Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем Российский патент 2021 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 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 (патент RU №2214610, МПК G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограниченные функциональные возможности.

Известно 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 (патент RU 2378658, МПК 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.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем (патент RU 2697715, МПК G01R 27/26).

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем содержит два резистора, емкостный датчик, образцовый конденсатор, микроконтроллер и компьютер. 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, вторые выводы которых подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, выход аналогового мультиплексора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру.

В данном устройстве предполагается аналого-цифровая обработка сигналов переходных процессов заряд-разряда RC цепей на базе емкостного датчика и образцового конденсатора при непрерывной генерации ШИМ сигналов. Так как генерация ШИМ сигналов сопровождается резкими скачками потребления тока цифровой частью микроконтроллера, это приводит к снижению точности АЦП микроконтроллера, в силу формирования дополнительных помех в цепи питания аналоговой части микроконтроллера (Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 1 / С.М. Рюмик. - М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2010. - 356 с., стр. 39).

Процесс аналого-цифрового преобразования в силу неизбежной рассогласованности выходных сопротивлений RC цепей на базе емкостного датчика и образцового конденсатора с входным сопротивлением (входным током) устройства выборки и хранения АЦП, используемого в составе микроконтроллера, характеризуется значительной динамической погрешностью. Стремление же к ее снижению влечет за собой увеличение времени выборки АЦП (Демоны в АЦП STM32. http://we.easvelectronics.ru/STM32/demony-v-acp-stm32.html), снижение частоты дискретизации АЦП, а значит снижение быстродействия измерительного устройства (тем более что уже на первом шаге алгоритма предполагается несколько сотен преобразований).

Но так как моменты выборки АЦП не связаны с экстремумами переходных процессов заряд-разряда RC цепей на базе емкостного датчика и образцового конденсатора, даже несколько сотен преобразований (согласно первому шагу алгоритма) не обеспечивают точного определения наименьшего и наибольшего значений выходного напряжения RC цепей, а приводят лишь к увеличению сложности измерительного устройства (повышению требований к объему оперативной памяти).

Недостаток известного решения - низкая точность и низкое быстродействие измерения емкости.

Раскрытие изобретения

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

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем, содержащее два резистора, емкостный датчик, образцовый конденсатор, микроконтроллер и компьютер, 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, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, введены N+3 цифровых выходов микроконтроллера, N-1 резисторов, аналоговый компаратор, встроенный в микроконтроллер, причем: N+1 цифровые выходы микроконтроллера соединены со вторыми выводами, соответственно, N+1 резисторов; вторые выводы резисторов, со второго по N+1, соединены со второй обкладкой образцового конденсатора, с N+2-м цифровым выходом микроконтроллера и с инвертирующим входом аналогового компаратора встроенного в микроконтроллер; неинвертирующий вход аналогового компаратора соединен со второй обкладкой емкостного датчика и N+3-м цифровым выходом микроконтроллера.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная схема микроконтроллерного измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы при условии τ_ЕД>τ_ОК.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы при условии τ_ЕД>τ_ОК.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип функционирования микроконтроллерного измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем (фиг. 1) содержит: резистор 1; емкостный датчик 2; N резисторов 3 (3₁-_N); образцовый конденсатор 4; микроконтроллер 5; компьютер 6.

Емкостный датчик 2 и образцовый конденсатор 4 первыми обкладками подключены к общему проводу. Вторая обкладка емкостного датчика 2 подключена к первому выводу резистора 1, N+3-му цифровому выходу микроконтроллера 5 и неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг. 1 аналоговый компаратор не показан). Вторая обкладка образцового конденсатора 4 подключена к первым выводам резисторов 3_1-N, N+2-му цифровому выходу микроконтроллера 5 и инвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг. 1 аналоговый компаратор не показан). Вторые выводы резисторов 1 и 3_1-N подключены, соответственно, к N+1 цифровым выходам микроконтроллера 5, компьютер 6 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 5.

Количество резисторов 3_1-N определяется числом свободных цифровых выходов микроконтроллера 5 и диапазоном емкости емкостного датчика 2, подлежащей измерению.

Сопротивления резисторов 1, 3_1-N и емкость образцового конденсатора 4 принимают значения согласно условию (1)

где R₁ - сопротивление резистора 1;

- сопротивление резисторов 3_1-N;

С₂ - емкость емкостного датчика 2;

С₄ - емкость образцового конденсатора 4;

τ_ЕД - постоянная времени RC цепи на базе емкостного датчика 2:

τ_ОК - постоянная времени RC цепи на базе образцового конденсатора 4.

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

Микроконтроллер 5 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом.

Шаг 1. Микроконтроллер 5 выводит на N+1-й и N+2-й цифровые выходы низкий уровень - осуществляет разряд емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4.

Шаг 2. Микроконтроллер 5 переводит цифровые выходы в высокоимпедансное состояние.

Шаг 3. Микроконтроллер 5 выводит на вторые выводы резистора 1 и одного из резисторов 3 (с фиксацией его номера, начиная с резистора 3₁) высокий уровень напряжения (логическую 1) - переводит RC цепи на базе емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 в режим заряда согласно выражениям (2) и (3):

где U_з.ЕД - напряжение заряда на второй обкладке емкостного датчика 2;

Е - напряжение на цифровом выходе микроконтроллера 5.

где U_з.ОК - напряжение заряда на второй обкладке образцового конденсатора 4 при использовании резистора 3 (одного из резисторов 3_1-N).

Шаг 4. Аналоговый компаратор микроконтроллера 5 отслеживает уровни напряжения на вторых обкладках емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4.

Если напряжение на инвертирующем входе аналогового компаратора микроконтроллера 5 будет ниже уровня напряжения на неинвертирующем входе, фиг. 2 (что и будет согласно условию (1), так как ), на выходе аналогового компаратора устанавливается логическая 1 и микроконтроллер 5 повторяет алгоритм, состоящий из ранее описанных действий (шаги 1÷4). но с учетом увеличения номера резистора 3 (3₂, 3₃, …3_K).

Если напряжение на инвертирующем входе аналогового компаратора микроконтроллера 5 будет выше уровня напряжения на неинвертирующем входе, фиг. 3 , на выходе аналогового компаратора устанавливается логический 0.

Шаг 5. Микроконтроллер 5 включает таймер. По завершению времени заряда Δt₃, соответствующему 1.25⋅τ_ОК, микроконтроллер 5 перезапускает таймер (коды, соответствующие Δt_з для каждого резистора 3_1-N, известны) и выводит на вторые выводы резисторов 1, 3_К (выполнившего условие ) низкий уровень напряжения - переводит RC цепи на базе емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 в режим разряда согласно выражениям (4) и (5)

где U_p.ЕД - напряжение разряда на второй обкладке емкостного датчика 2;

Е - напряжение на цифровом выходе микроконтроллера 5.

где U_p.OK - напряжение разряда на второй обкладке образцового конденсатора 4.

Шаг 6. Аналоговый компаратор микроконтроллера 5 отслеживает уровни напряжения на вторых обкладках емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4. В момент превышения уровня напряжения на неинвертирующем входе уровня напряжения на инвертирующем входе, фиг. 4, на выходе аналогового компаратора устанавливается логическая 1. Микроконтроллер фиксирует момент равенства напряжений на вторых обкладках емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 (U_p.ЕД=U_p.ОК).

Шаг 7. Микроконтроллер 5 отправляет через цифровой последовательный интерфейс на компьютер 6 данные о номере резистора 3_1-N и интервале времени разряда Δt_p, фиг. 4, соответствующие выполнению условия U_p.ЕД=U_p.ОК.

Шаг 8. Микроконтроллер 5 осуществляет переход к выполнению шага 1, т.е. реализует новый цикл измерения.

Компьютер 6, получив данные от микроконтроллера 5, определяет величину емкости С₂ емкостного датчика 2, руководствуясь предварительно проведенными и зафиксированными данными расчетов возможной емкости С₂ согласно (6)

при известных параметрах R₁, , Δt_з, Δt_p.

Компьютер 6 может сохранять результаты измерений в памяти для их последующего анализа, а также может передавать результаты измерений по инфокоммуникационным сетям в любую географическую точку земли, в которой второй компьютер настроен на прием данной информации. Таким образом осуществляется беспроводной контроль параметра измеряемой физической величины с помощью емкостного датчика 2, что расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства.

В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве не измеряется амплитуда сигналов на выходе RC цепей, а определяется лишь момент равенства амплитуд, что в свою очередь позволяет:

- избежать влияния нестабильности питающего напряжения (точность аналогового компаратора, в отличие от АЦП, практически не зависит от стабильности питающего напряжения);

- снизить динамическую погрешность (динамическая погрешность аналогового компаратора на порядок меньше динамической погрешности АЦП);

- снизить временную дискретность (в случае аналогового компаратора анализ возможен с частотой, фактически соответствующей тактовой частоте микроконтроллера, что практически на два порядка выше частоты дискретизации АЦП),

а значит, обеспечить более высокую точность и более высокое быстродействие измерения емкости, при одновременном упрощении микроконтроллера (снижение требований к объему оперативной памяти, отсутствие АЦП).

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. Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем содержит: N+1 резисторов; емкостный датчик; образцовый конденсатор; микроконтроллер; компьютер. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности и быстродействия измерения емкости. 4 ил.

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем, содержащее два резистора, емкостный датчик, образцовый конденсатор, микроконтроллер и компьютер, 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, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, отличающееся тем, что в устройство введены N+3 цифровых выходов микроконтроллера, N-1 резисторов, аналоговый компаратор, встроенный в микроконтроллер, причем: N+1 цифровые выходы микроконтроллера соединены со вторыми выводами соответственно N+1 резисторов; вторые выводы резисторов, со второго по N+1, соединены со второй обкладкой образцового конденсатора, с N+2-м цифровым выходом микроконтроллера и с инвертирующим входом аналогового компаратора встроенного в микроконтроллер; неинвертирующий вход аналогового компаратора соединен со второй обкладкой емкостного датчика и N+3-м цифровым выходом микроконтроллера.