Многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводных емкостных датчиков Российский патент 2024 года по МПК G01R27/26 H04B5/72 

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, емкостный датчик, образцовый конденсатор, RC-фильтр и компьютер, причем емкостный датчик и образцовый конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, а вторые обкладки подключены, соответственно, к первому и второму входам аналогового мультиплексора, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, выход ШИМ, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу АК, введены первая и вторая резистивные матрицы, причем общие точки соединения первых выводов резисторов резистивных матриц подключены, соответственно к вторым обкладкам емкостного датчика и образцового конденсатора, вторые выводы резисторов первой резистивной матрицы подключены, соответственно, к выходам первых каналов ШИМ, вторые выводы резисторов второй резистивной матрицы подключены, соответственно, к выходам вторых каналов ШИМ (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 достигает 3х.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое решение сводится 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 достижение нового качества более высокого уровня, чем в аналогах и прототипе.

Технический результат достигается тем, что в многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводных емкостных датчиков содержащий: микроконтроллер, резистивную матрицу, емкостные датчики, RC-фильтр, причем емкостные датчики первыми обкладками подключены к общему проводу, а вторыми обкладками подключены каждый к определенным входам аналогового мультиплексора встроенного в микроконтроллер, выход первого ШИМ, встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу АК, встроенного в микроконтроллер, дополнительно введен радиомодуль, причем общая точка соединения первых выводов резисторов резистивной матрицы подключена к выходу второго ШИМ, встроенного в микроконтроллер, вторые выводы каждого резистора резистивной матрицы подключены к определенным входам аналогового мультиплексора, микроконтроллер подключен через цифровой последовательный интерфейс к радиомодулю.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема многоканального микроконтроллерного измерительного преобразователя для беспроводных емкостных датчиков.

Осуществление изобретения

Многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводных емкостных датчиков содержит: (фиг.) микроконтроллер 1; радиомодуль 2; RC-фильтр 3; резистивную матрицу 4, содержащую R1…Rn резисторы; n количество емкостных датчиков С1…Cn. Емкостные датчики С1…Cn первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостных датчиков С1…Cn подключены каждый в порядке возрастания их номеров к первым выводам также в порядке возрастания номеров каждого резистора R1…Rn резистивной матрицы 4 и каждого входа аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 1 (на фиг. аналоговый мультиплексор не показан), выход первого ШИМ (на фиг. первый ШИМ не показан), встроенного в микроконтроллер 1 подключен к входу RC-фильтра 3, выход которого подключен к неинвертирующему входу АК, вторые выводы резисторов R1…Rn подключены к выходу второго ШИМ, встроенного в микроконтроллер 1 (на фиг. второй ШИМ не показан), выход аналогового мультиплексора подключен к инвертирующему входу АК, встроенного в микроконтроллер 1 (на фиг. АК, а также связь выхода аналогового мультиплексора со входом АК не показаны), микроконтроллер 1 подключен через цифровой последовательный интерфейс к радиомодулю 2,

Многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводных емкостных датчиков работает следующим образом.

Микроконтроллер 1 настраивает второй ШИМ на заданную частоту генерирования ШИМ сигналов с заданным коэффициентом заполнения и запускает этот ШИМ. Сопротивления резисторов R1…Rn резистивной матрицы 4, подобраны так, чтобы на заданной частоте ШИМ сигналов переходные процессы в RC-цепях, длились меньше одного полупериода ШИМ сигнала. Микроконтроллер 1 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом следующим образом.

Шаг 1. Микроконтроллер 1 подключает первый вход аналогового мультиплексора, к которому подключена вторая обкладка емкостного датчика С1, к инвертирующему входу АК.

Шаг 2. Микроконтроллер 1 формирует на выходе первого ШИМ сигнал с начальным минимальным коэффициентом заполнения. Этот сигнал приложен к входу RC-фильтра 3. При этом изменяющееся на емкостном датчике C1 напряжение, контролируемое инвертирующим входом АК будет выше уровня напряжения формируемого на неинвертирующем входе АК RC-фильтром 3. На выходе АК будет логический 0.

Шаг 3. Микроконтроллер 1 начинает увеличивать коэффициент заполнения первого ШИМ, при этом напряжение на выходе RC-фильтра 3 плавно возрастает. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 3 превысит напряжение на емкостном датчике С1, то на выходе АК будет сформирована кратковременно логическая 1. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 1 прейдет к процедуре обработки данного прерывания. Эта процедура заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике С1 и на выходе RC-фильтра 3. Сохраненный двоичный код есть эквивалент минимального значения напряжения на емкостном датчике С1.

Шаг 4. Микроконтроллер 1 формирует сигнал на выходе первого ШИМ с начальным максимальным коэффициентом заполнения. При этом изменяющееся на емкостном датчике С1 напряжение, контролируемое инвертирующим входом АК будет ниже уровня напряжения формируемого на неинвертирующем входе АК RC-фильтром 3 и на выходе АК будет логическая 1.

Шаг 5. Микроконтроллер 1 начинает уменьшать коэффициент заполнения первого ШИМ, напряжение на выходе RC-фильтра 3 плавно уменьшается. Как только, напряжение на выходе RC-фильтра 3 будет ниже изменяющегося напряжения на емкостном датчике С1, то на выходе АК будет кратковременно сформирован логический 0. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому он прейдет к процедуре обработки этого прерывания, которая заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике С1 и на выходе RC-фильтра 3. Сохраненный двоичный код есть эквивалент максимального значения напряжения на емкостном датчике С1.

Шаг 7. Микроконтроллер 1 подключает второй вход аналогового мультиплексора, к которому подключена вторая обкладка следующего емкостного датчика и выполняет тот же алгоритм, что и при преобразовании емкости датчика С1 и т.д. заканчивая преобразованием емкости датчика Cn.

Шаг 8. Микроконтроллер 1 отправляет на радиомодуль 2 через цифровой последовательный интерфейс результаты преобразований емкости датчиков С1…Cn. Принимающая по радиоканалу система (на фиг. принимающая по радиоканалу система не показана) результаты преобразований, обрабатывает их и формирует управляющие сигналы, например для АСУ ТП, а также архивирует и выводит 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, в результате чего возможно получение большего количества информации, а, следовательно, и достижение нового качества более высокого уровня, чем в аналогах и прототипе, что позволяет использовать предлагаемое решение для построения компактных многодатчиковых зондов для беспроводного мониторинга, например, влажности почвы и зерна при его хранении, а также многосенсорных систем позволяющих повысить точность измерений.

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. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно возможность измерения емкости нескольких датчиков, количество которых определяется количеством аналоговых входов микроконтроллера, в результате чего возможно получение большего количества информации. Многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводных емкостных датчиков содержит микроконтроллер 1, радиомодуль 2, RC-фильтр 3, резистивную матрицу 4 и емкостные датчики С1…Cn. Общая точка соединения первых выводов резисторов резистивной матрицы 4 подключена к выходу второго широтно-импульсного модулятора, встроенного в микроконтроллер 1. Вторые выводы каждого резистора резистивной матрицы подключены к определенным входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 1. Микроконтроллер 1 подключен через цифровой последовательный интерфейс к радиомодулю 2. 1 ил.

Многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводных емкостных датчиков, содержащий микроконтроллер, резистивную матрицу, емкостные датчики, RC-фильтр, причем емкостные датчики первыми обкладками подключены к общему проводу, а вторыми обкладками подключены каждый к определенным входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, выход первого широтно-импульсного модулятора, встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер, отличающийся тем, что дополнительно введен радиомодуль, причем общая точка соединения первых выводов резисторов резистивной матрицы подключена к выходу второго широтно-импульсного модулятора, встроенного в микроконтроллер, вторые выводы каждого резистора резистивной матрицы подключены к определенным входам аналогового мультиплексора, микроконтроллер подключен через цифровой последовательный интерфейс к радиомодулю.