Многоканальный измерительный преобразователь для систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками Российский патент 2024 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 для построения беспроводных систем мониторинга влажности почвы и зерна при его хранении, а также многосенсорных встраиваемых вычислительных систем контроля и управления.

Уровень техники

Для измерения влажности почв используют емкостные датчики, количество которых определяется глубиной и интервалом (шагом) измерения влажности в слое почвы. В большинстве случаев для каждого емкостного датчика требуется один измерительный преобразователь емкости. Для измерения влажности в метровом слое почвы с интервалом в 0.1м требуется 9 емкостных датчиков и соответственно столько же измерительных преобразователей. что усложняет конструкцию и изготовление зондов в форме диэлектрических труб, в которых размещаются датчики и измерительные преобразователи. В настоящей заявке предлагается решение, позволяющее реализовать на базе одного микроконтроллера измерительный преобразователь для нескольких емкостных датчиков, что расширяет его 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 (АК) 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. G01 R27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, микроконтроллерное устройство не позволяет измерять емкость более одного датчика.

Известно микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем контроля и управления содержащее: микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый-конденсатор, первый и второй резисторы, RC-фильтр и компьютер, причем емкостный датчик и образцовый-конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу,-а вторые обкладки 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, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, выход третьего ШИМ, встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу АК, встроенного в микроконтроллер (см. пат. РФ № 2698492, кл. G01 R27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, микроконтроллерное устройство не позволяет измерять емкость более одного датчика.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является устройство измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур, содержащее: микроконтроллер, первую и вторую резистивные матрицы, емкостный датчик, образцовый-конденсатор, RC-фильтр и компьютер, причем общие точки соединения первых выводов резисторов резистивных матриц подключены, соответственно к вторым обкладкам емкостного датчика и образцового конденсатора, вторые выводы резисторов первой и второй резистивной матриц подключены, соответственно, к выходам первых и вторых каналов первого ШИМ, емкостный датчик и образцовый-конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, а их вторые обкладки подключены, соответственно, к первому и второму входам аналогового мультиплексора (АМ), компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, выход второго ШИМ, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу АК, (см. пат. РФ № 2747515, кл. G01 R27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, а именно - количество емкостных датчиков, подключаемых к микроконтроллеру ограничено и определяется количеством встроенных в микроконтроллер ШИМ, которое в большинстве 8-битных микроконтроллеров не превышает 3х.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое решение с водится к расширению функциональных возможностей устройства, а именно позволяет измерять емкости нескольких датчиков, количество которых определяется количеством аналоговых входов микроконтроллера, в результате чего, возможно получение большего количества информации, а следовательно, и приобретения нового качества более высокого уровня, чем в аналогах и прототипе.

Технический результат достигается тем, что в многоканальный измерительный преобразователь для систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками содержащий: микроконтроллер, резистивную матрицу, емкостные датчики, причем емкостные датчики первыми обкладками подключены к общему проводу, а вторыми обкладками подключены каждый к выводам микроконтроллера входов аналогового мультиплексора в порядке возрастания номеров его входов, дополнительно введены радиомодуль, цифровые датчики температуры и резистивный делитель напряжения, причем первые выводы резисторов резистивной матрицы подключены к выводам нечетных номеров входов аналогового мультиплексора, вторые выводы резисторов резистивной матрицы подключены к выводам четных номеров входов аналогового мультиплексора, радиомодуль подключен через цифровой интерфейс к микроконтроллеру, цифровые датчики температуры подключены к микроконтроллеру через интерфейс 1-Wire, резистивный делитель напряжения подключен, первым выводом-к первому цифровому выводу микроконтроллера, а вторым выводом подключен к второму цифровому выводу микроконтроллера, средний вывод делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема многоканального измерительного преобразователя для систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками.

Осуществление изобретения

Многоканальный измерительный преобразователь для систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками содержит: (фиг.)-микроконтроллер 1, радиомодуль 2, резистивную матрицу 3, цифровые датчики температуры 4, резистивный делитель напряжения 5.

Резистивная матрица содержит резисторы R1, R2…Rn/2, где n - количество емкостных датчиков С1, С2…Сn. Емкостные датчики первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостных датчиков С1, С2…Сn подключены каждый в порядке возрастания номеров-к выводам А1, А2…Аn микроконтроллера 1 (выводы А1, А2…Аn микроконтроллера 1 подключены к соответствующим входам АМ, эти подключения на фиг. не показаны). Микроконтроллер 1 способен настраивать раздельно каждый вывод А1, А2…Аn на выход для вывода логических уровней напряжения или логического 0 (лог.0) или логической 1 (лог.1), а также настраивать на ввод аналоговых сигналов через многоканальный АМ, встроенный в микроконтроллер 1 (на фиг. АМ не показан). Выход АМ подключен к инвертирующему входу АК встроенного в микроконтроллер 1, первый и второй выводы резистивного делителя напряжения 5 подключены к цифровым выводам D1 и D2 микроконтроллера 1, средний вывод резистивного делителя напряжения 5 подключен к неинвертирующему входу (AIN0) АК. Первые выводы резисторов резистивной матрицы подключены к нечетным входам АМ, вторые выводы резисторов резистивной матрицы подключены к четным входам АМ, радиомодуль 2 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 1, цифровые датчики температуры S1, S2…Sn подключены к микроконтроллеру через интерфейс 1-Wire.

Многоканальный измерительный преобразователь для систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками работает следующим образом.

Микроконтроллер 1 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом.

Шаг 1. Микроконтроллер 1 выводит на первый вывод D1 резистивного делителя напряжения 5 лог.1, а на второй вывод D2 - лог.0. На среднем выводе резистивного делителя напряжения 5 формируется опорное напряжение Vref.

Шаг 2. Микроконтроллер 1 настаивает первый вывод А1, к которому подключена вторая обкладка емкостного датчика С1, на аналоговый вход.

Шаг 3.-Микроконтроллер 1 настраивает второй вывод А2 на цифровой выход, формирует на нем высокий уровень напряжения (лог.1) и держит этот уровень некоторое время, в течение которого датчик С1 заряжается через резистор R1 до уровня лог.1.

Шаг 4. Микроконтроллер 1 формирует на выводе А2 низкий уровень напряжения (лог.0) и запускает, заранее обнуленный счетчик тактовых импульсов.-Датчик С1 разряжается через резистор R1, как только напряжение на датчике С1 сравняется с напряжением Vref, то АК поменяет на выходе логический уровень. По данному событию, двоичный код счетчика, пропорциональный количеству подсчитанных тактовых импульсов, микроконтроллер 1 копирует в память, а затем выполняет вычисления действительного значения емкости С1. Так как известны значения следующих величин: напряжение Vref, период тактовых импульсов микроконтроллера 1 и их количество, пропорциональное постоянной времени R1C1, образцовое сопротивление R1, то микроконтроллер 1 рассчитывает по известным формулам значение емкости датчика С1 и сохраняет в форме двоичного кода.

Шаг 5. Микроконтроллер 1 считывает температуру сенсора S1, а затем отправляет в радиомодуль 2 через цифровой последовательный интерфейс данные емкости датчика С1 и температуры датчика S1.

Затем микроконтроллер 1 переходит к выполнению алгоритма по измерению емкости С2 второго датчика.

Шаг 6. Микроконтроллер 1 настаивает второй вывод А2, к которому подключена вторая обкладка емкостного датчика С2, на аналоговый вход.

Шаг 7. Микроконтроллер 1 настраивает первый вывод А1 на цифровой выход, формирует на нем высокий уровень напряжения лог.1 и держит этот уровень некоторое время, в течение которого датчик С2 заряжается через резистор R1 до уровня лог.1.

Шаг 8. Микроконтроллер 1 формирует на выводе А1 низкий уровень напряжения (лог.0) и запускает, заранее обнуленный счетчик тактовых импульсов.-Датчик С2 разряжается через резистор R1, как только напряжение на датчике С2 сравняется с напряжением Vref, то АК поменяет на выходе логический уровень. По данному событию, двоичный код счетчика, пропорциональный количеству подсчитанных тактовых импульсов, микроконтроллер 1 копирует в память, а затем выполняет вычисления действительного значения емкости С2.

Шаг 9. Микроконтроллер 1 считывает температуру сенсора S2, а затем отправляет в радиомодуль 2 через цифровой последовательный интерфейс данные емкости датчика С2 и температуры датчика S2.

Микроконтроллер 1 продолжает выполнять программу по измерению емкости и температуры остальных датчиков, заканчивая датчиками Сn и Sn и переходит, или в режим сна или к Шагу 2.

Принимающая по радиоканалу система (на фиг. принимающая по радиоканалу система не показана) обрабатывает принимаемые данные и формирует управляющие сигналы, например для АСУ ТП, а также архивирует и выводит данные на монитор компьютера в форме удобной для восприятия пользователем.

Предлагаемое решение сводится к расширению функциональных возможностей устройства, а именно позволяет измерять емкости нескольких датчиков, количество которых определяется количеством аналоговых входов микроконтроллера, что позволяет использовать предлагаемое решение для построения компактных зондов для беспроводного мониторинга, например влажности почвы и зерна при его хранении, а также многосенсорных систем позволяющих повысить точность измерений.

Изобретение относится к устройствам для измерения физических величин емкостными датчиками. Сущность: устройство содержит микроконтроллер (1), радиомодуль (2), резистивную матрицу (3), цифровые датчики (4) температуры S1, S2…Sn, резистивный делитель (5) напряжения. Резистивная матрица (3) содержит резисторы R1, R2…Rn/2, где n – количество емкостных датчиков С1, С2…Сn. Емкостные датчики первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостных датчиков подключены к выводам А1, А2…Аn микроконтроллера (1). Первый и второй выводы резистивного делителя (5) напряжения подключены к цифровым выводам D1 и D2 микроконтроллера (1), а средний вывод подключен к неинвертирующему входу (AIN0) аналогового компаратора. Радиомодуль (2) подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру (1). Цифровые датчики (4) температуры подключены к микроконтроллеру (1) через интерфейс 1-Wire. Технический результат: преобразование емкости n-го количества емкостных датчиков одним микроконтроллером, что позволяет создавать компактные зонды для беспроводных систем мониторинга. 1 ил.

Многоканальный измерительный преобразователь для систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками, содержащий микроконтроллер, резистивную матрицу, емкостные датчики, причем емкостные датчики первыми обкладками подключены к общему проводу, а вторыми обкладками подключены каждый к выводам микроконтроллера входов аналогового мультиплексора в порядке возрастания номеров его входов, отличающийся тем, что дополнительно введены радиомодуль, цифровые датчики температуры и резистивный делитель напряжения, причем первые выводы резисторов резистивной матрицы подключены к выводам нечетных номеров входов аналогового мультиплексора, вторые выводы резисторов резистивной матрицы подключены к выводам четных номеров входов аналогового мультиплексора, радиомодуль подключен через цифровой интерфейс к микроконтроллеру, цифровые датчики температуры подключены к микроконтроллеру через интерфейс 1-Wire, резистивный делитель напряжения подключен первым выводом к первому цифровому выводу микроконтроллера, а вторым выводом подключен к второму цифровому выводу микроконтроллера, средний вывод делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер.