Vesivirtausmittarin luominen: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Tarkka, pieni ja edullinen nesteen virtausmittari voidaan helposti valmistaa GreenPAK ™ -komponenteilla. Tässä ohjeessa esittelemme vesivirtausmittarin, joka mittaa jatkuvasti veden virtausta ja näyttää sen kolmessa 7-segmenttisessä näytössä. Virtausanturin mittausalue on 1-30 litraa minuutissa. Anturin lähtö on digitaalinen PWM -signaali, jonka taajuus on verrannollinen veden virtausnopeuteen.

Kolme GreenPAK-ohjelmoitavaa sekoitussignaalimatriisia SLG46533 -piiri laskee pulssien lukumäärän perusajan T sisällä. Tämä perusaika lasketaan siten, että pulssien määrä on yhtä suuri kuin kyseisen ajanjakson virtausnopeus, ja tämä laskettu luku näytetään -segmenttinäytöt. Resoluutio on 0,1 litraa/min.

Anturin lähtö on kytketty digitaaliseen tuloon, jossa on Schmitt-liipaisin ensimmäisessä sekoitussignaalimatriisissa, joka laskee murtoluvun. Sirut kaskadataan yhteen digitaalisen lähdön kautta, joka on yhdistetty etenevän sekoitussignaalimatriisin digitaalituloon. Jokainen laite on kytketty 7 -segmenttiseen yhteiseen katodinäyttöön 7 lähdön kautta.

Ohjelmoitavan GreenPAK-sekoitussignaalimatriisin käyttäminen on parempi kuin monet muut ratkaisut, kuten mikro-ohjaimet ja erilliset komponentit. Mikro -ohjaimeen verrattuna GreenPAK on halvempi, pienempi ja helpompi ohjelmoida. Verrattuna erillisiin logiikkapiireihin, se on myös halvempi, helpompi rakentaa ja pienempi.

Jotta tämä ratkaisu olisi kaupallisesti kannattava, järjestelmän on oltava mahdollisimman pieni ja sen on oltava vedenpitävän, kovan kotelon sisällä, jotta se kestää vettä, pölyä, höyryä ja muita tekijöitä, jotta se voi toimia eri olosuhteissa.

Suunnittelun testaamiseksi rakennettiin yksinkertainen piirilevy. GreenPAK -laitteet on kytketty tähän piirilevyyn 20 -nastaisilla kaksirivisillä naarasliittimillä.

Testit suoritetaan ensimmäistä kertaa käyttäen Arduinon tuottamia pulsseja, ja toisella kerralla mitattiin kotivesilähteen veden virtausnopeus. Järjestelmä on osoittanut 99%: n tarkkuuden.

Tutustu kaikkiin tarvittaviin vaiheisiin ymmärtääksesi, miten GreenPAK -siru on ohjelmoitu ohjaamaan vesivirtausmittaria. Jos haluat vain saada ohjelmoinnin tuloksen, lataa GreenPAK -ohjelmisto nähdäksesi jo valmistuneen GreenPAK -suunnittelutiedoston. Liitä GreenPAK Development Kit tietokoneeseesi ja paina ohjelmaa luodaksesi mukautetun IC: n, joka ohjaa vesivirtausmittaria. Noudata alla kuvattuja vaiheita, jos olet kiinnostunut ymmärtämään piirin toimintaa.

Vaihe 1: Järjestelmän yleiskuvaus

Yksi yleisimmistä tavoista mitata nesteen virtausnopeutta on täsmälleen sama kuin periaate tuulen nopeuden mittaamiseksi tuulimittarilla: tuulen nopeus on verrannollinen tuulimittarin pyörimisnopeuteen. Suurin osa tämän tyyppisestä virtausanturista on eräänlainen hammaspyörä, jonka nopeus on verrannollinen sen läpi kulkevan nesteen virtausnopeuteen.

Käytimme kuviossa 1 esitetyn URUK-yrityksen vesivirtausanturia YF-S201. Tässä anturissa tappipyörään asennettu Hall Effect -anturi antaa pulssin joka kierroksella. Lähtösignaalin taajuus esitetään kaavassa 1, jossa Q on veden virtausnopeus litroina minuutissa.

Esimerkiksi jos mitattu virtausnopeus on 1 litra/minuutti, lähtösignaalin taajuus on 7,5 Hz. Voidaksemme näyttää virtauksen todellisen arvon muodossa 1,0 litraa/minuutti, meidän on laskettava pulssit 1,333 sekunnin ajan. Esimerkissä 1,0 litraa/minuutti laskettu tulos on 10, joka näytetään 01.0 seitsemän segmentin näytöissä. Tässä sovelluksessa käsitellään kahta tehtävää: ensimmäinen on pulssien laskeminen ja toinen näyttää numeron, kun laskentatehtävä on valmis. Jokainen tehtävä kestää 1,333 sekuntia.

Vaihe 2: GreenPAK -suunnittelijan käyttöönotto

SLG46533: ssa on monia monipuolisia yhdistelmätoiminnallisia makrosoluja, ja ne voidaan määrittää hakutaulukoiksi, laskureiksi tai D-varvastossuiksi. Tämä modulaarisuus tekee GreenPAKista sopivan sovellukseen.

Ohjelmassa on kolme vaihetta: vaihe (1) tuottaa jaksollisen digitaalisen signaalin järjestelmän kahden tehtävän välillä, vaihe (2) laskee virtausanturipulssit ja vaihe (3) näyttää murto -osan.

Vaihe 3: Ensimmäinen vaihe: Vaihtamisen laskeminen/näyttäminen

Tarvitaan digitaalinen lähtö "COUNT/DISP-OUT", joka vaihtaa tilan korkean ja matalan välillä 1,333 sekunnin välein. Kun järjestelmä on korkealla, se laskee pulssit ja matalalla näyttää lasketun tuloksen. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä DFF0-, CNT1- ja OSC0 -johtoja, kuten kuvassa 2 on esitetty.

OSC0: n taajuus on 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 on määritetty laskuriksi ja sen kellotulo on kytketty CLK/4: een siten, että CNT1: n tulokellotaajuus on 6,25 kHz. Ensimmäisellä yhtälön 1 mukaisella kellojaksolla CNT1 -lähtö on suuri ja seuraavan kellon signaalin nousevasta reunasta laskurin lähtö on alhainen ja CNT1 alkaa laskea 8332. Kun CNT1 -data saavuttaa 0, uusi pulssi CNT1 -ulostulossa on syntynyt. Jokaisella CNT1 -lähdön nousevalla reunalla DFF0 -lähtö muuttaa tilaa, jos matala, se vaihtaa korkeaan ja päinvastoin.

DFF0: n lähtönapaisuus on määritettävä käänteiseksi. CNT1 on asetettu arvoon 8332, koska laskenta-/näyttöaika T on yhtälö 2.

Vaihe 4: Toinen vaihe: Syöttöpulssien laskeminen

4-bittinen laskuri luodaan käyttämällä DFF3/4/5/6, kuten kuvassa 4. Tämä laskuri kasvaa jokaisella pulssilla vain, kun “COUNT/DISP-IN”, joka on PIN 9, on korkea. AND-portin 2-L2 tulot ovat "COUNT/DISP-IN" ja PWM-tulo. Laskuri nollautuu, kun se saavuttaa 10 tai kun laskentavaihe alkaa. 4-bittinen laskuri nollataan, kun samaan RESET-verkkoon yhdistetyt DFF-RESET-nastat ovat vähissä.

4-bittistä LUT2: ta käytetään laskurin nollaamiseen, kun se saavuttaa 10. Koska DFF-lähdöt on käännetty, numerot määritetään kääntämällä niiden binääriesitysten kaikki bitit: vaihtamalla 0s 1s ja päinvastoin. Tätä esitystä kutsutaan binääriluvun 1 komplementiksi. 4-bittiset LUT2-tulot IN0, IN1, IN2 ja IN3 on liitetty a0, a1, a2, a3 ja a3 vastaavasti. Totuustaulukko 4-LUT2: lle on esitetty taulukossa 1.

Kun 10 pulssia on rekisteröity, 4-LUT0: n lähtö siirtyy korkeasta matalaan. Tässä vaiheessa CNT6/DLY6: n lähtö, joka on konfiguroitu toimimaan yhdessä kuvaustilassa, kytkeytyy matalalle 90 n sekunnin ajaksi ja kytkeytyy sitten uudelleen päälle. Samoin, kun "COUNT/DISP-IN" vaihtuu matalasta korkeaan, eli. järjestelmä alkaa laskea pulsseja. CNT5/DLY5: n lähtö, joka on määritetty toimimaan yhdessä kuvaustilassa, kytkeytyy liian alhaiseksi 90 n sekunnin ajaksi ja kytkeytyy sitten uudelleen päälle. On erittäin tärkeää pitää RESET -painike alhaisella tasolla jonkin aikaa ja kytkeä se uudelleen päälle käyttämällä CNT5- ja CNT6 -järjestelmiä, jotta kaikkien DFF -laitteiden nollaus kestää. 90 ns: n viiveellä ei ole vaikutusta järjestelmän tarkkuuteen, koska PWM -signaalin maksimitaajuus on 225 Hz. CNT5- ja CNT6 -lähdöt on kytketty AND -portin tuloihin, jotka antavat RESET -signaalin.

4-LUT2: n lähtö on myös kytketty nastaan 4, merkitty "F/10-OUT", joka liitetään seuraavan sirun laskentavaiheen PWM-tuloon. Jos esimerkiksi murtolukulaskimen "PWM-IN" on kytketty anturin PWM-lähtöön ja sen "F/10-OUT" on kytketty yksikkölaskentalaitteen ja "PWM-IN" Jälkimmäisen F/10-OUT "on kytketty kymmenien laskentalaitteiden" PWM-IN "-järjestelmään ja niin edelleen. "COUNT/DISP-IN" kaikista näistä vaiheista on kytkettävä samaan "COUNT/DISP-OUT" mihin tahansa kolmesta osittaisen laskentalaitteen laitteesta.

Kuvassa 5 selitetään yksityiskohtaisesti, miten tämä vaihe toimii, näyttämällä kuinka mitataan virtausnopeus 1,5 litraa minuutissa.

Vaihe 5: Kolmas vaihe: mitatun arvon näyttäminen

Tässä vaiheessa on tulot: a0, a1, a2 ja a3 (käänteinen), ja se tulee ulos 7-segmenttinäyttöön liitettyihin nastoihin. Jokaisella segmentillä on looginen tehtävä käytettävissä olevien LUT: ien avulla. 4-bittiset LUT: t voivat tehdä työn erittäin helposti, mutta valitettavasti vain 1 on käytettävissä. 4-bittistä LUT0: ta käytetään segmentissä G, mutta muissa segmenteissä käytimme paria 3-bittisiä LUT: ita, kuten kuvassa 6. Vasemmanpuoleisimpien 3-bittisten LUT-laitteiden tuloihin on liitetty a2/a1/a0, kun taas oikeanpuoleisin 3-bittisissä LUT-laitteissa on a3-tulo.

Kaikki hakutaulukot voidaan päätellä taulukossa 2 esitetystä 7-segmenttisestä dekooderin totuustaulukosta. Ne on esitetty taulukossa 3, taulukko 4, taulukko 5, taulukko 6, taulukko 7, taulukko 8, taulukko 9.

GPIO-ohjainten nastat, jotka ohjaavat 7-segmenttistä näyttöä, on kytketty "COUNT/DISP-IN" -laitteeseen invertterin kautta lähtöinä, kun "COUNT/DISP-IN" on alhainen, mikä tarkoittaa, että näyttöä muutetaan vain näyttötehtävän aikana. Siksi laskentatehtävän aikana näytöt ovat POIS PÄÄLTÄ ja tehtävän näyttämisen aikana ne näyttävät lasketut pulssit.

Desimaalipilkun ilmaisin saattaa olla tarpeen jossain 7-segmentin näytön sisällä. Tästä syystä PIN5-merkintä "DP-OUT" on kytketty käänteiseen "COUNT/DISP" -verkkoon ja liitämme sen vastaavan näytön DP: hen. Sovelluksessamme meidän on näytettävä yksiköiden laskentalaitteen desimaalipilvi näyttääksesi luvut muodossa "xx.x", sitten liitämme yksikkölaskentalaitteen "DP-OUT" yksikön 7- segmenttinäyttö ja jätämme muut yhdistämättä.

Vaihe 6: Laitteiston käyttöönotto

Kuvassa 7 esitetään kolmen GreenPAK -sirun ja kunkin sirun yhteydet vastaavaan näyttöön. GreenPAK: in desimaalilähtö on liitetty 7-segmenttinäytön DP-tuloon, jotta se näyttää virtausnopeuden oikeassa muodossa, jonka tarkkuus on 0,1 litraa / minuutti. LSB -sirun PWM -tulo on kytketty vesivirta -anturin PWM -lähtöön. Piirien F/10 -lähdöt on kytketty seuraavan sirun PWM -tuloihin. Antureille, joiden virtausnopeus ja/tai tarkkuus on suurempi, voidaan lisää siruja kaskadoida lisäämään numeroita.

Vaihe 7: Tulokset

Järjestelmän testaamiseksi rakensimme yksinkertaisen piirilevyn, jossa on liittimet GreenPAK-pistorasioiden liittämiseksi 20-nastaisilla kaksirivisillä naarasliittimillä. Tämän piirilevyn kaavio ja asettelu sekä valokuvat on esitetty liitteessä.

Järjestelmää testattiin ensin Arduino -laitteella, joka simuloi virtausanturia ja vesilähdettä, jolla on vakio, tunnettu virtausnopeus generoimalla pulsseja 225 Hz: llä, joka vastaa 30 litraa minuutissa. Mittaustulos oli 29,7 litraa/minuutti, virhe noin 1 %.

Toinen testi tehtiin veden virtausanturilla ja kodin vesilähteellä. Mittaus eri virtausnopeuksilla oli 4,5 ja 12,4.

Johtopäätös

Tämä opas osoittaa, kuinka rakentaa pieni, edullinen ja tarkka virtausmittari Dialog SLG46533: n avulla. GreenPAKin ansiosta tämä malli on pienempi, yksinkertaisempi ja helpompi luoda kuin vastaavat ratkaisut.

Järjestelmämme voi mitata virtausnopeuden jopa 30 litraa minuutissa 0,1 litran resoluutiolla, mutta voimme käyttää enemmän GreenPAK -mittareita suuremman virtausnopeuden mittaamiseen suuremmalla tarkkuudella virtausanturista riippuen. Dialog GreenPAK -pohjainen järjestelmä voi toimia monenlaisten turbiinivirtausmittarien kanssa.

Ehdotettu ratkaisu on suunniteltu mittaamaan veden virtausnopeutta, mutta sitä voidaan mukauttaa käytettäväksi minkä tahansa anturin kanssa, joka lähettää PWM -signaalin, kuten kaasun virtausanturin.