Jak zrobić wskaźnik nadwagi: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Głównym celem tej aplikacji jest zmierzenie wagi przedmiotu, a następnie wskazanie alarmu dźwiękowego w przypadku nadwagi. Wejście systemu pochodzi z ogniwa obciążnikowego. Wejście to sygnał analogowy, który został wzmocniony przez wzmacniacz różnicowy. Sygnał analogowy jest konwertowany na sygnał cyfrowy za pomocą ADC. Wartość wyniku odczytu ADC jest następnie porównywana z pewną wartością, która jest ustawiona tak, że reprezentuje żądany limit obciążenia. W przypadku wystąpienia nadwagi alarm włącza się z częstotliwością 1 Hz. W tej nocie aplikacji użyjemy tensometru jako czujnika wagi, SLG88104 jako wzmacniacza różnicowego, a SLG46140V jako ADC i kondycjonowania sygnału. System można sprawdzić, stosując obciążenie przekraczające żądany limit obciążenia (60 kg). Funkcjonalność systemu jest prawidłowa, jeśli w tych warunkach alarm jest włączony z częstotliwością 1 Hz. Kluczową zaletą projektowania z GreenPAK™ jest to, że produkt jest mniejszy, tańszy, prostszy i łatwy do opracowania. GreenPAK posiada prosty interfejs GUI w GreenPAK Designer, dzięki czemu inżynierowie mogą szybko i łatwo wdrażać nowe projekty i reagować na zmieniające się wymagania projektowe. Jeśli chcemy go dalej rozwijać, to rozwiązanie jest doskonałym wyborem. Korzystanie z GreenPAK sprawia, że ten projekt jest bardzo prosty, lekki i zajmuje tylko niewielką powierzchnię na wdrożenie go w większości zastosowań. Ze względu na zasoby obwodów wewnętrznych dostępne w GreenPAK, ten projekt można rozszerzyć o więcej funkcji bez konieczności dodawania zbyt wielu dodatkowych układów scalonych. Aby zweryfikować funkcjonalność tego systemu, wystarczy zaimplementować układ zaprojektowany za pomocą narzędzia symulacyjnego GreenPAK.

Odkryj wszystkie niezbędne kroki, aby zrozumieć, w jaki sposób chip GreenPAK został zaprogramowany do kontrolowania wskaźnika nadwagi. Jeśli jednak chcesz tylko uzyskać wynik programowania, pobierz oprogramowanie GreenPAK, aby wyświetlić już ukończony plik projektu GreenPAK. Podłącz zestaw rozwojowy GreenPAK do komputera i uruchom program, aby utworzyć niestandardowy układ scalony do sterowania wskaźnikiem nadwagi. Wykonaj czynności opisane poniżej, jeśli chcesz zrozumieć, jak działa obwód.

Krok 1: Podejście projektowe

Kluczową ideą tego projektu jest ułatwienie kalibracji odważnika na wadze cyfrowej, jak pokazano na poniższym schemacie. Załóżmy, że istnieją cztery stany opisujące działanie tego systemu. System posiada typową sekcję czujnika masy (A), a następnie dokonuje konwersji danych analogowych na cyfrowe. Czujniki zazwyczaj generują bardzo niskie wartości analogowe i mogą być łatwiej przetwarzane po konwersji na sygnały cyfrowe. Używany sygnał będzie posiadał czytelne dane cyfrowe. Dane uzyskane w postaci cyfrowej można ponownie przetworzyć na żądaną wartość cyfrową (dla ciężkich lub lekkich obiektów). Do wskazania stanu wartości końcowej używamy brzęczyka, ale można go łatwo zmienić. W przypadku wskaźnika głosowego można użyć dobrze znanego mignięcia (wskaźnik opóźnienia dźwięku (B)). W tym eksperymencie wykorzystaliśmy istniejącą wagę z czterema czujnikami tensometrycznymi połączonymi przy użyciu zasady mostka Wheatstone'a. Jeśli chodzi o wyświetlacz LCD już na wagach cyfrowych, pozostaje tylko walidacja wartości generowanej na istniejących wagach.

Krok 2: Wprowadzanie opinii

Wejściowe sprzężenie zwrotne dla tego systemu pochodzi z ciśnienia uzyskanego przez czujnik w celu dostarczenia sygnału analogowego w postaci bardzo niskiego napięcia, ale nadal można je przetwarzać na dane z wagi. Najprostszy obwód cyfrowego czujnika skanującego składa się z prostego rezystora, który może zmieniać swoją wartość rezystancji w zależności od zastosowanego ciężaru/ciśnienia. Obwód czujnika można zobaczyć na rysunku 2.

Czujniki umieszczone w każdym rogu skali podadzą dokładne wartości dla całkowitego sygnału wejściowego. Główne elementy rezystorów czujnikowych można połączyć w mostki, które można wykorzystać do pomiaru każdego czujnika. Obwód ten jest powszechnie stosowany w obwodach cyfrowych, które wykorzystują cztery współzależne źródła. Do naszych eksperymentów używamy tylko czterech czujników osadzonych na wadze, a wstępnie osadzone systemy na tej skali, takie jak LCD i kontroler, są przechowywane tylko w celu walidacji naszego projektu. Zastosowane przez nas obwody można zobaczyć na rysunku 3.

Mostek Wheatstone'a jest zwykle używany do kalibracji przyrządów pomiarowych. Zaletą mostka aWheatstone jest to, że może mierzyć bardzo niskie wartości w zakresie miliomów. Z tego powodu wagi cyfrowe z czujnikami o dość niskiej rezystancji mogą być bardzo niezawodne. Na rysunku 4 możemy zobaczyć wzór i obwód mostka Wheatstone'a.

Ponieważ napięcie jest tak małe, potrzebujemy wzmacniacza pomiarowego, aby napięcie było wzmocnione na tyle, aby mógł być odczytany przez sterownik. Napięcie sprzężenia zwrotnego uzyskane z wejściowego wzmacniacza oprzyrządowania jest przetwarzane na napięcie, które może być odczytane przez sterownik (od 0 do 5 woltów w tej konstrukcji). Możemy odpowiednio wyregulować wzmocnienie ustawiając rezystor wzmacniający w układzie SLG88104. Rysunek 5 przedstawia wzór na określenie napięcia wyjściowego zastosowanego obwodu SLG88104.

Z tego wzoru opisana jest zależność wzmocnienia. Jeśli wartość rezystora wzmacniającego zostanie zwiększona, to uzyskane wzmocnienie będzie mniejsze i odwrotnie, jeśli wartość rezystora wzmacniającego zostanie zmniejszona. Odpowiedź wyjściowa będzie dość wyraźna, nawet jeśli wzrost lub spadek wartości jest niewielki. Wagi cyfrowe mogą stać się bardziej czułe na dane wejściowe (przy niewielkim ciężarze wartość zmienia się drastycznie) lub odwrotnie, jeśli dodana czułość się zmniejszy. Można to zobaczyć w sekcji wyników.

Krok 3: Kontroluj wzmocnienie

Jest to konstrukcja, która może ponownie kontrolować wzmocnienie po przejściu przez proces sprzętowej kalibracji wzmocnienia (kalibracja rezystora wzmocnienia). Od projektu sekcji czujnika wagi (A), gdy dane uzyskane ze wzmacniacza instrumentu, dane mogą być ponownie przetwarzane, aby łatwiej było ustawić wzmocnienie. Zaletą jest to, że możemy uniknąć sprzętowej zmiany rezystora wzmocnienia.

Na rysunku 5 z modułem ADC znajduje się PGA, który może regulować wzmocnienie przed zmianą wartości analogowej na cyfrową. Podajemy odniesienie wejściowe z wyjścia Vout obwodu SLG88104. Wzmocnienie PGA zostanie ustawione w taki sposób, zgodnie z potrzebnymi nam pomiarami. Używamy wzmocnienia x0.25 w trybie single-ended ADC. Przy x0,25 wzmocnienie nie jest tak duże, że wejście uzyskane przez przetwornik ADC może zmierzyć wagę wystarczająco dużą lub maksymalnie zgodnie z tym, co próbowaliśmy przy użyciu Arduino, które wynosi 70 kg. Następnie używamy porównania danych z licznikiem CNT2 jako komparatora ADC, dzięki czemu możemy poznać zmianę za pomocą wskaźnika dźwiękowego. Sztuczka polega na tym, że komparator robimy kalibrując zmianę wartości CNT2 tak, że gdy waga > 60 kg, to wyjście DCMP0 wynosi "1". Wskaźnik dźwięku zaświeci się z ustaloną częstotliwością za pomocą wskaźnika dźwięku opóźnienia bloku, tak że blok będzie miał logiczne „1”, gdy czas wynosi 0,5 s. Opóźnienie jakie możemy ustawić w danych licznika CNT0 reguluje okres wyjścia 500ms.

Krok 4: Filtr dolnoprzepustowy

Zaleca się filtrowanie sygnału wyjściowego wzmacniacza różnicowego. Pomaga odrzucić zakłócenia i redukuje szumy szerokopasmowe. Zaimplementowany filtr dolnoprzepustowy (LPF) redukuje niepotrzebne szumy. Ten prosty obwód filtra dolnoprzepustowego składa się z rezystora połączonego szeregowo z obciążeniem i kondensatora połączonego równolegle z obciążeniem. Niektóre eksperymenty wykazały, że składnik szumu był wykrywalny w filtrze pasmowoprzepustowym mającym pasmo przepustowe 32,5-37,5 Hz podczas analizy widma częstotliwości. Częstotliwość odcięcia, fco LPF została ustawiona na 20 Hz, stosując wzór 1.75f??, = fpeak. Zwykle kondensatory powinny być bardzo małe, na przykład 100 μF.

F?? = 1/2???

Uzyskane R = 80 Ω.

Krok 5: Komponent projektowy GreenPAK

Jak widać na rysunku 8, GreenPAK zawiera komponenty, których potrzebujemy, moduł ADC i licznik czasu oczekiwania.

W sekcji modułu ADC wzmocnienie PGA może w razie potrzeby zmniejszyć lub zwiększyć wzmocnienie. Wzmocnienie PGA pełni taką samą funkcję jak rezystor wzmacniający w układzie SLG88104.

Dane wyjściowe uzyskane przez ADC, uporządkowane w ten sposób przez dane kalibracji licznika poprzez dodanie lub zmniejszenie wartości danych licznika. Możemy ustawić go zgodnie ze stworzonym przez nas sprzętem i odpowiednią wagą do wyjścia. W tym demo otrzymujemy i ustawiamy wartość danych licznika 250 na 60 kg.

Licznik czasu oczekiwania to CNT0. Dane licznika na CNT0 określą, jak długo wskaźnik dźwiękowy będzie włączony. Możemy ustawić tę wartość według potrzeb. W tym demo używamy licznika danych 3125 przez 0,5 s.

Używamy LUT0 do porównania ze standardowymi bramkami AND, więc jeśli dokładny czas 0,5 s i waga przekroczy 60 kg, zabrzmi wskaźnik dźwiękowy.

Krok 6: Wynik

Do tej symulacji przeprowadziliśmy dwa testy. Najpierw staramy się poznać wpływ wzmocnienia rezystora na dane wejściowe uzyskane później w celu przetworzenia i uzyskać wartość kalibracji rezystora wzmocnienia, która najlepiej pasuje do wykonanej skali cyfrowej. Drugim jest wykonanie projektu przy użyciu SLG46140, aby móc udoskonalić wzmocnienie, które chcesz uzyskać. Po teście szukaliśmy najwyższego punktu wartości rezystora dla wag cyfrowych, aby zmaksymalizować możliwości tworzonego obwodu wzmacniacza i możliwości opracowanych wag cyfrowych. Dzięki tej konstrukcji uzyskujemy najwyższą wartość rezystora wzmacniającego ± 6,8 Ohm, a maksymalna zmierzona waga wynosi ± 60 kg. Dostosowanie wartości rezystora wzmacniającego jest dość skomplikowane, ponieważ konstrukcja ma również duży wpływ na wymagany rezystor wzmacniający. W przypadku wagi cyfrowej użytej w tym przykładzie trudno było przekroczyć 6,8 Ohm, próbując osiągnąć większą wagę.

Co więcej, od drugiego testu (przy użyciu SLG46140 i jego funkcji) maksymalna waga, którą chcesz zmierzyć, można ustawić za pomocą modułu PGA, który ustawia wzmocnienie. Testujemy z ustawieniem wzmocnienia x 0,25 i sygnalizator dźwiękowy uruchamia się przy wadze >60 kg. Na podstawie powyższych wyników funkcjonalnie kalibracja wagi cyfrowej przebiega dobrze. Jest to bardzo pomocne przy ustawianiu wzmacniacza w porównaniu z ręcznymi zmianami sprzętu. Porównujemy również korzystnie rozmiar z kontrolerem, który może regulować kalibrację wzmocnienia wzmacniacza i ma również funkcję ADC. Przedstawione tutaj zalety projektowe obejmują mniejszy rozmiar fizyczny, prostotę, zużycie energii, cenę i łatwość dostosowania.

Wniosek

Ten wskaźnik nadwagi wykorzystujący SLG46140 jest idealnym rozwiązaniem dla wstępnie ustawionego wskaźnika masy. Powyższy projekt Dialog Semiconductor GreenPAK został ukończony przy użyciu SLG88104. Niższy koszt porównawczy, mała powierzchnia, niska moc, a także łatwość programowania GreenPAK wyróżniają go w porównaniu z konstrukcją mikrokontrolera. Zademonstrowano mostek Wheatstone'a, wzmacniacz różnicowy i zasady regulowanego wzmocnienia. Ten przykład projektowy można również rozszerzyć na inne zastosowania mostka Wheatstone'a, ponieważ jest wysoce niezawodny w przypadku oprzyrządowania o bardzo niskiej rezystancji.