Kako napraviti mjerač protoka vode: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Precizan, mali i jeftin mjerač protoka tekućine može se lako napraviti pomoću GreenPAK ™ komponenti. U ovom Instructable-u predstavljamo mjerač protoka vode koji kontinuirano mjeri protok vode i prikazuje ga na tri 7-segmentna ekrana. Opseg mjerenja senzora protoka je od 1 do 30 litara u minuti. Izlaz senzora je digitalni PWM signal s frekvencijom proporcionalnom brzini protoka vode.

Tri GreenPAK-ova programabilna matrica sa mješovitim signalom SLG46533 sa programiranim brojem broji broj impulsa unutar baznog vremena T. Ovo bazno vrijeme se izračunava tako da je broj impulsa jednak brzini protoka u tom razdoblju, tada se ovaj izračunati broj prikazuje na 7. -segmenti se prikazuju. Rezolucija je 0,1 litara/min.

Izlaz senzora je spojen na digitalni ulaz sa Schmittovim okidačem prve matrice mješovitih signala koja broji razlomačni broj. Čipovi se kaskadno spajaju putem digitalnog izlaza, koji je spojen na digitalni ulaz tekuće Matrice mješovitih signala. Svaki uređaj je povezan na 7 -segmentni katodni ekran kroz 7 izlaza.

Korištenje GreenPAK programabilne matrice mješovitih signala poželjnije je od mnogih drugih rješenja, poput mikrokontrolera i diskretnih komponenti. U usporedbi s mikrokontrolerom, GreenPAK je jeftiniji, manji i lakši za programiranje. U usporedbi s diskretnim logičkim integriranim krugovima, to je i jeftinije, lakše se gradi i manje je.

Da bi ovo rješenje bilo komercijalno održivo, sistem mora biti što manji i zatvoren unutar vodootpornog, tvrdog kućišta da bude otporan na vodu, prašinu, paru i druge faktore tako da može raditi u različitim uslovima.

Za testiranje dizajna napravljena je jednostavna PCB ploča. GreenPAK uređaji su priključeni na ovu PCB pomoću 20 pinova dvorednih ženskih konektora zaglavlja.

Testovi se prvi put rade pomoću impulsa koje generira Arduino, a drugi put je izmjeren protok vode iz kućnog izvora vode. Sistem je pokazao tačnost od 99%.

Otkrijte sve potrebne korake da biste razumjeli kako je GreenPAK čip programiran za kontrolu mjerača protoka vode. Međutim, ako samo želite dobiti rezultat programiranja, preuzmite GreenPAK softver da biste vidjeli već završenu GreenPAK datoteku za dizajn. Priključite GreenPAK Development Kit na svoje računalo i pritisnite program za stvaranje prilagođenog IC -a za kontrolu vašeg mjerača protoka vode. Slijedite dolje navedene korake ako želite razumjeti kako krug funkcionira.

Korak 1: Opšti opis sistema

Jedan od najčešćih načina mjerenja protoka tekućine potpuno je sličan principu mjerenja brzine vjetra anemometrom: brzina vjetra proporcionalna je brzini rotacije anemometra. Glavni dio ove vrste senzora protoka je vrsta zakretnog točka, čija je brzina proporcionalna brzini protoka tekućine koja prolazi kroz njega.

Koristili smo senzor protoka vode YF-S201 firme URUK prikazan na slici 1. U ovom senzoru Hall-ov senzor montiran na osovinu daje impuls pri svakom okretaju. Učestalost izlaznog signala prikazana je u Formuli 1, gdje je Q protok vode u litrama/minuti.

Na primjer, ako je izmjereni protok 1 litar/minuti, frekvencija izlaznog signala je 7,5 Hz. Da bismo prikazali stvarnu vrijednost protoka u formatu 1,0 litre/minuti, moramo brojati impulse u vremenu od 1,333 sekunde. U primjeru od 1,0 litre/minuti, prebrojani rezultat bit će 10, koji će biti prikazan kao 01,0 na ekranima sa sedam segmenata. U ovoj aplikaciji rješavaju se dva zadatka: prvi je brojanje impulsa, a drugi prikaz broja kada je zadatak brojanja dovršen. Svaki zadatak traje 1,333 sekunde.

Korak 2: Implementacija GreenPAK Designer -a

SLG46533 ima mnoge svestrane makro ćelije s kombinacijom funkcija i mogu se konfigurirati kao Tablice za traženje, brojači ili D-japanke. Ova modularnost čini GreenPAK pogodnim za primjenu.

Program ima 3 faze: faza (1) generira periodični digitalni signal za prebacivanje između 2 zadatka sistema, faza (2) broji impulse senzora protoka, a faza (3) prikazuje razlomljeni broj.

Korak 3: Prva faza: Brojanje/prikaz prebacivanja

Potreban je digitalni izlaz “COUNT/DISP-OUT” koji mijenja stanje između visokog i niskog svakih 1,333 sekunde. Kada je visok, sistem broji impulse, a kada je nizak, prikazuje prebrojane rezultate. To se može postići pomoću DFF0, CNT1 i OSC0 ožičenih kao što je prikazano na slici 2.

Frekvencija OSC0 je 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 konfiguriran je kao brojač, a njegov satni ulaz je spojen na CLK/4 tako da je ulazna frekvencija takta CNT1 6,25 kHz. Za prvi period takta koji traje kao što je prikazano u jednadžbi 1, izlaz CNT1 je visok, a od rastuće ivice signala sljedećeg sata, izlaz brojača je nizak i CNT1 počinje opadati od 8332. Kada podaci CNT1 dosegnu 0, novi impuls na izlazu CNT1 je generirano. Na svakom rastućem rubu CNT1 izlaza, DFF0 izlaz mijenja stanje, ako je nisko prelazi na visoko i obrnuto.

Izlazni polaritet DFF0 treba konfigurirati kao obrnut. CNT1 je postavljen na 8332 jer je vrijeme odbrojavanja/prikaza T jednako kao što je prikazano u jednadžbi 2.

Korak 4: Druga faza: Brojanje ulaznih impulsa

4-bitni brojač izrađen je pomoću DFF3/4/5/6, kao što je prikazano na slici 4. Ovaj brojač se povećava na svakom impulsu samo kada je “COUNT/DISP-IN”, koji je PIN 9, visok. Ulazi AND-gate 2-L2 su "COUNT/DISP-IN" i PWM ulaz. Brojač se resetuje kada dosegne 10 ili kada počne faza odbrojavanja. 4-bitni brojač se poništava kada su DFF-ovi RESET pinovi, koji su povezani na istu mrežnu „RESET“, niski.

4-bitni LUT2 koristi se za poništavanje brojača kada dosegne 10. Budući da su DFF izlazi obrnuti, brojevi se definiraju obrnutom bitovima njihovih binarnih prikaza: zamjenom 0s za 1s i obrnuto. Ova predstava se naziva 1 komplement binarnog broja. 4-bitni LUT2 ulazi IN0, IN1, IN2 i IN3 spojeni su na a0, a1, a2, a3 i a3. Tabela istinitosti za 4-LUT2 prikazana je u Tabeli 1.

Kada se registrira 10 impulsa, izlaz 4-LUT0 se prebacuje s visokog na nisko. U ovom trenutku izlaz CNT6/DLY6, konfiguriran za rad u jednom kadru, prebacuje se na nisko vrijeme u trajanju od 90 ns, a zatim se ponovo uključuje. Slično, kada se „COUNT/DISP-IN“prebaci s niskog na visoko, tj. sistem počinje brojati impulse. Izlaz CNT5/DLY5, konfiguriran za rad u jednom načinu snimanja, prebacuje se prenisko u razdoblju od 90 ns, a zatim se ponovo uključuje. Od presudne je važnosti neko vrijeme držati gumb RESET na niskom nivou i ponovo ga uključiti pomoću CNT5 i CNT6 kako bi se dalo vremena svim DFF -ovima za resetiranje. Kašnjenje od 90 ns nema uticaja na tačnost sistema jer je maksimalna frekvencija PWM signala 225 Hz. Izlazi CNT5 i CNT6 povezani su na ulaze AND vrata koji izlažu RESET signal.

Izlaz 4-LUT2 je također spojen na pin 4, označen kao "F/10-OUT", koji će biti spojen na PWM ulaz sljedeće faze brojanja čipa. Na primjer, ako je "PWM-IN" uređaja za brojanje frakcija spojen na PWM izlaz senzora, a njegov "F/10-OUT" je spojen na "PWM-IN" uređaja za brojanje jedinica i " F/10-OUT "potonjeg je spojen na" PWM-IN "uređaja za brojanje desetica i tako dalje. "COUNT/DISP-IN" svih ovih faza treba biti spojen na isti "COUNT/DISP-OUT" bilo kojeg od 3 uređaja za frakcijski brojač.

Slika 5 detaljno objašnjava kako ova faza funkcionira pokazujući kako mjeriti protok od 1,5 litara/minuti.

Korak 5: Treća faza: Prikaz izmjerene vrijednosti

Ova faza ima ulaze: a0, a1, a2 i a3 (obrnuto) i izlazit će na pinove spojene na 7-segmentni zaslon. Svaki segment ima logičku funkciju koju treba izvršiti dostupnim LUT -ovima. 4-bitni LUT-ovi mogu vrlo lako obaviti posao, ali nažalost samo je jedan dostupan. 4-bitni LUT0 koristi se za segment G, ali za ostale segmente koristili smo par 3-bitnih LUT-ova kao što je prikazano na slici 6. Na krajnjem lijevom 3-bitnom LUT-u a2/a1/a0 je spojeno na svoje ulaze, dok je krajnje desno 3-bitni LUT-ovi imaju a3 spojen na svoje ulaze.

Sve tražene tabele mogu se zaključiti iz tabele istinitosti dekodera sa 7 segmenata prikazane u Tabeli 2. One su predstavljene u Tabeli 3, Tabeli 4, Tabeli 5, Tabeli 6, Tabeli 7, Tabeli 8, Tablici 9.

Kontrolni pinovi GPIO-a koji upravljaju 7-segmentnim zaslonom povezani su na "COUNT/DISP-IN" preko pretvarača kao izlazi kada je "COUNT/DISP-IN" nisko, što znači da se prikaz mijenja samo tijekom zadatka prikaza. Stoga su tijekom zadatka brojanja ekrani isključeni, a tijekom prikaza zadatka oni prikazuju prebrojane impulse.

Indikator decimalne tačke može biti potreban negdje unutar 7-segmentnog ekrana. Iz tog razloga, PIN5, označen sa "DP-OUT", povezan je sa obrnutom "COUNT/DISP" mrežom i povezujemo ga sa DP odgovarajućeg ekrana. U našoj aplikaciji moramo prikazati decimalnu točku uređaja za brojanje jedinica kako bi se prikazali brojevi u formatu "xx.x", zatim ćemo spojiti "DP-OUT" uređaja za brojanje jedinica na DP ulaz jedinice 7- segmentni prikaz, a ostale ostavljamo nepovezanim.

Korak 6: Implementacija hardvera

Slika 7 prikazuje međusobnu povezanost 3 GreenPAK čipa i veze svakog čipa na odgovarajući ekran. Izlaz decimalne točke GreenPAK-a povezan je DP ulazom 7-segmentnog zaslona za prikaz protoka u ispravnom formatu, s rezolucijom od 0,1 litara u minuti. PWM ulaz LSB čipa spojen je na PWM izlaz senzora protoka vode. Izlazi F/10 kola su spojeni na PWM ulaze sljedećeg čipa. Za senzore s većim protokom i/ili većom preciznošću, više čipova se može kaskadirati za dodavanje više znamenki.

Korak 7: Rezultati

Za testiranje sistema, izgradili smo jednostavnu PCB ploču koja ima konektore za uključivanje GreenPAK utičnica pomoću 20-polnih dvorednih ženskih zaglavlja. Shema i izgled ove PCB ploče, kao i fotografije, predstavljeni su u Dodatku.

Sustav je prvo testiran s Arduinom koji simulira senzor protoka i izvor vode s konstantnom, poznatom brzinom protoka generirajući impulse pri 225 Hz što odgovara protoku od 30 litara u minuti. Rezultat mjerenja bio je jednak 29,7 litara u minuti, greška je oko 1 %.

Drugi test je napravljen sa senzorom protoka vode i kućnim izvorom vode. Mjerenja pri različitim brzinama protoka bila su 4,5 i 12,4.

Zaključak

Ovaj Instructable pokazuje kako izgraditi mali, jeftini i precizni mjerač protoka koristeći Dialog SLG46533. Zahvaljujući GreenPAK -u, ovaj dizajn je manji, jednostavniji i lakši za stvaranje od usporednih rješenja.

Naš sistem može mjeriti protok do 30 litara u minuti s rezolucijom od 0,1 litre, ali možemo koristiti i više GreenPAK -ova za mjerenje većih protoka s većom točnošću ovisno o senzoru protoka. Sistem zasnovan na Dialog GreenPAK-u može raditi sa širokim spektrom turbinskih mjerača protoka.

Predloženo rješenje je dizajnirano za mjerenje protoka vode, ali se može prilagoditi za upotrebu sa bilo kojim senzorom koji emitira PWM signal, poput senzora protoka plina.