Jak stworzyć przepływomierz wody: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Dokładny, mały i tani przepływomierz do cieczy można łatwo wykonać przy użyciu komponentów GreenPAK™. W tej instrukcji przedstawiamy wodomierz, który stale mierzy przepływ wody i wyświetla go na trzech 7-segmentowych wyświetlaczach. Zakres pomiarowy czujnika przepływu wynosi od 1 do 30 litrów na minutę. Wyjściem czujnika jest cyfrowy sygnał PWM o częstotliwości proporcjonalnej do natężenia przepływu wody.

Trzy układy scalone z programowalną matrycą sygnałów mieszanych GreenPAK SLG46533 zliczają liczbę impulsów w czasie podstawowym T. Ten czas podstawowy jest obliczany w taki sposób, aby liczba impulsów była równa natężeniu przepływu w tym okresie, a następnie ta obliczona liczba jest wyświetlana na 7 -segmentowe wyświetlacze. Rozdzielczość wynosi 0,1 litra/min.

Wyjście czujnika jest połączone z wejściem cyfrowym z wyzwalaczem Schmitta pierwszej matrycy sygnałów mieszanych, która zlicza liczbę ułamkową. Układy scalone są połączone kaskadowo przez wyjście cyfrowe, które jest połączone z wejściem cyfrowym kolejnej matrycy sygnałów mieszanych. Każde urządzenie jest podłączone do 7-segmentowego wyświetlacza ze wspólną katodą przez 7 wyjść.

Korzystanie z programowalnej matrycy sygnałów mieszanych GreenPAK jest lepsze niż wiele innych rozwiązań, takich jak mikrokontrolery i elementy dyskretne. W porównaniu z mikrokontrolerem GreenPAK jest tańszy, mniejszy i łatwiejszy do zaprogramowania. W porównaniu z układami scalonymi z logiką dyskretną jest również tańszy, łatwiejszy w budowie i mniejszy.

Aby to rozwiązanie było opłacalne komercyjnie, system musi być jak najmniejszy i zamknięty w wodoodpornej, twardej obudowie, aby był odporny na wodę, kurz, parę i inne czynniki, aby mógł działać w różnych warunkach.

Aby przetestować projekt, zbudowano prostą płytkę drukowaną. Urządzenia GreenPAK są podłączane do tej płytki drukowanej za pomocą 20-stykowych dwurzędowych złączy żeńskich.

Testy wykonywane są za pierwszym razem przy użyciu impulsów generowanych przez Arduino, a za drugim mierzono natężenie przepływu wody w domowym źródle wody. System wykazał dokładność 99%.

Odkryj wszystkie niezbędne kroki, aby zrozumieć, w jaki sposób chip GreenPAK został zaprogramowany do sterowania przepływomierzem wody. 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 przepływomierzem wody. Wykonaj czynności opisane poniżej, jeśli chcesz zrozumieć, jak działa obwód.

Krok 1: Ogólny opis systemu

Jednym z najczęstszych sposobów pomiaru natężenia przepływu cieczy jest zasada pomiaru prędkości wiatru za pomocą anemometru: prędkość wiatru jest proporcjonalna do prędkości obrotowej anemometru. Główną częścią tego typu czujnika przepływu jest rodzaj wiatraczka, którego prędkość jest proporcjonalna do natężenia przepływu przechodzącej przez niego cieczy.

Użyliśmy czujnika przepływu wody YF-S201 firmy URUK pokazanego na rysunku 1. W tym czujniku czujnik Halla zamontowany na wiatraku wysyła impuls przy każdym obrocie. Częstotliwość sygnału wyjściowego jest przedstawiona we wzorze 1, gdzie Q jest natężeniem przepływu wody w litrach/minutę.

Na przykład, jeśli zmierzone natężenie przepływu wynosi 1 litr/minutę, częstotliwość sygnału wyjściowego wynosi 7,5 Hz. Aby wyświetlić rzeczywistą wartość przepływu w formacie 1,0 litra/minutę, musimy liczyć impulsy przez czas 1,333 sekundy. W przykładzie 1,0 litra/minutę zliczony wynik będzie wynosił 10, co będzie wyświetlane jako 01,0 na wyświetlaczach siedmiosegmentowych. W tej aplikacji adresowane są dwa zadania: pierwsze to zliczanie impulsów, a drugie wyświetlanie liczby po zakończeniu zadania zliczania. Każde zadanie trwa 1,333 sekundy.

Krok 2: Wdrożenie GreenPAK Designer

SLG46533 ma wiele wszechstronnych kombinowanych makrokomórek funkcyjnych i można je skonfigurować jako tablice przeglądowe, liczniki lub przerzutniki D-Flip-Flop. Ta modułowość sprawia, że GreenPAK nadaje się do zastosowania.

Program składa się z 3 etapów: etap (1) generuje okresowy sygnał cyfrowy do przełączania między 2 zadaniami systemu, etap (2) zlicza impulsy czujnika przepływu, a etap (3) wyświetla liczbę ułamkową.

Krok 3: Pierwszy etap: Przełączanie zliczania/wyświetlania

Wymagane jest wyjście cyfrowe „COUNT/DISP-OUT”, które zmienia stan z wysokiego na niski co 1,333 sekundy. Gdy jest wysoki, system liczy impulsy, a gdy niski wyświetla zliczony wynik. Można to osiągnąć za pomocą okablowania DFF0, CNT1 i OSC0, jak pokazano na rysunku 2.

Częstotliwość OSC0 wynosi 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 jest skonfigurowany jako licznik, a jego wejście zegarowe jest podłączone do CLK/4, dzięki czemu częstotliwość zegara wejściowego CNT1 wynosi 6,25 kHz. Dla pierwszego okresu zegara, który trwa, jak pokazano w równaniu 1, wyjście CNT1 jest w stanie wysokim, a od następnego zbocza narastającego sygnału zegara wyjście licznika jest niskie i CNT1 zaczyna zmniejszać wartość od 8332. Gdy dane CNT1 osiągną 0, nowy impuls na wyjściu CNT1 jest wygenerowane. Z każdym narastającym zboczem wyjścia CNT1, wyjście DFF0 zmienia stan, gdy niski przełącza się na wysoki i odwrotnie.

Polaryzacja wyjścia DFF0 powinna być skonfigurowana jako odwrócona. CNT1 jest ustawione na 8332, ponieważ czas zliczania/wyświetlania T jest równy, jak pokazano w równaniu 2.

Krok 4: Drugi etap: Zliczanie impulsów wejściowych

Licznik 4-bitowy jest wykonywany przy użyciu DFF3/4/5/6, jak pokazano na rysunku 4. Licznik ten zwiększa się przy każdym impulsie tylko wtedy, gdy „COUNT/DISP-IN”, czyli PIN 9, jest wysoki. Wejścia bramki AND 2-L2 to „COUNT/DISP-IN” i wejście PWM. Licznik jest resetowany, gdy osiągnie 10 lub gdy rozpocznie się faza zliczania. Licznik 4-bitowy jest resetowany, gdy piny RESET DFF, które są podłączone do tej samej sieci „RESET”, są w stanie niskim.

4-bitowy LUT2 służy do resetowania licznika, gdy osiągnie 10. Ponieważ wyjścia DFF są odwrócone, liczby są definiowane przez odwrócenie wszystkich bitów ich reprezentacji binarnych: zamiana zer na jedynki i odwrotnie. Ta reprezentacja jest nazywana uzupełnieniem liczby binarnej do jedynki. 4-bitowe wejścia LUT2 IN0, IN1, IN2 i IN3 są podłączone odpowiednio do a0, a1, a2, a3 i a3. Tabelę prawdy dla 4-LUT2 przedstawiono w Tabeli 1.

Po zarejestrowaniu 10 impulsów wyjście 4-LUT0 przełącza się z wysokiego na niski. W tym momencie wyjście CNT6/DLY6, skonfigurowane do pracy w trybie jednego strzału, przełącza się w stan niski na okres 90 ns, a następnie włącza się ponownie. Podobnie, gdy „COUNT/DISP-IN” przełącza się z niskiego na wysoki, to znaczy. system zaczyna zliczać impulsy. Wyjście CNT5/DLY5, skonfigurowane do pracy w trybie one shot, przełącza się zbyt nisko na okres 90 ns, a następnie włącza się ponownie. Kluczowe jest utrzymanie przez chwilę przycisku RESET na niskim poziomie i ponowne włączenie go za pomocą CNT5 i CNT6, aby dać czas na zresetowanie wszystkich DFF. Opóźnienie 90 ns nie ma wpływu na dokładność systemu, ponieważ maksymalna częstotliwość sygnału PWM wynosi 225 Hz. Wyjścia CNT5 i CNT6 są podłączone do wejść bramki AND, która wyprowadza sygnał RESET.

Wyjście 4-LUT2 jest również podłączone do pinu 4, oznaczonego „F/10-OUT”, który zostanie podłączony do wejścia PWM następnego etapu zliczania układu. Na przykład, jeśli "PWM-IN" urządzenia zliczającego ułamki jest podłączone do wyjścia PWM czujnika, a jego "F/10-OUT" jest połączone z "PWM-IN" urządzenia liczącego jednostki, a " F/10-OUT" tego ostatniego jest podłączony do "PWM-IN" urządzenia liczącego dziesiątki i tak dalej. „LICZNIK/WYSYŁANIE” wszystkich tych stopni powinno być połączone z tym samym „ZLICZANIE/WYSYŁANIE” dowolnego z 3 urządzeń dla urządzenia zliczającego ułamki.

Rysunek 5 wyjaśnia szczegółowo, jak działa ten etap, pokazując sposób pomiaru natężenia przepływu 1,5 litra/minutę.

Krok 5: Trzeci etap: Wyświetlanie zmierzonej wartości

Ten stopień ma wejścia: a0, a1, a2 i a3 (odwrócone) i wyprowadzi go na piny podłączone do 7-segmentowego wyświetlacza. Każdy segment ma funkcję logiczną, którą mają wykonać dostępne LUT. 4-bitowe LUT mogą wykonać tę pracę bardzo łatwo, ale niestety tylko 1 jest dostępna. 4-bitowa LUT0 jest używana dla segmentu G, ale dla innych segmentów użyliśmy pary 3-bitowych LUT, jak pokazano na rysunku 6. Najbardziej lewe 3-bitowe LUT mają a2/a1/a0 podłączone do ich wejść, podczas gdy najbardziej na prawo 3-bitowe tablice LUT mają a3 podłączone do ich wejść.

Wszystkie tabele przeglądowe można wywnioskować z 7-segmentowej tabeli prawdy dekodera pokazanej w Tabeli 2. Są one przedstawione w Tabeli 3, Tabeli 4, Tabeli 5, Tabeli 6, Tabeli 7, Tabeli 8, Tabeli 9.

Piny sterujące GPIO, które sterują wyświetlaczem 7-segmentowym, są podłączone do "COUNT/DISP-IN" przez falownik jako wyjścia, gdy "COUNT/DISP-IN" jest niski, co oznacza, że wyświetlacz jest zmieniany tylko podczas zadania wyświetlania. Dlatego podczas zadania liczenia wyświetlacze są wyłączone, a podczas wyświetlania zadania wyświetlają zliczone impulsy.

Gdzieś na 7-segmentowym wyświetlaczu może być potrzebny wskaźnik dziesiętny. Z tego powodu PIN5, oznaczony "DP-OUT", jest podłączony do odwróconej sieci "COUNT/DISP" i podłączamy go do DP odpowiedniego wyświetlacza. W naszej aplikacji musimy wyświetlić przecinek dziesiętny urządzenia liczącego, aby wyświetlić liczby w formacie „xx.x”, a następnie podłączymy „DP-OUT” urządzenia liczącego do wejścia DP modułu 7- wyświetlacz segmentowy, a pozostałe pozostawiamy niepodłączone.

Krok 6: Implementacja sprzętu

Rysunek 7 przedstawia połączenia między 3 chipami GreenPAK i połączenia każdego chipa z odpowiednim wyświetlaczem. Wyjście przecinka dziesiętnego GreenPAK jest połączone z wejściem DP 7-segmentowego wyświetlacza, aby pokazać natężenie przepływu we właściwym formacie, z rozdzielczością 0,1 litra/minutę. Wejście PWM układu LSB jest połączone z wyjściem PWM czujnika przepływu wody. Wyjścia F/10 obwodów są połączone z wejściami PWM następnego układu. W przypadku czujników o wyższych natężeniach przepływu i/lub większej dokładności można połączyć kaskadowo więcej chipów, aby dodać więcej cyfr.

Krok 7: Wyniki

Aby przetestować system, zbudowaliśmy prostą płytkę drukowaną, która ma złącza do podłączenia gniazd GreenPAK za pomocą 20-pinowych dwurzędowych żeńskich nagłówków. Schemat i układ tej płytki oraz zdjęcia przedstawiono w załączniku.

System został najpierw przetestowany z Arduino, który symuluje czujnik natężenia przepływu i źródło wody o stałym, znanym natężeniu przepływu, generując impulsy o częstotliwości 225 Hz, co odpowiada odpowiednio przepływowi 30 litrów/minutę. Wynik pomiaru wyniósł 29,7 l/min, błąd około 1%.

Drugi test został wykonany przy użyciu czujnika natężenia przepływu wody i domowego źródła wody. Pomiary przy różnych szybkościach przepływu wynosiły 4,5 i 12,4.

Wniosek

Ta instrukcja pokazuje, jak zbudować mały, tani i dokładny przepływomierz przy użyciu Dialog SLG46533. Dzięki GreenPAK ten projekt jest mniejszy, prostszy i łatwiejszy w wykonaniu niż porównywalne rozwiązania.

Nasz system może mierzyć natężenie przepływu do 30 litrów/minutę z rozdzielczością 0,1 litra, ale możemy użyć większej liczby GreenPAK, aby zmierzyć wyższe natężenia przepływu z większą dokładnością w zależności od czujnika przepływu. System oparty na Dialog GreenPAK może współpracować z szeroką gamą przepływomierzy turbinowych.

Proponowane rozwiązanie zostało zaprojektowane do pomiaru natężenia przepływu wody, ale może być przystosowane do użycia z dowolnym czujnikiem, który wysyła sygnał PWM, takim jak czujnik natężenia przepływu gazu.