Многоканальный измерительный преобразователь емкости для систем мониторинга влажности почвы Российский патент 2025 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, а также других 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 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 аналогового компаратора, 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.

Известно 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, встроенного в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, выход второго ШИМ, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, (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.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является многоканальный измерительный преобразователь для систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками содержащий: микроконтроллер, резистивную матрицу, емкостные датчики, радиомодуль, цифровые датчики температуры и резистивный делитель напряжения, причем емкостные датчики первыми обкладками подключены к общему проводу, вторыми обкладками подключены к входам аналогового мультиплексора микроконтроллера в порядке возрастания номеров его входов, первые выводы и вторые резисторов резистивной матрицы подключены к выводам, соответственно, нечетных и четных номеров входов аналогового мультиплексора, радиомодуль и цифровые датчики температуры подключены к микроконтроллеру через соответствующие интерфейсы, резистивный делитель напряжения подключен, первым и вторым выводами, соответственно, к первому и второму цифровым выводам микроконтроллера, средний вывод делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер (см. пат. РФ № 2820029, кл. G01 R27/26).

Недостаток известного решения – низкая точность обусловленная наличием паразитных емкостей проводников зонда соединяющих емкостные датчики с входами аналогового мультиплексора микроконтроллера, паразитная емкость этих проводников изменяется под действием внешних факторов, в т.ч. и температуры зонда и снижает точность измерений емкости датчиков.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое решение сводится к повышению точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в многоканальный измерительный преобразователь емкости для систем мониторинга влажности почвы содержащий: микроконтроллер, радиомодуль, n-е количество емкостных датчиков и датчиков температуры, радиомодуль и датчики температуры, которого подключены через соответствующие цифровые интерфейсы к микроконтроллеру, емкостные датчики подключены первыми обкладками к общему проводу, дополнительно введено n-e количество генераторов прямоугольных импульсов (ГПИ) и столько же диодов, причем вторые обкладки каждого емкостного датчика подключены к времязадающим входам соответствующих ГПИ, выходы каждого ГПИ подключены к анодам соответствующих диодов, катоды которых подключены к входу встроенного в микроконтроллер счетчика импульсов, входы разрешения генерирования каждого ГПИ подключены к соответствующим цифровым выходам микроконтроллера.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема многоканального измерительный преобразователя емкости для систем мониторинга влажности почвы.

Осуществление изобретения

Многоканальный измерительный преобразователь емкости для систем мониторинга влажности почвы содержит: (фиг.) микроконтроллер 1, радиомодуль 2, цифровые датчики температуры S1…Sn, генераторы G1…Gn, емкостные датчики С1…Сn, полупроводниковые диоды V1…Vn. В качестве ГПИ G1…Gn использованы интегральные таймеры NE555 (КР600ВИ1).

Емкостные датчики С1…Сn первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки подключены к времязадающим входам соответствующих генераторов G1…Gn. Выходы каждого генератора подключены к анодам соответствующих диодов V1…Vn, катоды которых подключены к входу (D0) счетчика импульсов, встроенного в микроконтроллер 1, радиомодуль 2 подключен через цифровой интерфейс к микроконтроллеру 1, датчики температуры S1…Sn подключены к микроконтроллеру 1 через интерфейс 1-Wire и предназначены для измерения температуры, того слоя почвы, что и емкостные датчики С1…Сn для измерения влажности почвы.

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

Микроконтроллер 1 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом.

Шаг 1. Микроконтроллер 1 очищает счетчик импульсов (на фиг. счетчик импульсов не показан) и выводит через первый цифровой вывод D1 на вход разрешения генерирования ГПИ G1 логическую 1, а на входы разрешения генерирование остальных ГПИ – логические 0. В этом случае, работает только ГПИ G1, он формирует на своем выходе прямоугольные импульсы, частота которых зависит от емкости датчика C1, прямоугольные импульсы поступают через диод V1 на вход D0 счетчика импульсов, при этом выходы остальных ГПИ не шунтируют выход работающего ГПИ G1, так как остальные диоды включены под обратное напряжение, формируемое работающим ГПИ и через них протекает обратный ток, который не влияет на амплитуду прямоугольных импульсов работающего ГПИ G1. По истечении интервала времени, например, в 1 секунду, микроконтроллер 1 останавливает счетчик импульсов, считывает и сохраняет в памяти его содержимое – количество подсчитанных за одну секунду импульсов, т.е. значение частоты, на которой работает ГПИ G1. Частота ГПИ G1 зависит от емкости датчика C1, которая зависит от диэлектрической проницаемости почвы, а, следовательно, от ее влажности.

Шаг 2. Микроконтроллер 1 считывает температуру датчика S1 и сохраняет ее значение в памяти.

Шаг 3. Микроконтроллер 1 по градуировочной таблице, которая находится в его памяти, в зависимости от частоты импульсов, формируемых ГПИ G1, определяет влажность слоя почвы, в котором расположен емкостный датчик C1 и корректирует ее значение в зависимости от температуры почвы, измеряемой датчиком S1.

Шаг 4. Микроконтроллер 1 отправляет через цифровой интерфейс в радиомодуль 2 результаты измерения влажности почвы датчиком С1 и ее температуры, измеренной датчиком S1.

Шаг 5. Микроконтроллер 1 переходит к выполнению алгоритма по измерению влажности почвы и температуры следующего слоя почвы, при этом опрашивает соответствующие датчики. После выполнения алгоритма измерения влажности и температуры n-слоя почвы соответствующими датчиками Cn и Sn микроконтроллер переходит в режим сна на определенное время, задаваемое программным способом.

Шаг. 6. После выхода из режима сна микроконтроллер 1 переходит к выполнению Шага 1, т.е. повторяет весь цикл измерений.

Принимающая по радиоканалу система (на фиг. принимающая по радиоканалу система не показана) обрабатывает принимаемые от радиомодуля 2 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 позволяет повысить точность измерений – введенные генераторы находятся в непосредственной близости от емкостных датчиков, что снижает влияние изменяющихся под действием внешних факторов паразитных емкостей подводящих проводников на емкостные датчики и таким образом позволяет уменьшить погрешность 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, а также других систем контроля и управления. Емкостные датчики С1…Сn первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки подключены к времязадающим входам соответствующих ГПИ G1…Gn. Выходы каждого ГПИ подключены к анодам соответствующих диодов V1…Vn, катоды которых подключены к входу (D0) счетчика импульсов, встроенного в микроконтроллер 1, входы разрешения генерирования каждого ГПИ подключены к соответствующим цифровым выходам D1…Dn микроконтроллера, радиомодуль 2 подключен через цифровой интерфейс к микроконтроллеру 1, датчики температуры S1…Sn подключены к микроконтроллеру 1 через интерфейс 1-Wire и предназначены для измерения температуры того слоя почвы, что и емкостные датчики С1…Сn для измерения влажности почвы. В качестве генераторов G1…Gn использованы интегральные таймеры NE555 (КР600ВИ1). Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерений. 1 ил.

Многоканальный измерительный преобразователь емкости для систем мониторинга влажности почвы, содержащий: микроконтроллер, радиомодуль, n-е количество емкостных датчиков и датчиков температуры, радиомодуль и датчики температуры которого подключены через соответствующие цифровые интерфейсы к микроконтроллеру, емкостные датчики подключены первыми обкладками к общему проводу, отличающийся тем, что дополнительно введено n-e количество генераторов прямоугольных импульсов (ГПИ) и столько же диодов, причем вторые обкладки каждого емкостного датчика подключены к времязадающим входам соответствующих ГПИ, выходы каждого ГПИ подключены к анодам соответствующих диодов, катоды которых подключены к входу встроенного в микроконтроллер счетчика импульсов, входы разрешения генерирования каждого ГПИ подключены к соответствующим цифровым выходам микроконтроллера.