一種測電容變化用多路DA—AD採集電路的製作方法

2023-11-30 09:30:46 3

本實用新型涉及電容變化電路，具體是一種測電容變化用多路DA—AD採集電路。

背景技術：

在傳感器原理的研究中，對於用測量電極之間電容變化大小來計算電極板之間距離的變化大小的物理原理，其應用於傳感器的場合有很多，具體測電容變化電路也是五花八門、各有特點，普遍存在的問題是電路複雜，且造價較高。

專利號為201310259545X的中國專利公開一種電壓型超級電容檢測電路，該電路是用可控分壓電路檢測由多個超級電容器組並聯組成的超級電容器，具有在線檢測的特點，但該電路一次只能檢測一個電容，不能實現多路電容檢測，且難以實現定量判定。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種測電容變化用多路DA—AD採集電路。該採集電路通過將MCU微控制器與多路復用器連接，能夠同時測量多路電容變化，在實際採集測試中採集頻率穩定且迅速，成本低，具有很好的市場投放價值。

本實用新型解決所述技術問題的技術方案是，提供一種測電容變化用多路DA—AD採集電路，其特徵在於該採集電路包括電源模塊、AD多路通道採集模塊、RS232通信模塊、MCU微控制器、DA多路通道輸出模塊和顯示屏；所述電源模塊為整個採集電路供電；在AD多路通道採集模塊和DA多路通道輸出模塊之間連接待測電容；所述MCU微控制器分別與DA多路通道輸出模塊、RS232通信模塊和AD多路通道採集模塊連接；所述RS232通信模塊的輸出端與顯示屏連接；

所述AD多路通道採集模塊包括n個輸入八通道多路復用器，n為自然數，在n個輸入八通道多路復用器與MCU微控制器的AD埠的n個通道之間分別連接一個二級運算放大器，每個二級運算放大器均由兩個一級運算放大器構成；所述n個輸入八通道多路復用器採取並聯方式連接，且每個輸入八通道多路復用器的每個通道均並聯一個採樣電阻，選擇輸入八通道多路復用器的數位訊號通道，採集採樣電阻的電壓；

所述DA多路通道輸出模塊包括n個輸出八通道多路復用器，在MCU微控制器的DA埠與n個輸出八通道多路復用器之間連接一個一級運算放大器接；所述n個輸出八通道多路復用器採取並聯方式連接，用來選擇數位訊號通路為相應的待測電容輸出正弦電壓。

本實用新型由於採用以上技術方案，具有以下優點和積極效果：

1)本實用新型利用相移電路(RC電路)原理達到了採集電容變化的效果，為傳感器領域中利用電容變化反應其他因素變化的傳感原理作出了貢獻；

2)本實用新型可製作性好，成品易製作且造價低廉，具有良好的經濟性；

3)本實用新型採用多個復用器進行AD多路採集，可以快速採集多達8n路電容變化信號，當有四個復用器時，可快速採集32路電容變化，且採集頻率跨度大，能適應多數場合的採集速率要求。

附圖說明

圖1為本實用新型測電容變化用多路DA—AD採集電路整體結構示意圖；

圖2為本實用新型採集電容變化的等效原理示意圖；

圖中：1、電源模塊；2、AD多路通道採集模塊；3、RS232通信模塊；4、MCU微控制器；5、DA多路通道輸出模塊；6、電容阻抗；7、電容；8、電壓表；9、採樣電阻；10、交流電源；11、顯示屏。

具體實施方式

下面給出本實用新型的具體實施例，具體實施例僅用於進一步詳細說明本實用新型，但不限制本申請權利要求的保護範圍。

本實用新型測電容變化用多路DA—AD採集電路(簡稱採集電路，參見圖1)包括電源模塊1、AD多路通道採集模塊2、RS232通信模塊3、MCU微控制器4、DA多路通道輸出模塊5和顯示屏11；所述電源模塊1為整個採集電路供電；在AD多路通道採集模塊2和DA多路通道輸出模塊5之間連接待測電容；所述MCU微控制器4分別與DA多路通道輸出模塊5、RS232通信模塊3和AD多路通道採集模塊2連接；所述RS232通信模塊3的輸出端與顯示屏11連接；

所述AD多路通道採集模塊2包括n個輸入八通道多路復用器，n為自然數，在n個輸入八通道多路復用器與MCU微控制器的AD埠的n個通道之間分別連接一個二級運算放大器，每個二級運算放大器均由兩個一級運算放大器構成；所述n個輸入八通道多路復用器採取並聯方式連接，且每個輸入八通道多路復用器的每個通道均並聯一個採樣電阻，選擇輸入八通道多路復用器的數位訊號通道，採集採樣電阻的電壓；

所述DA多路通道輸出模塊5包括n個輸出八通道多路復用器，在MCU微控制器的DA埠與n個輸出八通道多路復用器之間連接一個一級運算放大器接；所述n個輸出八通道多路復用器採取並聯方式連接，用來選擇數位訊號通路為相應的待測電容輸出正弦電壓。

本實用新型的進一步特徵在於所述輸出八通道多路復用器和輸入八通道多路復用器的型號均為CD74HC4051，MCU微控制器的型號為STM32F103VET6，一級運算放大器的型號均為MCP6022。

本實用新型的進一步特徵在於所述採樣電阻的阻值為一兆歐。採樣電阻取值的不同對電容兩端電壓響應時間有影響，一兆歐較為理想。

本實用新型的進一步特徵在於所述待測電容電路包括不大於8n個並聯的電容。

本實用新型測電容變化用多路DA—AD採集電路的工作原理和工作流程是：所測電容大小變化引起串聯的採樣電阻兩端的電壓發生變化，通過測得採樣電阻兩端的電壓變化即可反應出所要採集的電容大小的變化(參見圖2)，測量多路電容時先將DA多路通道輸出模塊5連接多路電容，再通過USB連接顯示屏11，打開顯示屏中對應串口，即可顯示採樣電阻兩端的電壓值，電容變化時採樣電阻9上的AD採集值也會相應發生變化。

圖2為採集電容變化的等效原理示意圖，從圖2中可以看出每個電容7上均並聯有一個電容阻抗6，電容阻抗視為無限大；然後再串聯一個採樣電阻9，採樣電阻9兩端並聯電壓表8，即一個輸入八通道多路復用器的一個通道等效為一個電壓表8，DA多路通道輸出模塊5等效為一個交流電源10；待測電容接在DA多路通道輸出模塊5和AD多路通道採集模塊2之間；通過電壓表變化可反應出每路中電容的大小變化；能定量的反映出電容變化的多少。

本實用新型採集電路可以同時採集不大於8n個並聯的電容的變化。所述MCU微控制器通過自身的DA埠發送高頻率正弦電壓，同時打開MCU微控制器的AD埠中的四個通道進行採集、使能對應埠控制DA多路通道輸出模塊5和AD多路通道採集模塊2工作、使能與顯示屏完成通訊的對應埠，依照採集電路燒錄進對應程序；其中所述對應程序由MCU微控制器庫函數提供，程序設置可以依據現有技術完成；

DA多路通道輸出模塊5連接MCU微控制器的DA埠，MCU微控制器的AD埠連接AD多路通道採集模塊2，各通道之間相互對應，形成的32組通路之間接有變化的待測電容。

實施例1

本實施例測電容變化用多路DA—AD採集電路包括電源模塊1、AD多路通道採集模塊2、RS232通信模塊3、MCU微控制器4、DA多路通道輸出模塊5和顯示屏11；所述電源模塊1採用USB連接方式為整個採集電路供電，供電電壓VCC＝5V；在AD多路通道採集模塊2和DA多路通道輸出模塊5之間連接待測電容；所述MCU微控制器4分別與DA多路通道輸出模塊5、RS232通信模塊3和AD多路通道採集模塊2連接；所述RS232通信模塊3的輸出端採取USB轉串口方式與顯示屏11連接，在顯示屏中顯示每路電容變化時對應的採樣電阻兩端電壓變化值；

所述AD多路通道採集模塊2包括四個輸入八通道多路復用器和四個二級運算放大器和32個採樣電阻；在四個輸入八通道多路復用器與MCU微控制器的AD埠的四個通道之間分別連接一個二級運算放大器，每個二級運算放大器均由兩個一級運算放大器構成，所述四個輸入八通道多路復用器採取並聯方式連接，且每個輸入八通道多路復用器的每個通道均並聯一個採樣電阻，選擇輸入八通道多路復用器的數位訊號通道，採集採樣電阻的電壓；

所述DA多路通道輸出模塊5包括四個輸出八通道多路復用器與一個一級運算放大器，一級運算放大器接在MCU微控制器的DA埠與四個輸出八通道多路復用器之間；所述四個輸出八通道多路復用器採取並聯方式連接，用來選擇數位訊號通路為相應的待測電容輸出正弦電壓；

本實施例中輸出八通道多路復用器和輸入八通道多路復用器的型號均為CD74HC4051，MCU微控制器的型號為STM32F103VET6，所涉及的一級運算放大器的型號均為MCP6022；所述RS232通信模塊包括USB轉串口晶片、乙太網控制器和網絡變壓器；USB轉串口晶片的型號為PL2303HX，乙太網控制器的型號為ENC28J60，網絡變壓器的型號為HR911105A。所述待測電容電路有32個並聯的電容；每個採樣電阻的阻值為一兆歐。

下表中數據為實際測試8路電容變化前後，採集的電壓變化的結果，其中AD多路通道採集模塊2的AD採集頻率100HZ，在極限測試中，32路電容全接通，AD採集頻率最高可達300HZ，實時性強。

本實用新型未述及之處適用於現有技術。