Ako vytvoriť merač prietoku vody: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Presný, malý a lacný prietokomer kvapalín je možné ľahko vyrobiť pomocou komponentov GreenPAK ™. V tomto návode uvádzame vodomer, ktorý nepretržite meria prietok vody a zobrazuje ho na troch 7-segmentových displejoch. Rozsah merania prietokomera je od 1 do 30 litrov za minútu. Výstupom senzora je digitálny signál PWM s frekvenciou úmernou prietoku vody.

Tri programovateľné integrované obvody Matrix SLG46533 so zmiešaným signálom GreenPAK počítajú počet impulzov v rámci základného času T. Tento základný čas je vypočítaný tak, že počet impulzov sa rovná prietoku v danom období, potom sa toto vypočítané číslo zobrazí na 7. -segmentové displeje. Rozlíšenie je 0,1 litra/min.

Výstup senzora je prepojený s digitálnym vstupom pomocou Schmittovho spúšťača prvej matice zmiešaného signálu, ktorý počíta zlomkové číslo. Čipy sú kaskádované dohromady prostredníctvom digitálneho výstupu, ktorý je pripojený k digitálnemu vstupu postupujúcej matice zmiešaného signálu. Každé zariadenie je pripojené k 7 -segmentovému spoločnému katódovému displeju prostredníctvom 7 výstupov.

Použitie programovateľnej matice zmiešaných signálov GreenPAK je výhodnejšie ako mnoho ďalších riešení, ako sú mikrokontroléry a diskrétne komponenty. V porovnaní s mikrokontrolérom je GreenPAK lacnejší, menší a programovateľnejší. V porovnaní s dizajnom integrovaných obvodov s diskrétnou logikou sú tiež nižšie náklady, jednoduchšie zostavenie a menšie.

Aby bolo toto riešenie komerčne životaschopné, musí byť systém čo najmenší a uzavretý vo vodotesnom, tvrdom kryte, aby bol odolný voči vode, prachu, pare a ďalším faktorom, aby mohol fungovať v rôznych podmienkach.

Na testovanie dizajnu bola postavená jednoduchá doska plošných spojov. Zariadenia GreenPAK sú na túto dosku zapojené pomocou 20 -kolíkových dvojradových konektorov konektorov.

Testy sa prvýkrát vykonávajú pomocou impulzov generovaných Arduinom a druhýkrát sa meral prietok vody domáceho zdroja vody. Systém ukázal presnosť 99%.

Zoznámte sa so všetkými potrebnými krokmi a pochopte, ako bol čip GreenPAK naprogramovaný na ovládanie prietokomera. Ak však chcete získať iba výsledok programovania, stiahnite si softvér GreenPAK a zobrazte už dokončený súbor návrhu GreenPAK. Pripojte vývojovú súpravu GreenPAK k počítaču a spustite program, aby ste vytvorili vlastný integrovaný obvod na ovládanie prietokomera. Ak máte záujem porozumieť fungovaniu obvodu, postupujte podľa nižšie uvedených krokov.

Krok 1: Celkový popis systému

Jeden z najbežnejších spôsobov merania prietoku kvapaliny je presne taký, ako princíp merania rýchlosti vetra anemometrom: rýchlosť vetra je úmerná rýchlosti otáčania anemometra. Hlavnou súčasťou tohto typu prietokomera je druh veterníka, ktorého rýchlosť je úmerná prietoku kvapaliny, ktorý ním prechádza.

Použili sme snímač prietoku vody YF-S201 od firmy URUK zobrazený na obrázku 1. V tomto senzore vysiela snímač Hallovho efektu namontovaný na veterníku pulz pri každej otáčke. Frekvencia výstupného signálu je uvedená vo vzorci 1, kde Q je prietok vody v litroch/minútu.

Napríklad, ak je nameraný prietok 1 liter/minútu, výstupná frekvencia signálu je 7,5 Hz. Aby sa zobrazila skutočná hodnota prietoku vo formáte 1,0 litra/minútu, musíme počítať impulzy po dobu 1,333 sekundy. V prípade 1,0 litra/minútu bude spočítaný výsledok 10, ktorý sa zobrazí ako 01.0 na sedemsegmentových displejoch. V tejto aplikácii sú riešené dve úlohy: prvá je počítanie impulzov a druhá zobrazuje číslo, keď je úloha počítania dokončená. Každá úloha trvá 1,333 sekundy.

Krok 2: Implementácia programu GreenPAK Designer

SLG46533 má mnoho univerzálnych kombinovaných funkčných makrobuniek a môžu byť nakonfigurované ako vyhľadávacie tabuľky, počítadlá alebo D-žabky. Vďaka tejto modularite je GreenPAK vhodný pre aplikáciu.

Program má 3 stupne: stupeň (1) generuje periodický digitálny signál na prepínanie medzi dvoma úlohami systému, stupeň (2) počíta impulzy snímača prietoku a stupeň (3) zobrazuje zlomkové číslo.

Krok 3: Prvá fáza: Prepínanie počítania/zobrazovania

Vyžaduje sa digitálny výstup „COUNT/DISP-OUT“, ktorý každých 1,333 sekundy zmení stav medzi vysokou a nízkou. Keď je vysoká, systém počíta impulzy a keď je nízky, zobrazuje spočítaný výsledok. To sa dá dosiahnuť pomocou káblov DFF0, CNT1 a OSC0, ako je znázornené na obrázku 2.

Frekvencia OSC0 je 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 je nakonfigurovaný ako počítadlo a jeho hodinový vstup je pripojený k CLK/4 tak, aby vstupná hodinová frekvencia CNT1 bola 6,25 kHz. V prvom časovom období, ktoré trvá, ako je uvedené v rovnici 1, je výstup CNT1 vysoký a od stúpajúcej hrany signálu ďalších hodinových výstupov je výstup počítadla nízky a CNT1 sa začne znižovať od 8332. Keď údaje CNT1 dosiahnu 0, nový impulz na výstupe CNT1 je vygenerované. Na každej stúpajúcej hrane výstupu CNT1 výstup DFF0 zmení stav, ak je nízky, prepne sa na vysoký a naopak.

Polarita výstupu modulu DFF0 by mala byť nakonfigurovaná ako obrátená. CNT1 je nastavený na 8332, pretože čas počítania/zobrazovania T je rovnaký, ako je uvedené v rovnici 2.

Krok 4: Druhá fáza: Počítanie vstupných impulzov

4-bitový čítač je vyrobený pomocou DFF3/4/5/6, ako je znázornené na obrázku 4. Tento čítač sa zvyšuje pri každom impulze iba vtedy, keď je hodnota „COUNT/DISP-IN“, čo je PIN 9, vysoká. Vstupy AND brány 2-L2 sú „COUNT/DISP-IN“a vstup PWM. Počítadlo sa vynuluje, keď dosiahne hodnotu 10 alebo keď začne fáza počítania. 4-bitový čítač sa vynuluje, keď sú piny RESET DFF, ktoré sú pripojené k rovnakej sieti „RESET“, nízke.

4-bitový LUT2 sa používa na vynulovanie počítadla, keď dosiahne 10. Pretože výstupy DFF sú invertované, čísla sú definované prevrátením všetkých bitov ich binárnych reprezentácií: zámena 0 s za 1 s a naopak. Táto reprezentácia sa nazýva 1 doplnok binárneho čísla. 4-bitové vstupy LUT2 IN0, IN1, IN2 a IN3 sú pripojené k a0, a1, a2, a3 a a3. Tabuľka pravdy pre 4-LUT2 je uvedená v tabuľke 1.

Keď je zaregistrovaných 10 impulzov, výstup 4-LUT0 sa prepne z vysokého na nízky. V tomto mieste sa výstup CNT6/DLY6, nakonfigurovaný tak, aby pracoval v režime jedného záberu, prepne na nízky výkon na dobu 90 ns a potom sa znova zapne. Rovnako tak, keď sa funkcia „COUNT/DISP-IN“prepne z nízkej na vysokú, to znamená. systém začne počítať impulzy. Výstup CNT5/DLY5, nakonfigurovaný tak, aby pracoval v režime jedného záberu, sa na 90 ns prepne príliš nízko a potom sa znova zapne. Je dôležité, aby ste tlačidlo RESET na chvíľu udržali na nízkej úrovni a znova ho zapli pomocou CNT5 a CNT6, aby mal všetky DFF čas na reset. Oneskorenie 90 ns nemá žiadny vplyv na presnosť systému, pretože maximálna frekvencia signálu PWM je 225 Hz. Výstupy CNT5 a CNT6 sú pripojené k vstupom brány AND, ktorá vydáva signál RESET.

Výstup 4-LUT2 je tiež pripojený k pinu 4 s označením „F/10-OUT“, ktorý bude pripojený k vstupu PWM nasledujúceho stupňa počítania čipu. Napríklad, ak je „PWM-IN“zariadenia na zlomkové počítanie pripojené k výstupu PWM senzora a jeho „F/10-OUT“je pripojený k „PWM-IN“zariadenia na počítanie jednotiek a „ F/10-OUT "tohto zariadenia je pripojený k" PWM-IN "zariadenia na počítanie desiatok a tak ďalej. „COUNT/DISP-IN“všetkých týchto fáz by mal byť pripojený k rovnakému „COUNT/DISP-OUT“ktoréhokoľvek z troch zariadení pre zariadenie na zlomkové počítanie.

Obrázok 5 podrobne vysvetľuje, ako táto fáza funguje, a ukazuje, ako zmerať prietok 1,5 litra za minútu.

Krok 5: Tretia etapa: zobrazenie nameranej hodnoty

Táto fáza má vstupy: a0, a1, a2 a a3 (obrátené) a bude vychádzať na piny pripojené k 7-segmentovému displeju. Každý segment má logickú funkciu, ktorú majú vykonať dostupné LUT. 4-bitové LUT môžu túto prácu vykonávať veľmi jednoducho, ale bohužiaľ je k dispozícii iba 1. 4-bitová LUT0 sa používa pre segment G, ale pre ostatné segmenty sme použili dvojicu 3-bitových LUT, ako je znázornené na obrázku 6. 3-bitové LUT úplne vľavo majú a2/a1/a0 pripojené k svojim vstupom, zatiaľ čo úplne vpravo 3-bitové LUT majú na svoje vstupy a3.

Všetky vyhľadávacie tabuľky je možné odvodiť zo 7-segmentovej pravdivostnej tabuľky dekodéra uvedenej v tabuľke 2. Sú uvedené v tabuľke 3, tabuľke 4, tabuľke 5, tabuľke 6, tabuľke 7, tabuľke 8, tabuľke 9.

Riadiace piny GPIO, ktoré ovládajú 7-segmentový displej, sú k meniču „COUNT/DISP-IN“pripojené prostredníctvom meniča ako výstupy, keď je hodnota „COUNT/DISP-IN“nízka, čo znamená, že zobrazenie sa mení iba počas úlohy zobrazovania. Preto sú počas úlohy počítania displeje VYPNUTÉ a počas zobrazovania úlohy zobrazujú počítané impulzy.

Indikátor desatinnej čiarky môže byť potrebný niekde na 7-segmentovom displeji. Z tohto dôvodu je PIN5 s označením „DP-OUT“pripojený k obrátenej sieti „COUNT/DISP“a pripojíme ho k DP zodpovedajúceho displeja. V našej aplikácii musíme zobraziť desatinnú čiarku zariadenia na počítanie jednotiek, aby sme zobrazovali čísla vo formáte „xx.x“, potom prepojíme „DP-OUT“zariadenia na počítanie jednotiek so vstupom DP jednotky 7- segmentový displej a ostatné ponecháme neprepojené.

Krok 6: Implementácia hardvéru

Obrázok 7 zobrazuje prepojenie medzi 3 čipmi GreenPAK a pripojenia každého čipu k jeho zodpovedajúcemu displeju. Výstup desatinnej čiarky zariadenia GreenPAK je spojený so vstupom DP 7-segmentového displeja, aby sa zobrazil prietok v správnom formáte s rozlíšením 0,1 litra za minútu. Vstup PWM čipu LSB je pripojený k výstupu PWM snímača prietoku vody. Výstupy F/10 obvodov sú pripojené k vstupom PWM nasledujúceho čipu. Pri snímačoch s vyššími prietokmi a/alebo vyššou presnosťou je možné kaskádovať viac čipov, aby sa k nim pridalo viac číslic.

Krok 7: Výsledky

Na testovanie systému sme vytvorili jednoduchú dosku plošných spojov, ktorá má konektory na zapojenie zásuviek GreenPAK pomocou 20-pólových dvojradových zásuviek. Schéma a rozloženie tejto dosky plošných spojov, ako aj fotografie, sú uvedené v prílohe.

Systém bol najskôr testovaný s Arduino, ktoré simuluje snímač prietoku a zdroj vody s konštantným známym prietokom generovaním impulzov pri 225 Hz, čo zodpovedá prietoku 30 litrov za minútu. Výsledok merania bol rovný 29,7 litra za minútu, chyba je asi 1 %.

Druhý test bol vykonaný so snímačom prietoku vody a domácim zdrojom vody. Merania pri rôznych prietokoch boli 4,5 a 12,4.

Záver

Tento návod ukazuje, ako vytvoriť malý, lacný a presný prietokomer pomocou Dialog SLG46533. Vďaka GreenPAK je tento dizajn menší, jednoduchší a ľahšie sa vytvára ako porovnateľné riešenia.

Náš systém dokáže merať prietok až 30 litrov / minútu s rozlíšením 0,1 litra, ale na meranie vyšších prietokov s vyššou presnosťou v závislosti od prietokomera môžeme použiť viac prístrojov GreenPAK. Systém Dialog GreenPAK môže pracovať so širokou škálou prietokomerov turbíny.

Navrhované riešenie bolo navrhnuté na meranie prietoku vody, ale môže byť prispôsobené na použitie s akýmkoľvek snímačom, ktorý vydáva signál PWM, ako je snímač prietoku plynu.