Патент на изобретение №2392629

(54) УСТРОЙСТВО МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления. Измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код содержит микроконтроллер, образцовый резистор, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости и резистор измеряемого сопротивления. Резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости. Дополнительно в измерительный преобразователь введен резистивный делитель напряжения. Первые выводы резисторов делителя напряжения подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, а вторые – к выводам питания микроконтроллера. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными и резистивными датчиками.

Уровень техники

Известно устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, два интегрирующих RC-звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, блок индикации, включенный между выходами интегрирующих RC-звеньев, во времязадающие цепи одновибраторов включены конденсаторы соответственно образцовой емкости и измеряемой. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, значение которого зависит от изменения измеряемой емкости и которое отражается блоком индикации (см. пат. РФ 2156472, кл. G01R 27/26).

Недостатки известного решения: ограничены функциональные возможности – устройство не позволяет преобразовать измеряемые величины в двоичный код для дальнейшей их обработки в микропроцессорных системах.

Известно устройство для измерения неэлектрических величин емкостными датчиками, содержащее первый и второй генераторы, микроконтроллер и цифровой индикатор, во времязадающие цепи генераторов включены соответственно датчик измеряемой емкости и конденсатор образцовой емкости, времязадающие резисторы включены по известным схемам, выходы генераторов подключены к счетным входам соответствующих счетчиков микроконтроллеров, один из выводов микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к выходу микроконтроллера (см. пат. РФ 2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения – низкая точность, обусловленная погрешностью, вносимой промежуточными преобразовательными устройствами – генераторами, параметры которых зависят от внешних факторов, например температуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым авторами за прототип является устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика, содержащее микроконтроллер, цифровой индикатор, первый и второй генераторы, времязадающие цепи которых содержат соответственно емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости и времязадающие резисторы, включенные по известным схемам, управляемые ключи, выходы первого и второго генераторов подключены к входам микроконтроллера, первый выход микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, к выходу микроконтроллера подключен цифровой индикатор (см. пат. РФ 2258232, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения – низкая точность, обусловленная погрешностью, вносимой промежуточными преобразовательными устройствами – генераторами, параметры которых зависят от внешних факторов, например температуры.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения сводится к повышению точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройство микроконтроллерное для измерения емкости и сопротивления, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, резисторы образцового и измеряемого сопротивления и цифровой индикатор, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, цифровой индикатор подключен к параллельному порту микроконтроллера, введены три резистора, причем их первые выводы подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к плюсовому и минусовому выводам питания микроконтроллера, второй вывод третьего резистора подключен к первому выходу микроконтроллера, первые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивления подключены к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивлений подключены соответственно к второму и третьему выходам микроконтроллера, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к четвертому и пятому выходам микроконтроллера.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема устройства микроконтроллерного для измерения емкости и сопротивления.

Осуществление изобретения

Устройство микроконтроллерное для измерения емкости и сопротивления содержит (см. чертеж) микроконтроллер 1, резистор 2 образцового сопротивления (Ro), емкостный датчик 3 измеряемой емкости (Сх), резистор 4 измеряемого сопротивления (Rx), конденсатор 5 образцовой емкости (Со), резисторы первый 6, второй 7 и третий 8 соответственно, цифровой индикатор 9. Резисторы 2 и 4 первыми выводами подключены к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера 1 и первым обкладкам емкостного датчика 3 и конденсатора 5, первые выводы резисторов 6, 7 и 8 подключены к первому входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1, вторые выводы резисторов 6 и 7 подключены соответственно к плюсовому и минусовому выводам питания микроконтроллера 1, второй вывод резистора 8 подключен к первому выходу микроконтроллера 1, вторые выводы резисторов 2 и 4 подключены соответственно к второму и третьему выходам микроконтроллера 1, вторые обкладки емкостного датчика 3 и конденсатора 5 образцовой емкости подключены соответственно к четвертому и пятому выходам микроконтроллера 1, цифровой индикатор 9 подключен к параллельному порту микроконтроллера.

Устройство микроконтроллерное для измерения емкости и сопротивления работает следующим образом.

Микроконтроллер 1 выводит на первый выход высокий уровень напряжения (лог.1), при этом на первый вход аналогового компаратора микроконтроллера 1 подается с точки соединения вторых выводов резисторов 7, 8 и 9 напряжение, большее чем 0,5Uп, где Uп – напряжение питания микроконтроллера 1. Для измерения емкости емкостного датчика 3 микроконтроллер 1 отключает цепь, состоящую из резистора 4 и конденсатора 5, путем перевода третьего и пятого выходов в высокоомное состояние. Затем, микроконтроллер 1 выводит на четвертый выход низкий уровень напряжения (лог.0) и разряжает емкостный датчик 3 через резистор 2 путем вывода лог.0 на второй выход. Через некоторое время микроконтроллер 1 выводит лог.1 на второй выход и запускает заранее обнуленный внутренний двоичный счетчик. Когда напряжение на емкостном датчике 3 достигнет уровня напряжения, подаваемого на первый вход аналогового компаратора, то на выходе аналогового компаратора уровень напряжения поменяется на противоположный. По этому сигналу микроконтроллер 1 выводит на второй и первый выходы лог.0, при этом на первый вход аналогового компаратора будет подано напряжение, меньшее 0,5Uп. Емкостный датчик 3 начинает разряжаться. Как только напряжение на втором входе аналогового компаратора сравняется с напряжением на его первом входе, то на выходе аналогового компаратора уровень напряжения поменяется на противоположный. По этому сигналу микроконтроллер 1 выводит на первый и второй выходы лог.1 и емкостный датчик 3 начинает вновь заряжаться и т.д. Микроконтроллер 1 подсчитывает количество циклов заряд/разряд емкостного датчика 3, и как только их количество сравняется с заданным, останавливает двоичный счетчик и сохраняет его содержимое, т.е. двоичный код N. Двоичный код N пропорционален постоянной времени =Ro·Cx и определяется выражением N=/Т, где Т – период (длительность такта) тактового генератора микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 определяет постоянную времени из выражения =T·N, а затем определяет Сх=T·N/Ro, где Ro известно.

Для измерения сопротивления резистора 4 микроконтроллер 1 выполняет тот же алгоритм, что и для измерения емкости Сх емкостного датчика 3, и определяет Rx из выражения: Rx=T·N/Co, где Со известно.

Результат измерения микроконтроллер 1 выводит на цифровой индикатор 9. Результат измерения может быть передан по последовательному интерфейсу, например TWI (I²C), в другую микропроцессорную систему, например систему управления технологическим процессом или объектом (на чертеже не показаны).

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество – обладает более высокой точностью, так как отсутствуют промежуточные преобразовательные устройства – генераторы, а следовательно, и дополнительные погрешности.

Формула изобретения

Устройство микроконтроллерное для измерения емкости и сопротивления, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, резисторы образцового и измеряемого сопротивления и цифровой индикатор, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, цифровой индикатор подключен к параллельному порту микроконтроллера, отличающееся тем, что в него введены три резистора, причем их первые выводы подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к плюсовому и минусовому выводам питания микроконтроллера, второй вывод третьего резистора подключен к первому выходу микроконтроллера, первые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивления подключены к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивлений подключены соответственно к второму и третьему выходам микроконтроллера, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к четвертому и пятому выходам микроконтроллера.

РИСУНКИ