Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, емкости и напряжения, и может быть использовано для измерения физических величин с использованием резистивных и емкостных датчиков, а также датчиков, выходным сигналом которых является напряжение.

Уровень техники

Известно устройство микроконтроллерное для измерения емкости и сопротивления, содержащее микроконтроллер (МК), емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, резисторы образцового и измеряемого сопротивления, первый, второй и третий резисторы и цифровой индикатор, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, цифровой индикатор подключен к МК, первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к первому входу аналогового компаратора МК, вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к плюсовому и минусовому выводам питания МК, второй вывод третьего резистора подключен к первому выходу МК, первые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивления подключены ко второму входу аналогового компаратора МК, вторые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивлений подключены соответственно ко второму и третьему выходам МК, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к четвертому и пятому выходам МК (см. пат. РФ №2392629, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная влиянием изменения емкости под действием температуры на результат измерения активного сопротивления.

Известно устройство - микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код, содержащий МК, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, образцовый резистор, резистивный делитель напряжения и резистор измеряемого сопротивления, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, первые выводы резисторов делителя напряжения подключены к первому входу аналогового компаратора МК, а вторые выводы подключены соответственно к выводам питания МК, первые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора МК, вторые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам МК, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к третьему и четвертому выходам МК (см. пат. РФ №2391677, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая чувствительность преобразователя, обусловленная организацией измерения относительно малого интервала времени, в течение которого осуществляется только один цикл переходного процесса в RC-цепи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип, является микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением, содержащий МК, генератор, управляемый напряжением, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам МК, генератор, управляемый напряжением, причем первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены соответственно к третьему и четвертому выходам МК, вторые выводы всех резисторов подключены к входу управления напряжением генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования генератора (см. пат. РФ №2502076, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразователя, обусловленная тем, что преобразования образцового и измеряемого сопротивления в двоичный код производятся в разные интервалы времени, в течение которых электромагнитные помехи могут оказывать различное действие на образцовую и измерительную цепи.

Раскрытие изобретения

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

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код, содержащий МК, управляемый напряжением первый генератор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы всех резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам МК, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК первого двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением первого генератора, введен управляемый напряжением второй генератор, причем вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК второго двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением второго генератора. Управляемые напряжением первый и второй генераторы снабжены времязадающими RC-цепями, причем в качестве одного из емкостных элементов времязадающей RC-цепи одного из генераторов может быть включен в качестве измеряемой емкости емкостный датчик.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код содержит (фиг.) первый резистор 1 (R₁), второй резистор 2 (R₂), третий резистор 3 (R₃), четвертый резистор 4 (R₄), управляемые напряжением и снабженные входами разрешения генерирования генераторы 5 и 6, и МК 7. В качестве генераторов 5 и 6 используются RC-генераторы, построенные, например, на базе микросхем NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1), NE556 - два NE555 выполнены на одном полупроводниковом кристалле.

Первые выводы резисторов 1, 2, 3 и 4 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам МК 7, вторые выводы резисторов 1 и 2 подключены к входу управления напряжением генератора 5, вторые выводы резисторов 3 и 4 подключены к входу управления напряжением генератора 6, выходы генераторов 5 и 6 подключены к счетным входам встроенных в МК 7 соответственно первого и второго двоичных счетчиков (на фиг. двоичные счетчики не показаны), пятый выход МК 7 подключен к входам разрешения генерирования генераторов 5 и 6.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код работает следующим образом.

Резисторы 1, 2 и 3 являются образцовыми, причем R₁=R₂, резистор 4 - датчик, например термосопротивление. МК 7 выводит на пятый выход логический уровень, запрещающий генерирование, т.е. останавливает генераторы 5 и 6 и очищает двоичные счетчики. На первый и третий выходы МК 7 выводит логические «1», а на второй и четвертый выходы выводит логические «0» и запускает генераторы 5 и 6 путем вывода на пятый выход соответствующего логического уровня. Генераторы 5 и 6 начинают генерировать прямоугольные импульсы. Генератор 5 генерирует прямоугольные импульсы с образцовым периодом T_O. Значение T_O зависит от образцового напряжения U_O на управляющем напряжением входе генератора 5. Напряжение U_O в свою очередь зависит от соотношения сопротивлений образцовых резисторов 1 и 2 и определяется выражением

U O = U H ⋅ R 2 / ( R 1 + R 2 ) ,                         (1)

где U_H - напряжение высокого уровня, незначительно меньше (на 0,02 В) напряжения источника питания МК 7. МК 7 измеряет образцовый интервал времени, определяемый выражением: t_O=N_O·T_O, где N_O - количество образцовых периодов, подсчитываемых первым двоичным счетчиком МК 7. Количество N_O задается программным способом. Интервал времени t_O (временные ворота) заполняется счетными импульсами от внутреннего тактового генератора МК 7. МК 7 сохраняет значение образцового интервала времени t_O в памяти.

Генератор 6 генерирует прямоугольные импульсы с текущим периодом T_X. Значение T_X зависит от напряжения U_X на управляющем напряжением входе генератора 6. Напряжение U_O в свою очередь зависит от соотношения сопротивлений образцового резистора 3 и измеряемого 4 и определяется выражением:

U X = U H ⋅ R 4 / ( R 3 + R 4 ) ,                     (2)

МК 7 измеряет текущий интервал времени, определяемый выражением: t_X=N_O·T_X, и сохраняет значение текущего интервала времени t_X в памяти.

Затем МК 6 определяет разность временных интервалов в соответствии с выражением Δt=t_X-t_O. Значение Δt зависит от значения разности напряжений, определяемого выражением ΔU=U_X-U_O. Так как в выражение (2) входит сопротивление R₄, которое является сопротивлением датчика и образцовое сопротивление R₃, а в выражение (1) входят образцовые сопротивления R₁ и R₂, значения которых известны, то Δt является функцией изменения R₄. МК 7 преобразует Δt в двоичный код и сохраняет в оперативной памяти для дальнейшего использования.

При измерении напряжения МК 7 работает следующим образом. Измеряемое напряжение подается на вход управления напряжением генератора 6. МК 7 переводит третий и четвертый выходы в высокоомное состояние. Состояние первого и второго выходов МК 7 не меняет. Затем МК 7 повторяет цикл, описанный при измерении сопротивления резистора 4, и определяет разницу между измеряемым напряжением и образцовым, а также знак изменения измеряемого напряжения относительно образцового.

Если требуется использовать внешнее образцовое напряжение, то выход источника внешнего образцового напряжения должен быть подключен к входу управления напряжением генератора 5, при этом МК 7 переводит первый и второй выходы в высокоомное состояние и повторяет ранее описанный цикл измерения сопротивления резистора 4.

Если необходимо измерять емкость, например, емкостного датчика, то этот датчик включается в качестве емкостного элемента во времязадающую RC-цепь одного из управляемых напряжением генераторов (на фиг. времязадающие RC-цепи не показаны). Второй управляемый напряжением генератор содержит во времязадающей RC-цепи образцовую емкость. Все резисторы в лучшем случае должны быть образцовыми и равны между собой, т.е. R₁=R₂=R₃=R₄. МК 7 выполняет цикл преобразования по ранее описанному алгоритму измерения сопротивления резистора 4, определяет разность частот генераторов 5 и 6 и по известным выражениям определяет приращение емкости, емкостного датчика.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями обладает повышенной точностью, в результате использования двух генераторов, выполненных на одном полупроводниковом кристалле, что позволяет избавиться от влияния внешних факторов, например температуры, электромагнитных помех, нестабильности напряжения питания, процессов старения.

1. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код, содержащий микроконтроллер, управляемый напряжением первый генератор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы всех резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, выход которого подключен к счетному входу встроенного в микроконтроллер первого двоичного счетчика, пятый выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением первого генератора, отличающийся тем, что в него введен управляемый напряжением второй генератор, причем вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выход которого подключен к счетному входу встроенного в микроконтроллер второго двоичного счетчика, пятый выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением второго генератора.

2. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код по п. 1, отличающийся тем, что управляемые напряжением первый и второй генераторы снабжены времязадающими RC-цепями, причем в качестве одного из емкостных элементов времязадающей RC-цепи одного из генераторов может быть включен в качестве измеряемой емкости емкостный датчик.