не показан), компьютер 6 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 5.

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем работает следующим образом.

Микроконтроллер 5, в соответствии с программой, настраивает первый и второй ШИМы на заданную частоту генерирования широтно-импульсных сигналов (ШИМ-сигналов) с заданными коэффициентами заполнения и запускает оба ШИМа, которые работают синхронно. Сопротивления резисторов 1 и 3, а также емкости емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подобраны так, чтобы на заданной частоте ШИМ-сигналов, переходные процессы в RC-цепях, образованных этими элементами длились от одного до трех постоянных времени RC-цепей. Микроконтроллер 5 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом:

Шаг 1. Микроконтроллер 5 подключает с помощью аналогового мультиплексора первый вход, к которому подключена первая обкладка емкостного датчика 2 к входу АЦП и выполняет несколько сотен преобразований, результаты которых сохраняет в оперативной памяти.

Шаг 2. Микроконтроллер 5 обрабатывает результаты преобразований АЦП и находит наименьшее и наибольшее значения, затем вычисляет разницу этих значений, таким образом, микроконтроллер 5 определяет размах изменения напряжения на емкостном датчике 2 и сохраняет это значение в памяти.

Шаг 3. Микроконтроллер 5 подключает с помощью аналогового мультиплексора второй вход, к которому подключена первая обкладка образцового конденсатора 4 к входу АЦП и выполняет столько же преобразований, сколько он выполнил при шаге 1, результаты преобразований сохраняет в оперативной памяти.

Шаг 4. Микроконтроллер 5 выполняет такие же действия, как и при реализации шага 2 с той разницей, что определяет размах изменения напряжения на образцовом конденсаторе 4 и сохраняет это значение в памяти.

Шаг 5. Микроконтроллер 5 определяет разницу между размахом напряжений на образцовом конденсаторе 4 и емкостном датчике 2, эта разница зависит от измеряемой емкости конденсаторного датчика 2. При возрастании емкости датчика 2 размах напряжения на нем уменьшается, а при уменьшении емкости датчика размах напряжения на нем возрастает.

Шаг 6. Микроконтроллер 5 отправляет результат преобразования через цифровой последовательный интерфейс на компьютер 6, который выводит этот результат на монитор.

Шаг 7. Микроконтроллер 5 осуществляет переход к выполнению шага 1.

Компьютер 6 может сохранять, полученные от микроконтроллера 5 результаты преобразований в памяти для их последующего анализа, а также может передавать по инфокоммуникационным сетям в любую географическую точку земли, в которой второй компьютер настроен на прием данной информации.

Компьютер 6 позволяет оперативно записывать в программную память микроконтроллера 5 новые модифицированные программы, что также расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства.

Микроконтроллер 5 способен изменять, в соответствии с программой, частоту следования ШИМ-сигналов и их коэффициенты заполнения, что необходимо для правильного согласования параметров RC-цепей (например, постоянной времени RC-цепей) и параметров ШИМ-сигналов.

Иногда требуется проводить измерения на нескольких частотах, особенно при измерении диэлектрической проницаемости материала расположенного между обкладками емкостного датчика, например, при измерении влажности семян сельскохозяйственных культур. Известно, что диэлектрическая проницаемость этих материалов зависит от частоты электрического поля между обкладками конденсатора.

Преимущества изобретения по сравнению с прототипом: благодаря введению новых связей реализован более совершенный алгоритм преобразования емкости в двоичный код, что повышает точность устройства; путем введения компьютера увеличены вычислительные и инфокоммуникационные возможности, что расширяет функционал устройства.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения физических величин емкостными датчиками, и может быть использовано во встраиваемых вычислительных системах контроля и управления. Технический результат заключается в повышении точности преобразования и расширении функциональных возможностей устройства благодаря возможности использования более совершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, а также увеличению вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства путем введения компьютера. Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем содержит резистор 1, емкостный датчик 2, резистор 3, образцовый конденсатор 4, микроконтроллер 5 и компьютер 6. Емкостный датчик 1 и образцовый конденсатор 4 первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика 1 и образцового конденсатора 4 подключены соответственно к первым выводам резисторов 1 и 3, вторые выводы резисторов 1 и 3 подключены к выходам соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер 5 (на чертеже ШИМ не показаны), вторые обкладки емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 5 (на чертеже аналоговый мультиплексор не показан), выход аналогового мультиплексора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер 5 (на чертеже АЦП не показан), компьютер 6 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 5. 1 ил.

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, первый и второй резисторы, причем емкостный датчик и образцовый конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены соответственно к первым выводам первого и второго резисторов, отличающееся тем, что дополнительно введен компьютер, причем вторые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов, встроенных в микроконтроллер, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру.