Результат интеллектуальной деятельности: Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем контроля и управления

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 электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, во времязадающие цепи первого и второго одновибраторов включены конденсаторы, соответственно измеряемой емкости и образцовой, два интегрирующих звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, индикатор, включенный между выходами интегрирующих звеньев. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, которое зависит от изменения измеряемой емкости и отражается индикатором (см. пат. РФ №2156472, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограниченные функциональные возможности.

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 (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является 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 (см. пат. РФ №2378658, кл. 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.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем контроля и управления, обладающего повышенной точностью преобразования и расширенными функциональными возможностями за счет использования более совершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, благодаря введению RC-фильтра и новых связей, а также увеличения вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства, путем введения компьютера.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем контроля и управления, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, первый и второй резисторы, 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, введены RC-фильтр и компьютер, причем вторые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов, 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 широтно-импульсного модулятора, встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем контроля и управления.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем контроля и управления содержит (фиг.) резистор 1, емкостный датчик 2, резистор 3, образцовый конденсатор 4, микроконтроллер 5, компьютер 6 и RC-фильтр 7. Емкостный датчик 1 и образцовый конденсатор 4 первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика 1 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно, к первым выводам резисторов 1 и 3, вторые выводы резисторов 1 и 3 подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер 5 (на фиг. ШИМ не показаны), вторые обкладки емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг. аналоговый мультиплексор не показан), выход аналогового мультиплексора подключен к инвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг.аналоговый компаратор, а также связь выхода аналогового мультиплексора со входом аналогового компаратора не показаны), компьютер 6 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 5, выход третьего ШИМ, встроенного в микроконтроллер, (на фиг. третий ШИМ не показан) подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора.

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

Микроконтроллер 5, в соответствии с программой, настраивает первый и второй ШИМы на заданную частоту генерирования широтно-импульсных сигналов (ШИМ-сигналов) с заданными коэффициентами заполнения и запускает оба ШИМа, которые работают синхронно. Сопротивления резисторов 1 и 3, а также емкости емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подобраны так, чтобы на заданной частоте ШИМ-сигналов, переходные процессы в RC-цепях, образованных этими элементами длились от одной до трех постоянных времени этих RC-цепей. На вторых обкладках емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 напряжения будут изменяться по экспоненте от минимального значения до максимального, по известным законам (заряд-разряд). Коэффициенты заполнения ШИМ-сигналов пропорциональны двоичным кодам, которые загружаются программой в специальные регистры ШИМов. Эти двоичные коды в любой момент времени могут быть извлечены, программным способом из данных регистров и обработаны по определенным алгоритмам, формирующим результат измерения.

Микроконтроллер 5 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом следующим образом.

Шаг 1. Микроконтроллер 5 подключает первый вход аналогового мультиплексора, к которому подключена вторая обкладка емкостного датчика 2 к инвертирующему входу аналогового компаратора.

Шаг 2. Микроконтроллер 5 формирует на выходе третьего ШИМа сигнал с начальным минимальным коэффициентом заполнения. Этот сигнал приложен к входу RC-фильтра 7. При этом, изменяющееся на емкостном датчике 2 напряжение, контролируемое инвертирующим входом аналогового компаратора будет выше уровня напряжения, формируемого на неинвертирующем входе аналогового компаратора RC-фильтром 7. На выходе аналогового компаратора будет логический 0.

Шаг 3. Микроконтроллер 5 начинает увеличивать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала, напряжение на выходе RC-фильтра 7 плавно возрастает. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 7 превысит изменяющееся напряжение на емкостном датчике 2, на выходе аналогового компаратора будет сформирована, кратковременно логическая 1. Система прерываний микроконтроллера 5 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 5 прейдет к процедуре обработки данного прерывания. Эта процедура заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике 2 и на выходе RC-фильтра. В этом случае, можно считать, что сохраненный двоичный код есть эквивалент минимального значения напряжения на емкостном датчике 2.

Шаг 4. Микроконтроллер 5 формирует на входе RC-фильтра 7, с помощью третьего ШИМа, сигнал с начальным максимальным коэффициентом заполнения. При этом изменяющееся на емкостном датчике 2 напряжение, контролируемое инвертирующим входом аналогового компаратора, будет ниже уровня напряжения, формируемого на неинвертирующем входе аналогового компаратора RC-фильтром 7, и на выходе компаратора будет логическая 1.

Шаг 5. Микроконтроллер 5 начинает уменьшать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала, напряжение на выходе RC-фильтра 7 плавно уменьшается. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 7 будет ниже изменяющегося напряжения на емкостном датчике 2, на выходе аналогового компаратора будет кратковременно сформирован логический 0. Система прерываний микроконтроллера 5 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 5 прейдет к процедуре обработки этого прерывания, заключающейся в сохранении двоичного кода пропорционального коэффициенту заполнения, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике 2 и на выходе RC-фильтра. В этом случае можно считать, что сохраненный двоичный код есть эквивалент максимального значения напряжения на емкостном датчике 2.

Шаг 6. Микроконтроллер 5 вычисляет разницу между максимальным значением кода и минимальным и сохраняет эту разницу в памяти. Таким образом, микроконтроллер 5 определяет размах изменения напряжения на емкостном датчике 2.

Шаг 7. Микроконтроллер 5 подключает второй вход аналогового мультиплексора, к которому подключена вторая обкладка образцового конденсатора 4 к инвертирующему входу аналогового компаратора и выполняет тот же алгоритм, что и при выполнении шагов 2-6, но при этом он определяет размах изменения напряжения на образцовом конденсаторе 4 и сохраняет это значение в памяти.

Шаг 8. Микроконтроллер 5 определяет разницу между размахом напряжений на образцовом конденсаторе 4 и емкостном датчике 2, эта разница зависит от измеряемой емкости конденсаторного датчика 2. При возрастании емкости датчика 2 размах напряжения на нем уменьшается, а при уменьшении емкости датчика 2 размах напряжения на нем возрастает.

Шаг 9. Микроконтроллер 5 отправляет результат преобразования через цифровой последовательный интерфейс на компьютер 6, который выводит этот результат на монитор и выполняет другие действия, определяемые его программой.

Шаг 10. Микроконтроллер 5 осуществляет переход к выполнению шага 1, т.е реализует новый цикл измерения.

Компьютер 6 может сохранять, полученные от микроконтроллера 5 результаты измерений в памяти для их последующего анализа, а также может передавать по инфокоммуникационным сетям в любую географическую точку земли, в которой второй компьютер настроен на прием данной информации.

Компьютер 6 позволяет оперативно записывать в программную память микроконтроллера 5 новые модифицированные программы, что также расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства.

Микроконтроллер 5 способен изменять, в соответствии с программой, частоту следования ШИМ-сигналов и их коэффициенты заполнения, что необходимо для правильного согласования параметров RC-цепей, образуемых, резисторами 1,3, емкостным датчиком 2 и образцовым конденсатором 4 и параметров ШИМ-сигналов.

Иногда требуется проводить измерения на нескольких частотах, особенно при измерении диэлектрической проницаемости материала расположенного между обкладками емкостного датчика, например, при измерении влажности семян сельскохозяйственных культур. Известно, что диэлектрическая проницаемость этих материалов зависит от частоты электрического поля между обкладками конденсатора.

Преимущества изобретения по сравнению с прототипом: благодаря введению новых элементов и связей, реализован более совершенный алгоритм преобразования емкости в двоичный код, что повышает точность устройства; благодаря введению компьютера увеличены вычислительные и инфокоммуникационные возможности устройства, что расширяет область его использования. В качестве компьютера может быть использован микрокомпьютер типа Raspberry Pi.