CN104917368A - 时间可调电容充电放电控制装置 - Google Patents

Abstract

一种时间可调电容充电放电控制装置，包含七个部分：触发脉冲接收电路、微处理器电路、2路模拟电压输入采集电路、用户交互显示电路、一级放大电路、MOS开关电路，电源以及降压电路；微处理器电路以STM32F407系列ARM微处理器为主，含有触发脉冲信号检测，输入模拟量采集，液晶屏驱动显示，控制信号输出等功能。STM32F407根据输入模拟量信号转换为输入输出信号延时时间和电容充电时间，并且实时显示在LCD屏幕上。用户可根据设置旋钮调整输入模拟信号幅度大小，从而改变输入输出信号延时时间以及电容充电时间。当有触发脉冲输入时，经过三极管和555整形电路后触发微处理器，通过一路输入输出延时比较器和一路充电时间比较器，完成对电容的充电和放电准确控制。

Description

时间可调电容充电放电控制装置

技术领域

本发明涉及一种时间可调电容充电放电控制装置，用于快速变化电阻值测量控制。根据输入触发信号，通过延时后控制外部电路，对电容进行充电和放电控制。时间可调电容充电放电控制装置在几伏到百伏的电压下，尤其是在百伏电压条件下的电容充电和放电，具有较高的可靠性、安全性。该装置对输入输出信号延时时间和电容充电时间长短均可设定，并可通过1v-30v范围内脉冲方波、三角波和锯齿波等信号对其进行触发。在触发条件下，该装置可对0-150v电压范围内的电容进行充电和放电控制。该装置采用高压PMOS控制电路，具有电容充电时间快、独立放电的特点。

背景技术

现代电导率或电阻测量常常采用恒压法或恒流法的方式进行测量。这两种方式主要针对被测对象阻值较为固定，不会瞬时变化，并且环境变化对被测对象阻值影响较小。但是在特殊环境下，例如液体电导率测量，特别是在被测对象受到环境刺激时，其阻抗特性会在瞬间发生剧烈变化，常用的恒压法和恒流法无法满足其高速度响应需求。通过电容与被测对象串联的方式，先对电容进行充电，再进行放电，可满足高速响应的需求。在电容放电过程中，对被测对象进行环境刺激，通过对电容放电曲线进行AD采集，曲线重绘等方式可计算被测对象在变化瞬间的阻值。在实际的测量电路中，电容充电电压值可高达百伏，常规的控制电路主要有机械继电器和固态继电器等，但是这种方式控制响应速度慢，无法达到微秒量级，影响实际测量效果。通过三极管或NMOS串联的控制方式，可以达到很高速率的导通或者是关断。由于三极管或NMOS管输入控制信号端与输出端需要一定电压差才能导通，为了使电容充电电压值等于电源电压，则控制端对地电压值需要接近或超过电源电压。然而，现有的三极管或NMOS管，无法满足上述要求。而采用PMOS管，在控制端设计合理的控制电路就能使控制电压与响应速度均满足要求。

发明内容

为了对被测对象的电阻率或电导率变化进行可靠测量，本发明提供了一种时间可调电容充电放电控制装置。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种时间可调电容充电放电控制装置，包含七个部分：触发脉冲接收电路、微处理器电路、2路模拟电压输入采集电路、用户交互显示电路、一级放大电路、MOS开关电路，电源以及降压电路。微处理器电路以STM32F407系列ARM微处理器为主，含有触发脉冲信号检测，输入模拟量采集，液晶屏驱动显示，输入输出信号延时，充电时间控制功能。STM32F407微处理器将输入模拟量信号转换为输入输出延时信号和充电时间信号，并且实时显示在LCD屏幕上。用户可根据两路设置旋钮调整输入模拟信号幅度大小，从而改变输入输出信号延时时间长短和电容充电时间长短。当有触发脉冲输入时，经过三极管和555整形电路后输出给STM32F407微处理器，该信号的幅度和脉冲宽度均在微处理器能识别的范围内。STM32F407微处理器根据所设置的输入输出延时时间和充电时间控制一级放大电路，从而实现对电容充电和放电控制。

所述触发脉冲接收电路包含三极管Q1和555定时器U1、反相器U2、可变电阻器R1、电阻器R2，R3，R4，R5。其中由Q1，R3，R4，R5构成的三极管电压调节电路，用于调节外部触发电平幅度，避免因电压过高或过低不能触发555定时器。其中555定时器U1输入端2脚、6脚相互连接后与三极管放大电路输出端相连，4脚和8脚接电源正极VCC，1脚接电源公共端，3脚输出端连接反相器U2，5脚连接可变电阻器R1和电阻器R2，可变电阻器另一端连接电源正极VCC，电阻器R2另一端连接电源公共端；反相器U2输出端与二级放大电路输入端相连。

所述信号输出放大电路包含NPN三极管T1、电阻R1、电阻R2以及电容C1、电容C2。其中电阻R1、电阻R2串联和T1基极相连提高放大电路稳定性，发射极与电阻R2并联与地相连接，T1集电极作为信号输出端。

所述MOS管开关电路包含MOS管T2、电阻R1、电阻R2以及电容C1、电容C2。其中电阻R1、电阻R2串联和T2栅极并联保证MOS管V_GS电压为小于MOS管最小导通电压。MOS管源极作为电源电压输入端，漏极作为电源电压输出端，通过NPN三极管放大后的电压信号控制MOS源极与漏极的闭合和导通从而为后续电路充电与放电。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明信号整形电路原理示意图；

图3为本发明信号整形电路输入输出信号波形示意图；

图4为本发明信号输出电路信号放大电路原理示意图；

图5为本发明MOS管控制导通与关断电路原理图；

图6为本发明微处理器对两路延时信号采集并存储流程图；

图7为本发明微处理器对输入信号到输出信号控制流程图。

具体实施方式

附图中，相同部分在不同的视图中采用相同的标号表示，并且所描述的各种元件不必按照比例绘制，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1描述一种时间可调电容充电放电控制装置，包含触发脉冲接收电路、微处理器电路、2路模拟电压输入采集电路、用户交互显示电路、一级放大电路、MOS开关电路，电源以及降压电路等7个模块。其中电源以及降压电路分别需要对以上六个模块进行供电，并且还要为电容提供充电电压。电源以及降压电路包含两部分，一个部分是提供高压充电，另一部分则通过多级降压，将高压电源逐步转换为低压电源，分别供给触发脉冲接收电路、微处理器电路、2路模拟电压输入采集电路、用户交互显示电路。为了有效控制MOS管，高压电源需要供给一级放大电路、MOS开关电路以及高压输出。

图2图3描述了整形电路原理及输入输出信号波形关系示意图，该电路主要由两个部分构成，第一部分是三极管电压调节电路，输入电压经调节后能满足555定时器触发电平，第二部分是由555定时器U1构成的斯密特触发器、反相器U4、可变电阻器R1以及电阻器R2组成。斯密特触发器具有幅度判别和波形变换的功能，通过将输入端信号V₀与内部比较器的参考电压进行对比实现波形转换。555定时器U1内部比较器参考电压由控制电压端5脚控制，通过可变电阻器R1、电阻器R2进行调节。当输入信号大于555定时器5脚上电压的2/3时，555定时器U1输出端3脚输出低电平信号，当信号幅度小于5脚上电压的1/3时，输出高电平信号。所述555定时器构成的斯密特触发器输出波形经反相器U4后获得与输入信号相位相同的方波信号。方波信号在电压幅度和宽度都满足微处理器识别条件，防止出现微处理器对触发信号漏检的情况。

图4描述输出信号输放大电路。为实现微处理器输出低电压信号能够驱动MOS关开关电路，需要对微处理器输出信号放大，当微处理器输出放电信号V₂时，三极管T1导通，输出信号与地导通，实现低压到高压关断到导通的过程。电阻R1和R2作用是提高三极管T2的稳定性，避免MOS出现意外关断或者导通的情况。电容C1和C2为去耦电容，分别给电源中的高低频干扰信号提供回路，降低电源噪声对输出信号的干扰，以确保准确可靠的控制后端负载驱动设备。

图5描述高压MOS管开关电路。由PMOS管所提供的数据手册，其导通电压低于-10v。为了减小MOS管控制端对输出高压的影响，MOS管控制端电压V_GS将由电阻R1和电阻R2对电源电压分压得到。V₃为图4中三极管T1的输出信号，当三极管T1通时，V₃处电压为零伏，通过电阻R1和电阻R2后，MOS管控制端电压V_GS电压小于-10v，此时MOS管导通，高压输出。当三极管T1截止时，V₃处电压为电源电压，电阻R1和电阻R2不参与分压，MOS管控制端电压V_GS电压为0v，此时MOS管截止，输出端为高阻状态。

图6为微处理器对两路延时信号采集并存储流程，在上电初始阶段微处理器对各端口进行初始化，并且设置好内部定时器。时间可调电容充电放电控制装置具有对信号输入输出延时和电容充电长短控制的功能。该功能的实现是基于外部两个设置旋钮调整设置信号的模拟电压幅度大小。微处理器初始化后，首先读取输入输出延时时间模拟设置信号，每轮需要连续十次读取输入输出延时时间模拟设置信号，然后求其平均值。这样既可避免噪声带来的误差，又可防止在设置好延时时间后，LCD屏幕上出现显示抖动。在读取输入输出延时时间模拟设置信号后，微处理器读取充电时间设置模拟信号，方式与输入输出延时时间模拟设置信号相同。当每轮读取完两路模拟设置信号后，微处理器将两路模拟控制信号值存入比较器中，如果有触发信号输入，则进入延时过程，如没有触发信号输入则进行下一轮模拟控制信号读取。当在某一轮模拟控制信号读取时，微处理器接收到了触发信号，此时按照上一轮读入的模拟控制信号为准。

图7是微处理器对输入信号到输出信号的控制流程。当微处理器读取到两路模拟控制信号后，会将模拟控制信号转化为时间信号并放入比较器等待触发。当有外部触发电平触发微处理器时，内部定时器启动，产生计数信号。计数器每产生一个计数信号，输入输出延时比较器比较一次。当内部定时器所产生的数值与输入输出延时比较器所设值相同时，输入输出延时比较器输出信号触发充电时间比较器，此时PMOS管导通并且内部定时器清零。与此同时，充电时间比较器开始工作，外部高压电容进行充电。当计数器值达到充电时间比较器所设值时，输出触发信号关闭PMOS管，单次充电完成，并开始放电。

Claims (6)

1.一种时间可调电容充电放电控制装置，其特征在于包含七个部分：触发脉冲接收电路、微处理器电路、两路模拟电压输入采集电路、用户交互显示电路、一级放大电路、MOS开关电路，电源以及降压电路；微处理器电路以STM32F407系列ARM微处理器为主，含有触发脉冲信号检测，输入模拟量采集，液晶屏驱动显示，控制信号输出等功能。STM32F407根据输入模拟量信号转换为输入输出延时信号和充电时间信号，并且实时显示在LCD屏幕上，用户可根据设置旋钮调整输入模拟信号幅度大小，从而改变输入输出信号延时时间以及电容充电时间。当有触发脉冲输入时，经过三极管和555整形电路后，STM32F407微处理器根据所设置的延时和充电时间控制一级放大电路工作时间，从而实现对电容充电和放电控制。

2.根据权利要求1所述，时间可调电容充电放电控制装置，其特征在于包含触发脉冲接收电路，将输入的触发脉冲信号进行幅度和宽度调整，转换为微处理器可识别触发脉冲信号，驱动微处理器延时比较器和充电比较器。

3.根据权利要求1所述，时间可调电容充电放电控制装置，其特征在于包含2路模拟电压输入采集电路。两路独立的电位器产生电压幅度不同的模拟电压，通过STM32F407微处理器ADC采样模块，将模拟量转换为数字量，从而达到用户设置所需输入输出延时时间和电容充电时间的目的。

4.根据权利要求1所述，时间可调电容充电放电控制装置，其特征在于用户交互显示电路，交互显示电路主要由12864液晶屏构成，通过微处理器驱动液晶屏实时显示当前所设置的输入输出延时时间和电容充电时间。

5.根据权利要求1所述，时间可调电容充电放电控制装置，其特征在于所述一级放大电路由NPN三极管构成，将微处理器输出3.3v驱动信号放大至电源电压信号，驱动后端MOS管开关电路，从而控制电容充电和放电。

6.根据权利要求1所述，时间可调电容充电放电控制装置，其特征在于所述MOS管开关电路由高压PMOS管构成。通过前一级放大电路控制PMOS管V_GS电压值，从而实现PMOS管D极和S极导通和关闭两种状态，达到电容充电和放电目的。