Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

Известно устройство для измерения неэлектрических величин емкостными датчиками, содержащее первый и второй генераторы, микроконтроллер и цифровой индикатор, во времязадающие цепи генераторов включены емкостные и резистивные элементы, один из дискретных выводов микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру. На выходе устройства формируется код, который зависит от изменения емкости и/или сопротивления времязадающих цепей генераторов (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная погрешностью, вносимой генераторами, параметры которых зависят от внешних факторов, например температуры.

Известно устройство - мостовая схема (мост Уитстона) для измерения сопротивления резистивных датчиков, содержащая два резистивных делителя, крайние выводы которых подключены к источнику питания, между средними выводами резистивных делителей включен измерительный прибор (см. Яковлев В. Структура измерительной системы на базе пассивных датчиков / В.Яковлев // Современные технологии автоматизации. - 2002, №1).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная нелинейностью характеристики преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивного датчика, содержащий микроконтроллер, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора (АК) микроконтроллера, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу АК микроконтроллера, второй вывод первого резистора подключен к выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ) микроконтроллера, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к минусовой клемме источника питания, первый вывод третьего резистора подключен к плюсовой клемме источника питания (см. пат. РФ №2449299, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная нелинейностью характеристики преобразования.

Раскрытие изобретения

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

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста, содержащий микроконтроллер, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первые выводы первого и второго резисторов подключены к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу АК микроконтроллера, введен пятый резистор, причем первый вывод пятого резистора подключен к входу RC-фильтра, второй вывод пятого резистора подключен к выходу ШИМ микроконтроллера, вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов подключены, соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера, в качестве второго резистора включен резистивный датчик.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя с уравновешиванием резистивного моста.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста содержит (см. чертеж) первый резистор 1, второй резистор 2 (он же резистивный датчик), третий резистор 3, четвертый резистор 4, пятый резистор, RC-фильтр 6 и микроконтроллер 7. Резисторы 1, 2 и 5 первыми выводами подключены к входу RC-фильтра 6, выход которого подключен к первому входу АК (АК не показан) микроконтроллера 7, второй вывод резистора 5 подключен к выходу ШИМ (ШИМ не показан) микроконтроллера 7, первые выводы резисторов 3 и 4 подключены ко второму входу АК микроконтроллера 7, вторые выводы резисторов 1, 2, 3, и 4 подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера 7.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста работает следующим образом.

Выход ШИМ микроконтроллера 7 представляет собой ключ, построенный на полевых транзисторах. С помощью этого ключа ШИМ микроконтроллера 7 подключает второй вывод резистора 5 к внутренним, или к плюсовой клемме, или к минусовой клемме питания микроконтроллера 7. Таким образом, резистор 5 периодически подключается параллельно или к резистору 1, или к резистору 2. Среднее значение сопротивления параллельно включенных резисторов 1 и 5, а также резисторов 2 и 5 изменяется в зависимости от коэффициента заполнения G ШИМ, что позволяет программным способом уравновешивать мост, состоящий из резисторов 1, 2, 3 и 4 и таким образом повысить точность микроконтроллерного измерительного преобразователя.

К инвертирующему входу АК микроконтроллера 7 приложено опорное напряжение U_r, снимаемое с резистивного делителя 3, 4. К неинвертирующему входу АК микроконтроллера 7 приложено напряжение, формируемое на выходе RC-фильтра 6, среднее значение которого определяется: U_М=(U_H-U_L)·G+U_L, где U_H и U_L - напряжения, соответственно, высокого и низкого уровней на входе RC-фильтра. Напряжение U_H будет сформировано, когда резистор 5 будет подключен к плюсовой клемме питания микроконтроллера, напряжение U_L будет сформировано, когда резистор 5 будет подключен к минусовой клемме питания микроконтроллера 7; G=t_H/T_M - коэффициент заполнения ШИМ-сигнала; Т_M=t_H+t_L - период ШИМ-сигнала; t_H и t_L - соответственно, длительности высокого и низкого логических уровней ШИМ-сигнала.

Микроконтроллер 7 непрерывно следит за напряжением U_M. Если это напряжение станет меньше опорного напряжения U_r, то на выходе АК формируется логический ноль, по этому событию микроконтроллер 7 увеличивает на единицу коэффициент заполнения G и проверяет выход АК. Как только напряжение U_M станет больше опорного напряжения U_r микроконтроллер 7 уменьшает коэффициент заполнения G. Таким образом, коэффициент заполнения G зависит от напряжения U_M, формируемого на выходе RC-фильтра 6, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления резистивного датчика 2, так как сопротивления резисторов 1, 3, 4 и 5 - величины постоянные, т.е. являются образцовыми. Результат преобразования - двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения G, а следовательно, и сопротивлению резистора 2, формируется в регистре сравнения встроенным в микроконтроллер 7 таймером/счетчиком, работающим в режиме ШИМ.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество: повышена точность преобразования методом программно-управляемого уравновешивания резистивного моста.

1. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста, содержащий микроконтроллер, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первые выводы первого и второго резисторов подключены к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, отличающийся тем, что в него введен пятый резистор, причем первый вывод пятого резистора подключен к входу RC-фильтра, второй вывод пятого резистора подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера.

2. Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивного датчика с уравновешиванием моста по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго резистора включен резистивный датчик.