RU2774047C1 - Capacity measuring device for embedded control systems - Google Patents
Capacity measuring device for embedded control systems Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774047C1 RU2774047C1 RU2021127263A RU2021127263A RU2774047C1 RU 2774047 C1 RU2774047 C1 RU 2774047C1 RU 2021127263 A RU2021127263 A RU 2021127263A RU 2021127263 A RU2021127263 A RU 2021127263A RU 2774047 C1 RU2774047 C1 RU 2774047C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microcontroller
- capacitive sensor
- built
- output
- filter
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 39
- 230000000051 modifying Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs
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.The invention relates to measuring technology, in particular, to devices for measuring physical quantities with capacitive sensors and can be used in embedded computer control and monitoring systems.
Уровень техникиState of the art
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).A device for measuring non-electrical quantities with capacitor sensors is known, containing a microcontroller, an indicator, the first and second generators, in the time-setting circuits of which a capacitive sensor and a reference capacitor are connected, respectively, the outputs of the generators are connected to the inputs of the microcontroller, the indicator is connected to one of the ports of the microcontroller (see US Pat. RF No. 2214610, class G01 R27/26).
Недостаток известного решения – ограничены функциональные возможности.The disadvantage of the known solution is limited functionality.
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).A microcontroller device for measuring the shaft speed is known, containing a microcontroller, an indicator, the first and second resistors, a capacitive sensor and an exemplary capacitor, which are connected to a common wire by the first plates, the second plates of the capacitive sensor and an exemplary capacitor are connected, respectively, to the first and second inputs of the analog comparator (AC) of the microcontroller and to the first terminals of the first and second resistors, the second terminals of which are connected to the outputs of the microcontroller, the indicator is connected to one of the ports of the microcontroller (see RF Pat. No. 2378658, class 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.The disadvantage of the known solution is that the functionality is limited due to the imperfect algorithm for converting the capacity into binary code, as well as the limited computing and infocommunication capabilities of the device.
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).The closest in technical essence to the claimed technical solution and adopted by the authors as a prototype is a microcontroller capacitance measuring device for embedded computing monitoring and control systems containing: a microcontroller, a capacitive sensor, an exemplary capacitor, the first and second resistors, an RC filter and a computer, moreover, a capacitive sensor and the exemplary capacitor are connected by the first plates to a common wire, the second plates of the capacitive sensor and the exemplary capacitor are connected, respectively, to the first terminals of the first and second resistors, the second terminals of which are connected to the outputs, respectively, of the first and second pulse-width modulators (PWM) built into microcontroller, the second plates of the capacitive sensor and the exemplary capacitor are connected, respectively, to the first and second inputs of the analog multiplexer built into the microcontroller, the computer is connected via a digital serial interface to the microcontroller, the output is third Its PWM built into the microcontroller is connected to the input of an RC filter, the output of which is connected to the non-inverting input of the AC built into the microcontroller (see Fig. Pat. Russian Federation No. 2698492, class. 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. The disadvantage of the known solution is the low speed and accuracy of the device, due to sequential conversions in the reference and measuring RC circuits, as a result of which the conversion time increases, as well as the influence of different levels of external factors in time, such as electromagnetic interference, temperature, power supply voltage, etc. .d., which limits the scope of use of this device in embedded control systems.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Предлагаемое решение сводится к повышению точности и скорости измерения путем организации алгоритмов параллельного преобразования в опорной и измерительной RC-цепях. The proposed solution is to increase the accuracy and speed of measurement by organizing parallel conversion algorithms in the reference and measuring RC circuits.
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. The technical result is achieved by the fact that a capacitance measuring device for embedded control systems, containing a microcontroller, a computer, a capacitive sensor, an RC filter, an exemplary capacitor, the first and second resistors, the capacitive sensor and the exemplary capacitor with the first plates are connected to a common wire, the output of a single-channel width- a pulse modulator (PWM) built into the microcontroller is connected to the input of an RC filter, the output of which is connected to the first input of the first AC built into the microcontroller, the first outputs of the first and second resistors are connected, respectively, to the second plates of the capacitive sensor and the reference capacitor, the second outputs the first and second resistors are connected, respectively, to the outputs of the first and second PWM built into the microcontroller, the computer is connected via a digital serial interface to the microcontroller, characterized in that the output of the RC filter is connected to the first input of the second AC built into the microcontroller, the second The capacitive sensor and exemplary capacitor inputs are connected to the second inputs, respectively, of the first and second AC built into the microcontroller.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг. представлена структурная схема устройства измерения емкости для встраиваемых систем управления.In FIG. a block diagram of a capacitance measuring device for embedded control systems is presented.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
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.Capacitance measuring device for embedded control systems contains (Fig.)
Устройство измерения емкости для встраиваемых систем управления работает следующим образом.Capacitance measurement device for embedded control systems operates as follows.
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. The
Микроконтроллер 1 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом следующим образом.The
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. Step 8.
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.Step 9.
Шаг 10. Микроконтроллер 1 отправляет результат преобразования через цифровой последовательный интерфейс на компьютер 2, который выводит этот результат на монитор.Step 10.
Шаг 11. Микроконтроллер 1 осуществляет переход к выполнению Шага 1, т.е. реализует новый цикл измерения.Step 11.
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. The
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. Sometimes it is required to carry out measurements at several frequencies, especially when measuring the dielectric constant of the material located between the plates of the
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. The advantages of the invention in comparison with the prototype - increased accuracy and speed of measurement of the device, due to the introduction of new connections, which allows you to implement a parallel conversion algorithm for the measuring and reference RC circuits, and therefore allows you to get a higher accuracy and speed of measurement.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2774047C1 true RU2774047C1 (en) | 2022-06-14 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796213C1 (en) * | 2023-02-22 | 2023-05-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Microcontroller capacitance transducer for dielcometric usb grain moisture meters |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5343157A (en) * | 1991-04-18 | 1994-08-30 | Marelli Autronica | Method and apparatus for measuring an unknown capacitance using a known reference capacitance |
WO2007075887A3 (en) * | 2005-12-21 | 2008-12-04 | Weiss Instr Inc | Micropower voltage-independent capacitance measuring method and circuit |
RU2550595C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-05-10 | Елена Александровна Бондаренко | Microcontroller device to measure capacitance and resistance and transfer of measurement result along radio channel |
RU2698492C1 (en) * | 2019-01-09 | 2019-08-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Microcontroller capacitance measuring device for built-in computer monitoring and control systems |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5343157A (en) * | 1991-04-18 | 1994-08-30 | Marelli Autronica | Method and apparatus for measuring an unknown capacitance using a known reference capacitance |
WO2007075887A3 (en) * | 2005-12-21 | 2008-12-04 | Weiss Instr Inc | Micropower voltage-independent capacitance measuring method and circuit |
RU2550595C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-05-10 | Елена Александровна Бондаренко | Microcontroller device to measure capacitance and resistance and transfer of measurement result along radio channel |
RU2698492C1 (en) * | 2019-01-09 | 2019-08-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Microcontroller capacitance measuring device for built-in computer monitoring and control systems |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796213C1 (en) * | 2023-02-22 | 2023-05-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Microcontroller capacitance transducer for dielcometric usb grain moisture meters |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI651930B (en) | Capacitive proximity detection using delta-sigma conversion | |
RU2391677C1 (en) | Microcontroller metering transducer of capacitance and resistance into binary code | |
RU2698492C1 (en) | Microcontroller capacitance measuring device for built-in computer monitoring and control systems | |
WO2006002301A1 (en) | Measuring the capacitance of a capacitive sensor with a microprocessor | |
CN105078416A (en) | Electronic clinical thermometer and method for controlling same | |
Czaja | An implementation of a compact smart resistive sensor based on a microcontroller with an internal ADC | |
RU2719790C1 (en) | Microcontroller capacitance measuring device for control and monitoring systems | |
RU2774047C1 (en) | Capacity measuring device for embedded control systems | |
RU2395816C1 (en) | Microcontroller device to analyse dielectric properties of biological objects and insulation materials | |
Narayanan et al. | A novel single-element inductance-to-digital converter with automatic offset eliminator | |
RU2392629C1 (en) | Microcontroller device for capacity and resistance measurement | |
RU2697715C1 (en) | Microcontroller capacitance measuring device for built-in computer systems | |
KR101203041B1 (en) | Method of measuring an amplitude of a sinusoidal wave using a phase difference and apparatus thereof | |
RU2449299C1 (en) | Microcontroller measuring converter for resistive sensor | |
RU2747515C1 (en) | Capacity measurement device for dielcometer moisture meters of agricultural seeds | |
RU2444020C1 (en) | Microcontroller-based resistance-to-binary code measuring transducer | |
RU2796213C1 (en) | Microcontroller capacitance transducer for dielcometric usb grain moisture meters | |
RU2821720C1 (en) | Multichannel microcontroller measuring transducer for wireless capacitance sensors | |
EP3018484A1 (en) | Device and method for measuring electrical variables of analog sensors | |
RU2550595C1 (en) | Microcontroller device to measure capacitance and resistance and transfer of measurement result along radio channel | |
RU2756374C1 (en) | Microcontroller capacity measuring device for embedded computing systems | |
RU2453854C1 (en) | Low-energy microcontroller-based measuring transmitter for variable resistance transducer | |
RU2214610C2 (en) | Facility measuring non-electric values with use of capacitor pickups | |
CN106918354A (en) | Sensing system and applicable sensing information determination method | |
RU2818484C1 (en) | Multichannel microcontroller measuring transducer for probes of soil moisture monitoring systems with capacitive sensors |