Jak vytvořit měřič průtoku vody: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Přesný, malý a levný měřič průtoku kapaliny lze snadno vyrobit pomocí komponent GreenPAK ™. V tomto Instructable představujeme průtokoměr, který nepřetržitě měří průtok vody a zobrazuje jej na třech 7segmentových displejích. Rozsah měření průtokového senzoru je od 1 do 30 litrů za minutu. Výstupem senzoru je digitální signál PWM s frekvencí úměrnou průtoku vody.

Tři programovatelné integrované obvody Matrix SLG46533 se smíšeným signálem GreenPAK počítají počet impulsů v základním čase T. Tento základní čas je vypočítán tak, že počet pulzů se rovná průtoku v daném období, poté se toto vypočítané číslo zobrazí na 7. -segmentové displeje. Rozlišení je 0,1 litru/min.

Výstup snímače je připojen k digitálnímu vstupu pomocí Schmittova spouště první matice smíšeného signálu, která počítá zlomkové číslo. Čipy jsou kaskádovány dohromady prostřednictvím digitálního výstupu, který je připojen k digitálnímu vstupu probíhající matice smíšeného signálu. Každé zařízení je připojeno k 7segmentovému společnému katodovému displeji prostřednictvím 7 výstupů.

Použití programovatelné matice smíšených signálů GreenPAK je výhodnější než mnoho dalších řešení, jako jsou mikrokontroléry a diskrétní součásti. Ve srovnání s mikrokontrolérem je GreenPAK levnější, menší a programovatelnější. Ve srovnání s návrhem integrovaných obvodů s diskrétní logikou je také levnější, jednodušší na stavbu a menší.

Aby bylo toto řešení komerčně životaschopné, musí být systém co nejmenší a musí být uzavřen uvnitř vodotěsného, tvrdého krytu, aby byl odolný vůči vodě, prachu, páře a dalším faktorům, aby mohl fungovat za různých podmínek.

Pro otestování designu byl postaven jednoduchý PCB. Zařízení GreenPAK jsou na tuto desku plošných spojů připojena pomocí 20kolíkových dvouřadých konektorů konektoru.

Testy se provádějí poprvé pomocí impulsů generovaných Arduinem a podruhé se měří průtok vody domácího vodního zdroje. Systém prokázal přesnost 99%.

Objevte všechny potřebné kroky a porozumějte tomu, jak byl čip GreenPAK naprogramován pro ovládání průtokoměru. Pokud však chcete získat pouze výsledek programování, stáhněte si software GreenPAK a zobrazte již dokončený soubor návrhu GreenPAK. Připojte vývojovou sadu GreenPAK k počítači a spusťte program a vytvořte vlastní integrovaný obvod pro ovládání průtokoměru. Pokud vás zajímá, jak obvod funguje, postupujte podle níže popsaných kroků.

Krok 1: Celkový popis systému

Jeden z nejběžnějších způsobů měření průtoku kapaliny je přesně stejný jako princip měření rychlosti větru anemometrem: rychlost větru je úměrná rychlosti otáčení anemometru. Hlavní součástí tohoto typu snímače průtoku je jakýsi větrník, jehož rychlost je úměrná průtoku kapaliny, který jím prochází.

Použili jsme snímač průtoku vody YF-S201 od firmy URUK znázorněné na obrázku 1. V tomto senzoru vyzařuje snímač Hall Effect namontovaný na větrníku puls při každé otáčce. Frekvence výstupního signálu je uvedena ve vzorci 1, kde Q je průtok vody v litrech/minutu.

Pokud je například naměřený průtok 1 litr/minutu, výstupní frekvence signálu je 7,5 Hz. Abychom mohli zobrazit skutečnou hodnotu průtoku ve formátu 1,0 litru/minutu, musíme počítat impulsy po dobu 1,333 sekundy. V příkladu 1,0 litru/minutu bude počítaný výsledek 10, který se na sedmi segmentových displejích zobrazí jako 01,0. Tato aplikace řeší dva úkoly: první je počítání impulzů a druhý zobrazuje číslo, když je úkol počítání dokončen. Každý úkol trvá 1,333 sekundy.

Krok 2: Implementace programu GreenPAK Designer

SLG46533 má mnoho univerzálních kombinovaných funkčních makrobuněk a lze je konfigurovat jako vyhledávací tabulky, čítače nebo D-žabky. Díky této modularitě je GreenPAK vhodný pro aplikaci.

Program má 3 stupně: stupeň (1) generuje periodický digitální signál pro přepínání mezi 2 úkoly systému, stupeň (2) počítá impulsy snímače průtoku a stupeň (3) zobrazuje zlomkové číslo.

Krok 3: První fáze: Přepínání počítání/zobrazení

Je vyžadován digitální výstup „COUNT/DISP-OUT“, který každých 1,333 sekundy mění stav mezi vysokou a nízkou. Když je vysoký, systém počítá impulsy a když je nízký, zobrazuje započítaný výsledek. Toho lze dosáhnout pomocí kabelů DFF0, CNT1 a OSC0, jak je znázorněno na obrázku 2.

Frekvence OSC0 je 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 je konfigurován jako čítač a jeho hodinový vstup je připojen k CLK/4 tak, aby vstupní taktovací frekvence CNT1 byla 6,25 kHz. Pro první časové období, které trvá, jak je uvedeno v rovnici 1, je výstup CNT1 vysoký a od stoupající hrany signálu dalších hodin je výstup čítače nízký a CNT1 začne snižovat od 8332. Když data CNT1 dosáhnou 0, nový puls na výstupu CNT1 je vygenerováno. Na každé stoupající hraně výstupu CNT1 výstup DFF0 změní stav, pokud je nízký, přepne na vysoký a naopak.

Polarita výstupu DFF0 by měla být nakonfigurována jako invertovaná. CNT1 je nastaveno na 8332, protože doba T/count je stejná, jak je uvedeno v rovnici 2.

Krok 4: Druhá fáze: Počítání vstupních impulsů

4-bitový čítač je vyroben pomocí DFF3/4/5/6, jak je znázorněno na obrázku 4. Tento čítač se zvyšuje na každém impulsu pouze tehdy, když je „COUNT/DISP-IN“, což je PIN 9, vysoký. Vstupy AND brány 2-L2 jsou „COUNT/DISP-IN“a vstup PWM. Počitadlo se vynuluje, když dosáhne 10 nebo když začne fáze počítání. 4bitový čítač se resetuje, když jsou piny RESET DFF, které jsou připojeny ke stejné síti „RESET“, nízké.

4bitový LUT2 se používá k vynulování čítače, když dosáhne 10. Protože jsou výstupy DFF invertovány, čísla jsou definována invertováním všech bitů jejich binárních reprezentací: záměna 0 s za 1 s a naopak. Tato reprezentace se nazývá 1 doplněk binárního čísla. 4bitové vstupy LUT2 IN0, IN1, IN2 a IN3 jsou připojeny k a0, a1, a2, a3 a a3. Pravdivostní tabulka pro 4-LUT2 je uvedena v tabulce 1.

Když je zaregistrováno 10 impulsů, výstup 4-LUT0 se přepne z vysokého na nízký. V tomto okamžiku se výstup CNT6/DLY6, nakonfigurovaný pro práci v režimu jednoho výstřelu, přepne na nízkou úroveň po dobu 90 ns a poté se znovu zapne. Podobně, když se „COUNT/DISP-IN“přepne z nízké na vysokou, to znamená. systém začne počítat impulsy. Výstup CNT5/DLY5, nakonfigurovaný pro práci v režimu jednoho záběru, se po dobu 90 ns přepne příliš nízko a poté se znovu zapne. Je klíčové na chvíli udržet tlačítko RESET na nízké úrovni a znovu jej zapnout pomocí CNT5 a CNT6, aby měl všechny DFF čas na reset. Zpoždění 90 ns nemá žádný vliv na přesnost systému, protože maximální frekvence signálu PWM je 225 Hz. Výstupy CNT5 a CNT6 jsou připojeny ke vstupům brány AND, která vydává signál RESET.

Výstup 4-LUT2 je také připojen k pinu 4, označenému „F/10-OUT“, který bude připojen ke vstupu PWM dalšího stupně počítání čipu. Pokud je například „PWM-IN“zařízení pro zlomkové počítání připojeno k výstupu PWM senzoru a jeho „F/10-OUT“je připojeno k „PWM-IN“zařízení pro počítání jednotek a „ F/10-OUT "posledně uvedeného je připojen k" PWM-IN "zařízení pro počítání desítek a tak dále. „COUNT/DISP-IN“všech těchto stupňů by mělo být připojeno ke stejnému „COUNT/DISP-OUT“jakéhokoli ze 3 zařízení pro zařízení pro zlomkové počítání.

Obrázek 5 podrobně vysvětluje, jak tato fáze funguje, a ukazuje, jak změřit průtok 1,5 litru za minutu.

Krok 5: Třetí fáze: Zobrazení naměřené hodnoty

Tato fáze má vstupy: a0, a1, a2 a a3 (obrácené) a bude vystupovat na piny připojené k 7segmentovému displeji. Každý segment má logickou funkci, kterou mají provést dostupné LUT. 4bitové LUT mohou tuto práci dělat velmi snadno, ale bohužel je k dispozici pouze 1. Pro segment G se používá 4bitová LUT0, ale pro ostatní segmenty jsme použili dvojici 3bitových LUT, jak ukazuje obrázek 6. Nejlevnější 3bitové LUT mají a2/a1/a0 připojené ke svým vstupům, zatímco úplně vpravo 3bitové LUT mají a3 připojené ke svým vstupům.

Všechny vyhledávací tabulky lze odvodit ze 7-segmentové pravdivostní tabulky dekodéru uvedené v tabulce 2. Jsou uvedeny v tabulce 3, tabulce 4, tabulce 5, tabulce 6, tabulce 7, tabulce 8, tabulce 9.

Ovládací piny GPIO, které ovládají 7segmentový displej, jsou připojeny k „COUNT/DISP-IN“přes měnič jako výstupy, když je „COUNT/DISP-IN“nízké, což znamená, že zobrazení se mění pouze během úlohy zobrazení. Během úlohy počítání jsou proto displeje VYPNUTÉ a během úlohy zobrazují počítané impulzy.

Někde na 7segmentovém displeji může být potřeba indikátor desetinné čárky. Z tohoto důvodu je PIN5, označený „DP-OUT“, připojen k obrácené síti „COUNT/DISP“a připojíme jej k DP příslušného displeje. V naší aplikaci potřebujeme zobrazit desetinnou čárku zařízení pro počítání jednotek, abychom zobrazovali čísla ve formátu "xx.x", poté připojíme "DP-OUT" zařízení pro počítání jednotek ke vstupu DP 7- segmentový displej a ostatní necháváme nepřipojené.

Krok 6: Implementace hardwaru

Obrázek 7 ukazuje propojení mezi 3 čipy GreenPAK a připojení každého čipu k jeho odpovídajícímu displeji. Výstup desítkové čárky zařízení GreenPAK je připojen ke vstupu DP 7segmentového displeje a zobrazuje průtok ve správném formátu s rozlišením 0,1 litru za minutu. Vstup PWM čipu LSB je připojen k výstupu PWM snímače průtoku vody. Výstupy F/10 obvodů jsou připojeny ke vstupům PWM následujícího čipu. U snímačů s vyššími průtoky a/nebo větší přesností lze kaskádovat více čipů a připojit více číslic.

Krok 7: Výsledky

K testování systému jsme vytvořili jednoduchou desku plošných spojů, která má konektory pro připojení zásuvek GreenPAK pomocí 20kolíkových dvouřadých zásuvkových zásuvek. Schéma a rozvržení této DPS a také fotografie jsou uvedeny v příloze.

Systém byl nejprve testován na Arduinu, který simuluje snímač průtoku a zdroj vody s konstantním známým průtokem generováním impulzů při 225 Hz, což odpovídá průtoku 30 litrů za minutu. Výsledek měření byl roven 29,7 litru za minutu, chyba je asi 1 %.

Druhý test byl proveden se snímačem průtoku vody a domácím zdrojem vody. Měření při různých průtocích bylo 4,5 a 12,4.

Závěr

Tento Instructable ukazuje, jak pomocí Dialog SLG46533 postavit malý, levný a přesný průtokoměr. Díky GreenPAK je tento design menší, jednodušší a snadněji se vytváří než srovnatelná řešení.

Náš systém dokáže měřit průtok až 30 litrů / minutu s rozlišením 0,1 litru, ale k měření vyšších průtoků s vyšší přesností v závislosti na průtokovém senzoru můžeme použít více přístrojů GreenPAK. Systém Dialog GreenPAK může pracovat s celou řadou průtokoměrů turbíny.

Navrhované řešení bylo navrženo pro měření průtoku vody, ale může být přizpůsobeno pro použití s jakýmkoli snímačem, který vydává signál PWM, jako je snímač průtoku plynu.