Микроконтроллерное устройство измерения метеофакторов и вычисления эффективной температуры для цифровых систем управления микроклиматом Российский патент 2023 года по МПК G01W1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может быть использовано в информационно-управляющих системах для управления микроклиматом в т.ч. и сельскохозяйственных объектов.

Уровень техники

В источнике [Энергосберегающие характеристики сельскохозяйственных животных: монография / Гурницкий В. Н.; Ставроп.гос.с.-х. акад. - Ставрополь, 1999. - 148 с.] приводятся основные метеофакторы (температура среды, скорость ветра, относительная влажность воздуха и атмосферное давление), совместное воздействие которых принято оценивать количественно с помощью эффективной температуры. Из источника следует, что задача измерения и вычисления этой температуры не является в достаточной степени решенной.

В этом же источнике предлагается уравнение (6.1, см. с. 106) для расчета эффективной температуры ЭТ:

ЭТ=Те+αВе+βВла+γДа,

где Те - температура окружающего воздуха.

Ве - скорость движения воздуха (ветер),

Вла - относительная влажность воздуха,

Да - атмосферное давление.

Коэффициенты α, β, γ, их размерности приведены там же.

Известно устройство для комплексного измерения метеофакторов, содержащее корпус, в котором установлен термочувствительный элемент, источник питания и регистратор, корпус выполнен в виде полого тора, термочувствительный элемент - в виде многосекционной катушки с двумя бифилярно намотанными обмотками, а источник питания - в виде двух выпрямителей, двухвыходного трансформатора, один выход которого через первый выпрямитель подключен к первой обмотке, и трех сопротивлений, включенных вместе со второй обмоткой в мостовую схему, одна диагональ которой через второй выпрямитель подключена к другому выходу трансформатора, а другая подключена к регистратору, при этом секции катушки расположены осесимметрично и последовательно вдоль образующей тора на равном расстоянии между собой (см. А.С. СССР №1647488, кл. G01W 1/02).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, устройство не может быть использовано для измерения отдельных метеофакторов - температуры, влажности и скорости движения воздуха.

Известно устройство - микроконтроллерный измерительный преобразователь скорости потока газа или жидкости, содержащий микроконтроллер, первый и второй резисторы, емкостный датчик, причем первый и второй резисторы подключены первыми выводами соответственно к первому и второму выходам микроконтроллера, второй вывод первого резистора подключен к первой обкладке емкостного датчика и к первому входу аналогового компаратора (АК), встроенного в микроконтроллер, вторая обкладка емкостного датчика подключена к минусовой клемме источника питания микроконтроллера, введены терморезистор и управляемый источник опорного напряжения, причем первый вывод терморезистора подключен к вторым выводам первого и второго резисторов, второй вывод терморезистора подключен к третьему выходу микроконтроллера, вход управляемого источника опорного напряжения подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора (ШИМ) микроконтроллера, выход управляемого источника опорного напряжения подключен к второму входу АК встроенного в микроконтроллер, выход второго ШИМ микроконтроллера подключен к первому входу АК (см. пат. РФ №2473097, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность измерений, обусловленная отсутствием данных об атмосферном давлении, что не позволяет корректировать результат измерений скорости движения воздуха, а следовательно и вычисления эффективной температуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым авторами за прототип является микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции, содержащий микроконтроллер, первый и второй RC-фильтры, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к выходу первого ШИМ микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера, первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов подключены к выходам соответственно второго, третьего и четвертого ШИМов микроконтроллера, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу второго RC-фильтра, выход которого подключен к второму входу АК, в качестве одного из четырех резисторов включен термочувствительный резистивный датчик (см. пат. РФ №2563315, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, устройство не позволяет выполнять измерения влажности, скорости движения воздуха и атмосферного давления.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей устройства.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное устройство измерения метеофакторов и вычисления эффективной температуры для цифровых систем управления микроклиматом, содержащее: микроконтроллер, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый и второй RC-фильтры, причем первый вывод первого резистора подключен к выходу первого ШИМ микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера, первый вывод третьего резистора подключен к выходу второго ШИМ микроконтроллера, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу второго RC-фильтра, выход которого подключен к второму входу АК микроконтроллера, отличающееся тем, что в него дополнительно введен цифровой датчик влажности, давления и температуры, причем первые выводы второго и четвертого резисторов подключены к минусовой клемме источника питания микроконтроллера, цифровой датчик влажности давления и температуры подключен к микроконтроллеру через стандартный цифровой последовательный интерфейс и представляет собой сборку из нескольких интегральных микросхем в одном корпусе «систему в корпусе» (system in package, SIP), например BME280 от Bosch Sensortec.

Краткое описание чертежей

На фигуре представлена структурная схема микроконтроллерного устройства измерения метеофакторов и вычисления эффективной температуры для цифровых систем управления микроклиматом.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерное устройство измерения метеофакторов и вычисления эффективной температуры для цифровых систем управления микроклиматом содержит (фиг.) первый резистор 1, второй резистор 2, третий резистор 3, четвертый резистор 4, первый RC-фильтр 5, второй RC-фильтр 6, микроконтроллер 7, цифровой датчик 8 влажности, давления и температуры. Резисторы 1 и 2 подключены первыми выводами ко входу RC-фильтра 5, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера 7 (АК микроконтроллера 7 на фиг. не показан), резисторы 3 и 4 первыми выводами подключены к входу RC-фильтра 6, выход которого подключен к второму входу АК микроконтроллера 7, вторые выводы резисторов 1, и 3 подключены к выходам, соответственно, первого и второго ШИМов микроконтроллера 7 (ШИМы микроконтроллера 7 на фиг. не показаны), резисторы 2 и 4 вторыми выводами подключены к минусовой клемме источника питания микроконтроллера, цифровой датчик 8 подключен к микроконтроллеру через стандартный последовательный интерфейс. Микроконтроллер 7 имеет возможность обмениваться данными с внешней информационно-управляющей системой (на фиг. внешняя информационно-управляющая система не показана).

Микроконтроллерное устройство измерения метеофакторов и вычисления эффективной температуры для цифровых систем управления микроклиматом работает следующим образом.

Микроконтроллер 7 формирует на выходе первого ШИМ широтно-импульсно-модулированный сигнал (ШИМ-сигнал) с коэффициентом заполнения G₁. Среднее значение напряжения в точке соединения первых выводов резисторов 1 и 2 определяется выражением: U₁=G₁⋅Uи, где Uи - напряжение источника питания микроконтроллера 7. Напряжение U₁ сглаживается RC-фильтром 5 и подается на первый вход АК микроконтроллера 7. На выходе второго ШИМ действует ШИМ-сигнал c коэффициент заполнения G₂. Среднее значение напряжения в точке соединения первых выводов резисторов 3 и 4 определяется выражением: U₂=G₂⋅Uи. Напряжение U₂ сглаживается RC-фильтром 6 и подается на второй вход АК микроконтроллера 7. Микроконтроллер 7 непрерывно сравнивает с помощью АК значения напряжений U₁ и U₂ и изменяет коэффициент заполнения G₂ так, чтобы U₂ ≈ U₁.

Допустим, в качестве резистора 3 используется образцовый резистор с известным сопротивлением. В качестве резистора 4 используется миниатюрный в SMD корпусе платиновый датчик температуры. Этот датчик помещается в воздух, скорость движения которого необходимо измерять. Сопротивления резисторов 3 и 4 подобраны таким образом, чтобы ток, протекающий через платиновый датчик, превышал допустимое значение измерительного тока в несколько раз и вызывал разогрев этого датчика, вследствие чего его сопротивление будет возрастать. Путем программного изменения коэффициента заполнения G₂ можно управлять током через цепь резисторов 3 и 4, а следовательно управлять температурой разогрева платинового датчика (резистор 4).

Допустим сопротивление резистора 4 (платинового датчика) возросло, вследствие снижения скорости потока воздуха, при этом возрастет и напряжение U₂, снимаемое с резистора 4. Если U₂ превысит значение U₁, то на выходе АК микроконтроллера 7 логический уровень поменяется на противоположный и микроконтроллер 7 начнет уменьшать значение коэффициента заполнения G₂ до тех пор, пока U₂ не станет меньше U₁, при котором логический уровень на выходе АК изменится на противоположный. Коэффициент заполнения G₂ является функционально зависимой величиной от U₂, которое в свою очередь зависит от сопротивления резистора 4, а следовательно коэффициент заполнения G₂ является функцией скорости движения воздуха, охлаждающего платиновый датчик (резистор 4). В общем случае, коэффициент заполнения G₂ является функцией комплексного влияния четырех метеофакторов: температуры, влажности, атмосферного давления и скорости движения воздуха. Микроконтроллер определяет по дискретным значениям G2 функции комплексного влияния четырех метеофакторов, скорость движения воздуха с учетом измеренных с помощью цифрового датчика 8 остальных трех параметров. Затем на основании измеренных значений вычисляет значение эффективной температуры ЭТ, используя приведенное выше выражение (6.1) и результаты передает в информационно-управляющую систему микроклиматом.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество: расширены функциональные возможности, а именно, устройство позволяет измерять четыре основных метеофактора: температуру, влажность, атмосферное давление, скорость движения воздуха и на их основе вычислять комплексный параметр - эффективную температуру, которая является важным показателем комфортных/дискомфортных условий для содержания сельскохозяйственных животных и выращивания растений.

Изобретение предназначено для измерения метеофакторов и вычисления эффективной температуры в цифровых системах управления микроклиматом. Сущность: устройство содержит четыре резистора (1-4), два RC-фильтра (5, 6), микроконтроллер (7) и цифровой датчик (8) влажности, давления и температуры. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микроконтроллерное устройство измерения метеофакторов и вычисления эффективной температуры для цифровых систем управления микроклиматом, содержащее: микроконтроллер, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый и второй RC-фильтры, причем первый вывод первого резистора подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, первый вывод третьего резистора подключен к выходу второго широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу второго RC-фильтра, выход которого подключен к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, отличающееся тем, что в него введен цифровой датчик влажности, давления и температуры, причем первые выводы второго и четвертого резисторов подключены к минусовой клемме источника питания микроконтроллера, цифровой датчик влажности давления и температуры подключен к микроконтроллеру через стандартный цифровой последовательный интерфейс.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цифровой датчик влажности, давления и температуры представляет собой сборку из нескольких интегральных микросхем в одном корпусе “систему в корпусе” (system in package, SIP), например, BME280 от Bosch Sensortec.