Устройство измерения емкости для встраиваемых систем управления
CAPACITY MEASURING DEVICE FOR EMBEDDED CONTROL SYSTEMS

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. G01 R27/26).
Недостаток известного решения – ограничены 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. G01 R27/26).
Недостаток известного решения – ограничены 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 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, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора 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 АК, встроенного в микроконтроллер (см. пат. РФ № 2698492, кл. G01 R27/26).
Недостаток известного решения – низкие быстродействие и точность устройства, по причине последовательного проведения преобразований в опорной и измерительной RC-цепях, вследствие чего возрастает время преобразования, а также воздействие различных во времени уровней внешних факторов, например электромагнитных помех, температуры, напряжения источника питания и т.д., что приводит к ограничению области использования данного устройства во встраиваемых системах управления.
Раскрытие изобретения
Предлагаемое решение сводится к повышению точности и скорости измерения путем организации алгоритмов параллельного преобразования в опорной и измерительной RC-цепях.
Технический результат достигается тем, что устройство измерения емкости для встраиваемых систем управления, содержащее микроконтроллер, компьютер емкостный датчик, RC-фильтр, образцовый  конденсатор, первый и второй резисторы, причем емкостный датчик и образцовый  конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, выход одноканального широтно-импульсного модулятора (ШИМ), встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу первого АК, встроенного в микроконтроллер, первые выводы первого и второго резисторов подключены, соответственно к вторым обкладкам емкостного датчика и образцового конденсатора, вторые выводы первого и второго резисторов подключены, соответственно, к выходам первого и второго ШИМ, встроенных в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, отличающееся тем, что выход RC-фильтра подключен к первому входу второго АК, встроенного в микроконтроллер, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены к вторым входам, соответственно, первого и второго АК, встроенных в микроконтроллер.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена структурная схема  устройства измерения емкости для встраиваемых систем управления.
Осуществление изобретения
Устройство измерения емкости для встраиваемых систем управления содержит (фиг.)  микроконтроллер 1, компьютер 2, RC-фильтр 3, первый резистор 4, второй резистор 5, емкостный датчик 6, образцовый конденсатор 7. Емкостный датчик 6 и образцовый  конденсатор 7 первыми обкладками подключены к общему проводу, вторая обкладка емкостного датчика 6 подключена к первому выводу первого резистора 4, вторая обкладка образцового конденсатора 7 подключена к первому выводу второго резистора 5, вторые выводы первого резистора 4 и второго резистора 5 подключены к соответствующим выходам двухканального ШИМ (на фиг. двухканальный ШИМ не показан) встроенного в микроконтроллер 1, выход одноканального ШИМ, встроенного в микроконтроллер 1, (на фиг. одноканальный ШИМ не показан) подключен к входу RC-фильтра 3, выход которого подключен к первым входам первого и второго АК, вторые обкладки емкостного датчика 6 и образцового конденсатора 7 подключены, соответственно к вторым входам первого и второго АК, встроенных в микроконтроллер 1, компьютер 2 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 1.
Устройство измерения емкости для встраиваемых систем управления работает следующим образом.
Микроконтроллер 1 настраивает двухканальный ШИМ на заданную частоту генерирования широтно-импульсных сигналов (ШИМ-сигналов) с заданными коэффициентами заполнения и запускает этот ШИМ. Оба канала данного ШИМ работают синхронно. Сопротивления первого резистора 4 и второго резистора 5, а также емкости емкостного датчика 6 и образцового конденсатора 7 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 6 и образцового конденсатора 7 напряжение будет 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 двухканального ШИМ.
Микроконтроллер 1 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом следующим образом.
Шаг 1.  Микроконтроллер 1 формирует на выходе одноканального ШИМ сигнал с начальным минимальным коэффициентом заполнения. Этот сигнал приложен к входу RC-фильтра 3. При этом, изменяющееся на емкостном датчике 6 и образцовом конденсаторе 7 напряжение, контролируемое неинвертирующими входами, соответственно, первого АК и второго АК будет выше уровня напряжения, формируемого на инвертирующих входах первого АК и второго АК RC-фильтром 3. На выходе первого АК и второго АК будет логическая 1.
Шаг 2. Микроконтроллер 1 начинает увеличивать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала одноканального ШИМ, при этом напряжение на выходе RC-фильтра 3 плавно возрастает. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 3 превысит изменяющееся напряжение, например на емкостном датчике 6, то на выходе первого АК будет сформирован кратковременно логический 0. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 1 прейдет к процедуре обработки данного прерывания. Эта процедура заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике 6 и на выходе RC-фильтра 3. В этом случае, сохраненный двоичный код есть эквивалент минимального значения напряжения на емкостном датчике 6.
Шаг 3. Далее микроконтроллер 1 продолжает увеличивать коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 3 превысит изменяющееся напряжение, например на образцовом конденсаторе 7, то на выходе второго АК будет сформирован кратковременно логический 0. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 1 прейдет к процедуре обработки данного прерывания. Эта процедура заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала, при котором было обнаружено равенство напряжений на образцовом конденсаторе 7 и на выходе RC-фильтра 3. В этом случае, сохраненный двоичный код есть эквивалент минимального значения напряжения на образцовом конденсаторе 7.
Шаг 4. Микроконтроллер 1 формирует на входе одноканального ШИМ сигнал с начальным максимальным коэффициентом заполнения. При этом изменяющееся на емкостном датчике 6 и образцовом конденсаторе 7 напряжение, контролируемое инвертирующим входом аналогового компаратора будет ниже уровня напряжения формируемого на неинвертирующих входах первого и второго АК RC-фильтром 3 и на выходах первого и второго аналоговых АК будет логический 0.
Шаг 5. Микроконтроллер 1 начинает уменьшать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала, напряжение на выходе RC-фильтра 3 плавно уменьшается. Как только, напряжение на выходе RC-фильтра 3 будет ниже изменяющегося напряжения, например на емкостном датчике 6, то на выходе первого АК будет кратковременно сформирована логическая 1. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому он прейдет к процедуре обработки этого прерывания, которая заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала одноканального ШИМ, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике 6 и на выходе RC-фильтра 3. В этом случае, сохраненный двоичный код есть эквивалент максимального значения напряжения на емкостном датчике 6.
Шаг 6. Далее микроконтроллер 1 продолжает уменьшать коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала. Как только, напряжение на выходе RC-фильтра 3 будет ниже изменяющегося напряжения, например на образцовом конденсаторе 7, то на выходе второго АК будет кратковременно сформирована логическая 1. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому он прейдет к процедуре обработки этого прерывания, которая заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала одноканального ШИМ, при котором было обнаружено равенство напряжений на образцовом конденсаторе 7 и на выходе RC-фильтра 3. В этом случае сохраненный двоичный код есть эквивалент максимального значения напряжения на образцовом конденсаторе 7.
Шаг 7. Микроконтроллер 1 вычисляет разницу между максимальным значением кода и минимальным на емкостном датчике 6, а затем сохраняет эту разницу в памяти. Таким образом, микроконтроллер 1 определяет размах изменения напряжения на емкостном датчике 6. При возрастании емкости датчика 6 размах напряжения на нем уменьшается, а при уменьшении емкости датчика 6 размах напряжения на нем возрастает.
Шаг 8. Микроконтроллер 1 вычисляет разницу между максимальным значением кода и минимальным, на образцовом конденсаторе 7 и сохраняет эту разницу в памяти. Таким образом, микроконтроллер 1 определяет размах изменения напряжения на образцовом конденсаторе 7.
Шаг 9. Микроконтроллер 1 определяет разницу между размахом напряжений на образцовом конденсаторе 7 и емкостном датчике 6, эта разница зависит, в основном, от измеряемой емкости конденсаторного датчика 6.
Шаг 10. Микроконтроллер 1 отправляет результат преобразования через цифровой последовательный интерфейс на компьютер 2, который выводит этот результат на монитор.
Шаг 11. Микроконтроллер 1 осуществляет переход к выполнению Шага 1, т.е. реализует новый цикл измерения.
Компьютер 2 может сохранять, полученные от микроконтроллера 1 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 2 позволяет оперативно записывать в программную память микроконтроллера 1 новые модифицированные программы. В качестве компьютера может быть использован микрокомпьютер типа Raspberry Pi.
Иногда требуется проводить измерения на нескольких частотах, особенно при измерении диэлектрической проницаемости материала расположенного между обкладками емкостного датчика 6, 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 — повышена точность и скорость измерения устройства, благодаря введению новых связей, что позволяет реализовать алгоритм параллельного преобразования для измерительной и опорной RC-цепей, а следовательно позволяет получить более высокую точность и скорость измерения.