МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ РЕЗИСТИВНЫХ И ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ С ПЕРЕДАЧЕЙ РЕЗУЛЬТАТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПО РАДИОКАНАЛУ
MICROCONTROLLER MEASURING CONVERTER FOR RESISTIVE AND CAPACITIVE SENSORS WITH TRANSMISSION OF CONVERSION RESULT OVER RADIO CHANNEL

Изобретение относится к измерительным информационным системам, в частности к системам для измерения емкости и сопротивления и может быть использовано для измерения неэлектрических величин резистивными и емкостными датчиками в беспроводных системах контроля и управления.
Известно устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, два RC-фильтра, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, блок индикации, включенный между выходами RC-фильтров, во времязадающие цепи одновибраторов включены конденсаторы, соответственно, образцовой и измеряемой емкости (см. пат. РФ №2156472, кл. G01R 27/26).
Недостаток известного решения - отсутствует функция энергосбережения, что не позволяет использовать данное решение для построения радиодатчиков, работающих от автономных источников питания.
Известно устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее первый и второй генераторы, микроконтроллер и цифровой индикатор, во времязадающие цепи генераторов включены, соответственно, конденсаторный датчик измеряемой емкости и конденсатор образцовой емкости, времязадающие резисторы включены по известным схемам, выходы генераторов подключены к счетным входам, соответствующих счетчиков микроконтроллера, один из выводов микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к дискретным выходам микроконтроллера (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).
Недостаток известного решения - отсутствует функция энергосбережения, что не позволяет использовать данное решение для построения радиодатчиков, работающих от автономных источников питания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым авторами за прототип является микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код, содержащий: микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, образцовый резистор, измеряемый резистор, резистивный делитель напряжения, причем образцовый и измеряемый резисторы первыми выводами подключены к первым обкладкам, соответственно, емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, первые выводы резисторов делителя напряжения подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, а вторые выводы подключены, соответственно к выводам питания микроконтроллера, первые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены, соответственно, к первому и второму дискретным выходам микроконтроллера, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера (см. пат. РФ №2391677, кл. G01R 27/26).
Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, отсутствует функция передачи результата преобразования по радиоканалу и энергосберегающая функция, обусловленная непрерывным потреблением тока резистивным делителем. Известно, что для мобильных устройств, например радиодатчиков, функция энергосбережения является одной из наиболее важных.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения сводится к расширению его функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу, содержащий: микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, резистивный датчик, образцовый резистор, резистивный делитель напряжения, причем первые выводы первого и второго резисторов делителя напряжения подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, первые выводы резистивного датчика, образцового резистора, емкостного датчика и образцового конденсатора подключены к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы образцового резистора, емкостного датчика, резистивного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера, дополнительно содержит радиопередатчик, причем вторые выводы первого и второго резисторов делителя напряжения подключены, соответственно к пятому и шестому дискретным выходам микроконтроллера, модулирующий вход радиопередатчика подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вывод питания радиопередатчика подключен к седьмому дискретному выходу микроконтроллера, общий вывод радиопередатчика подключен к общему выводу микроконтроллера.
На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу.
Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу содержит: (чертеж) микроконтроллер 1, образцовый резистор 2 (Ro), емкостный датчик 3 (Cx), резистивный датчик 4 (Rx), образцовый конденсатор 5 (Co), первый резистор 6 и второй резистор 7 резистивного делителя напряжения, радиопередатчик 8 с двухуровневой амплитудной манипуляцией.
Первые выводы образцового резистора 2, резистивного датчика 4, емкостного датчика 3 и образцового конденсатора 5 подключены к первому входу аналогового компаратора (на чертеже аналоговый компаратор не показан) микроконтроллера 1, первые выводы резисторов 6 и 7 подключены к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера 1. Вторые выводы образцового резистора 2, емкостного датчика 3, резистивного датчика 4, образцового конденсатора 5, резистора 6 и резистора 7 подключены, соответственно, к первому, второму, третьему, четвертому, пятому и шестому дискретным выходам микроконтроллера 1. Выход широтно-импульсного модулятора (ШИМ) (на чертеже ШИМ не показан) микроконтроллера 1 подключен к модулирующему входу радиопередатчика 8. Седьмой дискретный выход микроконтроллера 1 подключен к выводу питания радиопередатчика 8, общий вывод радиопередатчика 8 подключен к общему выводу микроконтроллера 1.
Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу работает следующим образом.
Микроконтроллер 1 способен находиться в одном из двух режимов - в энергосберегающем или в рабочем. В рабочем режиме многократно возрастает потребление энергии микроконтроллером 1 от автономного источника питания. Переход из одного режима в другой, а также время нахождения микроконтроллера 1 в каждом из указанных режимов определяется его программой. Процесс преобразования осуществляется в рабочем режиме по следующему алгоритму.
Микроконтроллер 1 после выхода из энергосберегающего режима выводит на шестой дискретный выход логический «0» (лог.0) и на пятый дискретный выход 5 выводит логическую «1» (лог.1). Через резисторы 6 и 7 резистивного делителя протекает ток, который создает на резисторе 7 падение напряжения, равное 0,63Uн, где Uн - напряжение высокого уровня, т.е. напряжение лог.1.
Для измерения емкости датчика 3 микроконтроллер 1 отключает цепь, состоящую из резистивного датчика 4 и конденсатора 5, путем перевода третьего и четвертого дискретных выходов в высокоомные состояния. Затем, микроконтроллер 1 разряжает датчик 3 через образцовый резистор 2, путем вывода лог.0 на первый и второй дискретные выходы. Через некоторое время микроконтроллер 1 выводит лог.1 (напряжение высокого уровня) на первый дискретный выход и запускает внутренний, заранее обнуленный двоичный счетчик тактовых импульсов микроконтроллера 1. Когда напряжение на емкостном датчике 3 достигнет уровня 0,63Uн на выходе аналогового компаратора будет сформирована лог.1. По этому сигналу микроконтроллер 1 останавливает двоичный счетчик и сохраняет его содержимое, т.е. двоичный код N, который пропорционален постоянной времени τ=Ro·Cx. Двоичный код N определяется выражением N=τ/Т, где Т - период (длительность такта) тактового генератора микроконтроллера 1, Т=1/f, где f - частота тактового генератора микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 определяет постоянную времени из выражения τ=Т·N, а затем определяет значение емкости емкостного датчика 3 из выражения Сх=Т·N/Ro, где Ro известно.
Для измерения сопротивления резистивного датчика 4 микроконтроллер 1 выполняет тот же алгоритм, что и для измерения емкости датчика 3, а затем определяет Rx из выражения Rx=Т·N/Сo, где Сo известно.
Результат преобразования микроконтроллер 1 преобразует с помощью ШИМ в широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ-сигнал). Этот ШИМ-сигнал поступает на модулирующий вход радиопередатчика 8. Для включения радиопередатчика 8 микроконтроллер 1 подает на его вывод питания высокий уровень напряжения, путем вывода на седьмой дискретный выход логической «1». Промодулированный информационным ШИМ-сигналом радиосигнал радиопередатчика 8 излучается в радиоэфир. Перед переходом в энергосберегающий режим микроконтроллер 1 переводит все семь дискретных выходов в высокоомные состояния.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество: - добавлены функция передачи результата преобразования по радиоканалу и функция энергосбережения, позволяющая увеличить время работы микроконтроллерного измерительного преобразователя от одного комплекта автономного источника питания.