Микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости для диэлькометрических USB влагомеров зерна
MICROCONTROLLER CAPACITANCE TRANSDUCER FOR DIELCOMETRIC USB GRAIN MOISTURE METERS

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 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.
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. 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерное устройство измерения емкости для систем контроля и управления, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, первый, второй, третий и четвертый резисторы, RC-фильтр и компьютер, причем первая обкладка емкостного датчика подключена к общему проводу, а вторая обкладка подключена к первому выводу первого резистора, к первому входу АК микроконтроллера и к первому выводу второго резистора, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу аналого-цифрового преобразователя встроенного в микроконтроллер, второй вывод третьего резистора подключен к цифровому выходу микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к общему проводу, выход третьего ШИМ в микроконтроллера, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к второму входу АК микроконтроллера, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру (см. пат. РФ № 2719790, кл. G01R 27/26).
Недостаток известного решения - низкая точность измерений, так как между первым и вторым резисторами существует гальваническая связь, которая вносит погрешность в измерения, обусловленную влиянием выходных сопротивлений и паразитных емкостей одного цифрового вывода микроконтроллера на другой его цифровой вывод, к которым подключены первый и второй резисторы.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности диэлькометрического метода измерения влажности зерна.
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости для диэлькометрических USB влагомеров зерна, содержащий микроконтроллер, емкостный датчик, первый и второй резисторы, RC-фильтр, компьютер, причем первая обкладка емкостного датчика подключена к общему проводу, первые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов микроконтроллера, выход третьего широтно-импульсного модулятора микроконтроллера подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, дополнительно введены электромагнитное реле и полупроводниковый диод, причем первый и второй контакты электромагнитного реле подключены к первым выводам, соответственно первого и второго резисторов, вторая обкладка емкостного датчика подключена к третьему контакту электромагнитного реле и к второму входу АК микроконтроллера, первый вывод катушки электромагнитного реле подключен к аноду полупроводникового диода и к цифровому выводу микроконтроллера, второй вывод катушки электромагнитного реле подключен к катоду полупроводникового диода и к общему проводу.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя емкости для диэлькометрических USB влагомеров зерна.
Осуществление изобретения
Микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости для диэлькометрических USB влагомеров зерна содержит (фиг.) резисторы 1 и 2, реле 3 электромагнитное, диод 4 полупроводниковый, датчик 5 емкостный, микроконтроллер 6, RC-фильтр 7 и компьютер 8. Первые выводы резисторов 1 и 2 подключены к выходам, соответственно первого и второго ШИМ, встроенных в микроконтроллер 6 (на фиг. ШИМ не показаны), вторые выводы резисторов 1 и 2 подключены, соответственно к первому и второму контактам реле 3. Первая обкладка датчика 5 подключена к третьему контакту реле 3, и к первому входу АК (на фиг. АК не показан), встроенного в микроконтроллер 6, вторая обкладка датчика 5 подключена к общему проводу, выход третьего ШИМ, встроенного в микроконтроллер 6, (на фиг. третий ШИМ не показан) подключен к входу RC-фильтра 7, выход которого подключен к второму входу АК микроконтроллера 6. Анод диода 4 подключен к первому выводу катушки реле 3 и к цифровому выходу микроконтроллера 6, катод диода 4 подключен к второму выводу катушки реле 3 и к общему проводу. Компьютер 8 подключен через цифровой последовательный USB интерфейс к микроконтроллеру 6.
Микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости для диэлькометрических USB влагомеров зерна работает следующим образом.
Микроконтроллер 6 настраивает первый ШИМ на заданную частоту генерирования ШИМ-сигналов с заданным коэффициентом заполнения. Выводит высокий логический уровень напряжения на цифровой вывод, подключенный к первому выводу катушки реле 3, при этом первый и третий контакты реле 3 замыкаются. Под действием ШИМ-сигнала первого ШИМа на датчике 5 напряжение будет изменяться по экспоненте от минимального значения до максимального, по известным законам (заряд-разряд).
Микроконтроллер 6 выполняет последовательно шаг за шагом следующий алгоритм.
Шаг 1. Микроконтроллер 6 формирует на выходе третьего ШИМа ШИМ-сигнал с начальным минимальным коэффициентом заполнения. Этот ШИМ-сигнал приложен к входу RC-фильтра 7. При этом, изменяющееся на емкостном датчике 5 напряжение, приложенное к первому входу АК будет выше напряжения, формируемого на втором входе АК RC-фильтром 7. На выходе АК будет логический 0.
Шаг 2. Микроконтроллер 6 начинает увеличивать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала третьего ШИМа, напряжение на выходе RC-фильтра 7 возрастает. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 7  превысит изменяющееся напряжение на емкостном датчике 5, на выходе АК будет сформирована, кратковременно логическая 1. Система прерываний микроконтроллера 6 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 6 перейдет к процедуре обработки данного прерывания. Эта процедура заключается в сохранении двоичного кода пропорционального коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала третьего ШИМа, при котором было обнаружено равенство напряжений на датчике 5 и на выходе RC-фильтра 7. В этом случае, можно считать, что сохраненный двоичный код есть эквивалент минимального значения напряжения на датчике 5.
Шаг 3. Микроконтроллер 5 формирует на входе RC-фильтра 7, с помощью третьего ШИМа, ШИМ-сигнал с начальным максимальным коэффициентом заполнения. При этом изменяющееся на емкостном датчике 5 напряжение, приложенное к первому входу АК, будет ниже напряжения, формируемого на втором входе АК RC-фильтром 7 и на выходе АК будет логическая 1.
Шаг 4. Микроконтроллер 6 начинает уменьшать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала третьего ШИМа, напряжение на выходе RC-фильтра 7 уменьшается. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 7 станет ниже изменяющегося напряжения на емкостном датчике 5, на выходе АК будет кратковременно сформирован логический 0, система прерываний микроконтроллера 6 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 6 прейдет к процедуре обработки этого прерывания, которая заключается в сохранении двоичного кода, пропорционального коэффициенту заполнения, при котором было обнаружено равенство напряжений на датчике 5 и на выходе RC-фильтра. В этом случае можно считать, что сохраненный двоичный код есть эквивалент максимального значения напряжения на емкостном датчике 5.
Шаг 5. Микроконтроллер 6 вычисляет разницу между максимальным и минимальным значениями напряжения на емкостном датчике 5 и сохраняет эту разницу в памяти. Чем больше емкость датчика 5, тем меньше размах напряжения на нем. Чем меньше емкость датчика 5, тем больше размах напряжения на нем. Размах напряжения на датчике 5 зависит от его емкости, а, следовательно, от диэлектрической проницаемости зерна, помещенного в полость датчика 5, которая зависит от влажности зерна.
Шаг 6. Микроконтроллер 6 выводит на цифровой вывод низкий уровень напряжения, катушка реле 3 будет обесточена, при этом первый и третий контакты реле 3 разомкнутся, но замкнутся второй и третий контакты реле 3. Под действием ШИМ-сигнала второго ШИМа на датчике 5 напряжение будет изменяться по экспоненте от минимального значения до максимального. Микроконтроллер повторяет алгоритм, состоящий из ранее описанных действий (шаги 2 - 5), только результат сохраняет под именем второй переменной.
Сопротивления резисторов 1 и 2, а также емкость датчика 5 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.
Первый и второй ШИМы генерируют ШИМ-сигналы разных частот, благодаря чему приобретается информация, которая характеризует, зависимость диэлектрической проницаемости материала, помещенного между обкладками емкостного датчика 5 от частоты напряжения, приложенного к этому датчику. Известно, что диэлектрическая проницаемость зависит от скорости протекания процессов заряд/разряд. Так как, сопротивления первого и второго резисторов различны и частоты ШИМ-сигналов первого и второго ШИМов тоже различны, то скорости протекания переходных процессов тоже будут различными. Микроконтроллер 6 рассчитывает диэлектрическую проницаемость для каждой частоты, сохраняет в памяти и выводит результаты на монитор компьютера для выполнения анализа пользователем.
Преимущества изобретения по сравнению с прототипом: повышена точность измерений, благодаря введению электромагнитного реле, что позволяет устранить гальваническую связь между первыми выводами первого и второго резисторов, а, следовательно, устранить влияние друг на друга выходных сопротивлений и паразитных емкостей цифровых выводов, к которым подключены вторыми выводами первый и второй резисторы.