Πώς να δημιουργήσετε ένα μετρητή ροής νερού: 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Ένας ακριβής, μικρός και χαμηλού κόστους μετρητής ροής υγρού μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας εξαρτήματα GreenPAK. Σε αυτό το Instructable παρουσιάζουμε έναν μετρητή ροής νερού που μετρά συνεχώς τη ροή νερού και την εμφανίζει σε τρεις οθόνες 7 τμημάτων. Το εύρος μέτρησης του αισθητήρα ροής είναι από 1 έως 30 λίτρα ανά λεπτό. Η έξοδος του αισθητήρα είναι ένα ψηφιακό σήμα PWM με συχνότητα ανάλογη του ρυθμού ροής του νερού.

Τρία GreenPAK προγραμματιζόμενα Μικτά σήματα Matrix SLG46533 IC μετρούν τον αριθμό των παλμών μέσα σε ένα χρόνο βάσης T. Αυτός ο βασικός χρόνος υπολογίζεται έτσι ώστε ο αριθμός των παλμών να είναι ίσος με τον ρυθμό ροής σε εκείνη την περίοδο, τότε αυτός ο υπολογισμένος αριθμός εμφανίζεται στο 7 -εμφανίζει τμήματα. Η ανάλυση είναι 0,1 λίτρα/λεπτό.

Η έξοδος του αισθητήρα συνδέεται με μια ψηφιακή είσοδο με σκανδάλη Schmitt μιας πρώτης μήτρας Μικτού σήματος που μετρά τον κλασματικό αριθμό. Τα τσιπ συνδέονται καταρρακτωμένα μέσω μιας ψηφιακής εξόδου, η οποία συνδέεται με μια ψηφιακή είσοδο μιας υπό εξέλιξη μήτρας Μικτού σήματος. Κάθε συσκευή συνδέεται με μια κοινή οθόνη καθόδου 7 τμημάτων μέσω 7 εξόδων.

Η χρήση μιας μήτρας προγραμματιζόμενου μικτού σήματος GreenPAK είναι προτιμότερη από πολλές άλλες λύσεις, όπως μικροελεγκτές και διακριτά εξαρτήματα. Σε σύγκριση με έναν μικροελεγκτή, ένα GreenPAK είναι χαμηλότερου κόστους, μικρότερο και πιο εύκολο στον προγραμματισμό. Σε σύγκριση με ένα διακριτό σχεδιασμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, είναι επίσης χαμηλότερο κόστος, ευκολότερη κατασκευή και μικρότερο.

Για να καταστεί αυτή η λύση εμπορικά βιώσιμη, το σύστημα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο και να περικλείεται μέσα σε ένα αδιάβροχο, σκληρό περίβλημα για να είναι ανθεκτικό στο νερό, τη σκόνη, τον ατμό και άλλους παράγοντες, ώστε να μπορεί να λειτουργεί σε διάφορες συνθήκες.

Για τη δοκιμή του σχεδιασμού κατασκευάστηκε ένα απλό PCB. Οι συσκευές GreenPAK είναι συνδεδεμένες σε αυτό το PCB χρησιμοποιώντας θηλυκές συνδέσεις κεφαλίδας 20 ακίδων διπλών σειρών.

Οι δοκιμές γίνονται για πρώτη φορά χρησιμοποιώντας παλμούς που παράγονται από ένα Arduino και σε μια δεύτερη φορά μετράται ο ρυθμός ροής νερού μιας οικιακής πηγής νερού. Το σύστημα έχει δείξει ακρίβεια 99%.

Ανακαλύψτε όλα τα βήματα που απαιτούνται για να κατανοήσετε πώς το τσιπ GreenPAK έχει προγραμματιστεί για τον έλεγχο του μετρητή ροής νερού. Ωστόσο, εάν θέλετε απλώς να λάβετε το αποτέλεσμα προγραμματισμού, κατεβάστε το λογισμικό GreenPAK για να δείτε το ήδη ολοκληρωμένο GreenPAK Design File. Συνδέστε το GreenPAK Development Kit στον υπολογιστή σας και πατήστε το πρόγραμμα για να δημιουργήσετε το προσαρμοσμένο IC για τον έλεγχο του μετρητή ροής νερού. Ακολουθήστε τα βήματα που περιγράφονται παρακάτω, εάν ενδιαφέρεστε να καταλάβετε πώς λειτουργεί το κύκλωμα.

Βήμα 1: Συνολική περιγραφή του συστήματος

Ένας από τους πιο συνηθισμένους τρόπους μέτρησης της παροχής υγρού είναι ακριβώς όπως η αρχή της μέτρησης της ταχύτητας του ανέμου με ένα ανεμόμετρο: η ταχύτητα του ανέμου είναι ανάλογη με την ταχύτητα περιστροφής του ανεμόμετρου. Το κύριο μέρος αυτού του τύπου αισθητήρα ροής είναι ένα είδος τροχού, του οποίου η ταχύτητα είναι ανάλογη με την παροχή υγρού που διέρχεται από αυτόν.

Χρησιμοποιήσαμε τον αισθητήρα ροής νερού YF-S201 από την εταιρεία URUK που φαίνεται στο Σχήμα 1. Σε αυτόν τον αισθητήρα, ένας αισθητήρας Hall Effect τοποθετημένος στον τροχό βγάζει έναν παλμό με κάθε περιστροφή. Η συχνότητα σήματος εξόδου παρουσιάζεται στον τύπο 1, όπου Q είναι ο ρυθμός ροής νερού σε λίτρα/λεπτό.

Για παράδειγμα, εάν ο μετρημένος ρυθμός ροής είναι 1 λίτρο/λεπτό, η συχνότητα σήματος εξόδου είναι 7,5 Hz. Για να εμφανιστεί η πραγματική τιμή της ροής με τη μορφή 1,0 λίτρα/λεπτό, πρέπει να μετρήσουμε τους παλμούς για χρόνο 1,333 δευτερολέπτων. Στο παράδειγμα 1,0 λίτρα/λεπτό, το καταμετρημένο αποτέλεσμα θα είναι 10, το οποίο θα εμφανίζεται ως 01.0 στις οθόνες των επτά τμημάτων. Δύο εργασίες αντιμετωπίζονται σε αυτήν την εφαρμογή: η πρώτη είναι η μέτρηση των παλμών και η δεύτερη εμφανίζει τον αριθμό όταν ολοκληρωθεί η εργασία καταμέτρησης. Κάθε εργασία διαρκεί 1,333 δευτερόλεπτα.

Βήμα 2: Εφαρμογή σχεδιαστή GreenPAK

Το SLG46533 έχει πολλά ευέλικτα συνδυαστικά μακροκύτταρα και μπορούν να διαμορφωθούν ως Αναζητήστε πίνακες, μετρητές ή D-Flip-Flops. Αυτή η αρθρωτότητα είναι αυτό που καθιστά το GreenPAK κατάλληλο για την εφαρμογή.

Το πρόγραμμα έχει 3 στάδια: το στάδιο (1) δημιουργεί ένα περιοδικό ψηφιακό σήμα για εναλλαγή μεταξύ των δύο εργασιών του συστήματος, το στάδιο (2) μετρά τους παλμούς του αισθητήρα ροής και το στάδιο (3) εμφανίζει τον κλασματικό αριθμό.

Βήμα 3: Πρώτο στάδιο: Αλλαγή καταμέτρησης/εμφάνισης

Απαιτείται ψηφιακή έξοδος "COUNT/DISP-OUT" που αλλάζει την κατάσταση μεταξύ υψηλού και χαμηλού κάθε 1,333 δευτερόλεπτα. Όταν είναι υψηλό, το σύστημα μετρά παλμούς και όταν χαμηλά εμφανίζει το μετρημένο αποτέλεσμα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας ενσύρματα DFF0, CNT1 και OSC0 όπως φαίνεται στο σχήμα 2.

Η συχνότητα του OSC0 είναι 25 kHz. Το CNT1/DLY1/FSM1 έχει ρυθμιστεί ως μετρητής και η είσοδος ρολογιού του συνδέεται με το CLK/4 έτσι ώστε η συχνότητα του ρολογιού εισόδου του CNT1 να είναι 6,25 kHz. Για την πρώτη περίοδο ρολογιού που διαρκεί όπως φαίνεται στην Εξίσωση 1, η έξοδος CNT1 είναι υψηλή και από το σήμα του επόμενου ρολογιού που αυξάνεται, η έξοδος μετρητή είναι χαμηλή και η CNT1 αρχίζει να μειώνεται από 8332. Όταν τα δεδομένα CNT1 φτάσουν στο 0, ένας νέος παλμός στην έξοδο CNT1 είναι δημιουργούνται. Σε κάθε ανερχόμενο άκρο της εξόδου CNT1, η έξοδος DFF0 αλλάζει την κατάσταση, αν χαμηλή μεταβαίνει σε υψηλή και αντίστροφα.

Η πολικότητα εξόδου του DFF0 πρέπει να διαμορφωθεί ως ανεστραμμένη. Το CNT1 έχει οριστεί σε 8332 επειδή ο χρόνος μέτρησης/εμφάνισης Τ είναι ίσος με αυτόν που φαίνεται στην Εξίσωση 2.

Βήμα 4: Δεύτερο στάδιο: Καταμέτρηση παλμών εισόδου

Ένας μετρητής 4 bit κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας DFF3/4/5/6, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Αυτός ο μετρητής αυξάνεται σε κάθε παλμό μόνο όταν το "COUNT/DISP-IN", το οποίο είναι PIN 9, είναι υψηλό. Οι είσοδοι AND gate 2-L2 είναι "COUNT/DISP-IN" και η είσοδος PWM. Ο μετρητής επαναφέρεται όταν φτάσει το 10 ή όταν ξεκινήσει η φάση καταμέτρησης. Ο μετρητής 4-bit επαναφέρεται όταν οι ακίδες DFF RESET, οι οποίες είναι συνδεδεμένες στο ίδιο δίκτυο "RESET", είναι χαμηλές.

Το 4-bit LUT2 χρησιμοποιείται για την επαναφορά του μετρητή όταν φτάσει το 10. Δεδομένου ότι οι έξοδοι DFF αντιστρέφονται, οι αριθμοί ορίζονται με την αναστροφή όλων των δυαδικών δυαδικών αναπαραστάσεών τους: εναλλαγή 0s με 1s και αντίστροφα. Αυτή η αναπαράσταση ονομάζεται συμπλήρωμα δυαδικού αριθμού 1. Οι 4-bit είσοδοι LUT2 IN0, IN1, IN2 και IN3 συνδέονται με a0, a1, a2, a3 και a3 αντίστοιχα. Ο πίνακας αλήθειας για το 4-LUT2 φαίνεται στον Πίνακα 1.

Όταν καταγράφονται 10 παλμοί, η έξοδος του 4-LUT0 αλλάζει από υψηλή σε χαμηλή. Σε αυτό το σημείο, η έξοδος του CNT6/DLY6, που έχει ρυθμιστεί να λειτουργεί σε μία λειτουργία λήψης, αλλάζει σε χαμηλή τιμή για περίοδο 90 ns και μετά ενεργοποιείται ξανά. Ομοίως, όταν το "COUNT/DISP-IN" αλλάζει από χαμηλό σε υψηλό, δηλαδή. το σύστημα αρχίζει να μετρά παλμούς. Η έξοδος του CNT5/DLY5, διαμορφωμένη να λειτουργεί σε μία λειτουργία λήψης, αλλάζει πολύ χαμηλά για περίοδο 90 ns και μετά ενεργοποιείται ξανά. Είναι ζωτικής σημασίας να διατηρήσετε το κουμπί RESET σε χαμηλό επίπεδο για λίγο και να το ενεργοποιήσετε ξανά χρησιμοποιώντας CNT5 και CNT6 για να δώσετε χρόνο για επαναφορά όλων των DFF. Μια καθυστέρηση 90 ns δεν επηρεάζει την ακρίβεια του συστήματος αφού η μέγιστη συχνότητα του σήματος PWM είναι 225 Hz. Οι έξοδοι CNT5 και CNT6 συνδέονται με εισόδους της πύλης AND που εξάγει το σήμα RESET.

Η έξοδος του 4-LUT2 συνδέεται επίσης με το Pin 4, με την ένδειξη "F/10-OUT", το οποίο θα συνδεθεί με την είσοδο PWM του σταδίου καταμέτρησης του επόμενου τσιπ. Για παράδειγμα, εάν το "PWM-IN" της κλασματικής συσκευής μέτρησης είναι συνδεδεμένο στην έξοδο PWM του αισθητήρα και το "F/10-OUT" του είναι συνδεδεμένο στο "PWM-IN" της συσκευής μέτρησης μονάδων και Το F/10-OUT "του τελευταίου συνδέεται με το" PWM-IN "της συσκευής μέτρησης δεκάδων και ούτω καθεξής. Το "COUNT/DISP-IN" όλων αυτών των σταδίων πρέπει να συνδέεται με το ίδιο "COUNT/DISP-OUT" οποιασδήποτε από τις 3 συσκευές για τη συσκευή κλασματικής καταμέτρησης.

Το Σχήμα 5 εξηγεί λεπτομερώς πώς λειτουργεί αυτό το στάδιο δείχνοντας πώς να μετράτε ένα ρυθμό ροής 1,5 λίτρων/λεπτό.

Βήμα 5: Τρίτο στάδιο: Εμφάνιση μετρημένης τιμής

Αυτό το στάδιο έχει ως είσοδο: a0, a1, a2 και a3 (αντίστροφα) και θα εξέλθει στις ακίδες που είναι συνδεδεμένες στην οθόνη των 7 τμημάτων. Κάθε τμήμα έχει μια λογική λειτουργία που πρέπει να γίνει από τα διαθέσιμα LUT. Τα 4-bit LUT μπορούν να κάνουν τη δουλειά πολύ εύκολα, αλλά δυστυχώς μόνο 1 είναι διαθέσιμο. Το 4-bit LUT0 χρησιμοποιείται για το τμήμα G, αλλά για τα άλλα τμήματα χρησιμοποιήσαμε ένα ζεύγος LUT 3-bit όπως φαίνεται στο σχήμα 6. Τα αριστερά 3-bit LUT έχουν a2/a1/a0 συνδεδεμένο με τις εισόδους τους, ενώ το πιο δεξί Τα 3-bit LUT έχουν a3 συνδεδεμένο στις εισόδους τους.

Όλοι οι πίνακες αναζήτησης μπορούν να συναχθούν από τον πίνακα αλήθειας αποκωδικοποιητή 7 τμημάτων που παρουσιάζεται στον πίνακα 2. Παρουσιάζονται στον πίνακα 3, πίνακα 4, πίνακα 5, πίνακα 6, πίνακα 7, πίνακα 8, πίνακα 9.

Οι ακίδες ελέγχου των GPIO που ελέγχουν την οθόνη 7 τμημάτων συνδέονται με το "COUNT/DISP-IN" μέσω ενός μετατροπέα ως εξόδους όταν το "COUNT/DISP-IN" είναι χαμηλό, πράγμα που σημαίνει ότι η οθόνη αλλάζει μόνο κατά τη διάρκεια της εργασίας προβολής. Επομένως, κατά την εργασία μέτρησης, οι οθόνες είναι OFF και κατά την εμφάνιση της εργασίας εμφανίζουν τους μετρημένους παλμούς.

Ένας δείκτης δεκαδικών σημείων μπορεί να χρειαστεί κάπου μέσα στην οθόνη των 7 τμημάτων. Για το λόγο αυτό, το PIN5, με την ένδειξη "DP-OUT", συνδέεται στο αντίστροφο δίκτυο "COUNT/DISP" και το συνδέουμε με το DP της αντίστοιχης οθόνης. Στην εφαρμογή μας πρέπει να εμφανίσουμε το δεκαδικό σημείο της μονάδας μέτρησης μονάδων για να εμφανίζονται αριθμοί με τη μορφή "xx.x", στη συνέχεια θα συνδέσουμε το "DP-OUT" της συσκευής μέτρησης μονάδας στην είσοδο DP της μονάδας 7- εμφάνιση τμήματος και αφήνουμε τα άλλα ασύνδετα.

Βήμα 6: Υλοποίηση υλικού

Το σχήμα 7 δείχνει τη διασύνδεση μεταξύ των 3 τσιπ GreenPAK και των συνδέσεων κάθε τσιπ στην αντίστοιχη οθόνη του. Η έξοδος δεκαδικού σημείου του GreenPAK συνδέεται με την είσοδο DP της οθόνης 7 τμημάτων για να εμφανίσει το ρυθμό ροής στη σωστή μορφή, με ανάλυση 0,1 λίτρα / λεπτό. Η είσοδος PWM του τσιπ LSB συνδέεται με την έξοδο PWM του αισθητήρα ροής νερού. Οι έξοδοι F/10 των κυκλωμάτων συνδέονται με τις εισόδους PWM του παρακάτω τσιπ. Για αισθητήρες με υψηλότερους ρυθμούς ροής και/ή μεγαλύτερη ακρίβεια, μπορούν να μπουν περισσότερα τσιπ για να προσθέσουν περισσότερα ψηφία.

Βήμα 7: Αποτελέσματα

Για να δοκιμάσουμε το σύστημα, δημιουργήσαμε ένα απλό PCB το οποίο διαθέτει συνδέσμους για να συνδέσετε τις υποδοχές GreenPAK χρησιμοποιώντας θηλυκές κεφαλίδες διπλής σειράς 20 ακίδων. Το σχήμα και η διάταξη αυτού του PCB καθώς και οι φωτογραφίες παρουσιάζονται στο Παράρτημα.

Το σύστημα δοκιμάστηκε πρώτα με ένα Arduino που προσομοιώνει έναν αισθητήρα ταχύτητας ροής και μια πηγή νερού με σταθερό, γνωστό ρυθμό ροής δημιουργώντας παλμούς στα 225 Hz που αντιστοιχεί σε ρυθμό ροής 30 λίτρα/λεπτό αντίστοιχα. Το αποτέλεσμα της μέτρησης ήταν ίσο με 29,7 λίτρα/λεπτό, το σφάλμα είναι περίπου 1 %.

Η δεύτερη δοκιμή έγινε με τον αισθητήρα ροής νερού και μια πηγή νερού στο σπίτι. Η μέτρηση σε διαφορετικούς ρυθμούς ροής ήταν 4,5 και 12,4.

συμπέρασμα

Αυτό το Instructable δείχνει πώς να φτιάξετε ένα μικρό, χαμηλού κόστους και ακριβή μετρητή ροής χρησιμοποιώντας ένα Dialog SLG46533. Χάρη στο GreenPAK, αυτός ο σχεδιασμός είναι μικρότερος, απλούστερος και ευκολότερος στη δημιουργία από συγκρίσιμες λύσεις.

Το σύστημά μας μπορεί να μετρήσει ένα ρυθμό ροής έως 30 λίτρα / λεπτό με ανάλυση 0,1 λίτρα, αλλά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε περισσότερα GreenPAK για να μετρήσουμε υψηλότερους ρυθμούς ροής με μεγαλύτερη ακρίβεια ανάλογα με τον αισθητήρα ροής. Ένα σύστημα που βασίζεται στο Dialog GreenPAK μπορεί να λειτουργήσει με ένα ευρύ φάσμα μετρητών ροής στροβίλων.

Η προτεινόμενη λύση σχεδιάστηκε για τη μέτρηση του ρυθμού ροής του νερού, αλλά μπορεί να προσαρμοστεί για χρήση με οποιονδήποτε αισθητήρα που εξάγει ένα σήμα PWM, όπως έναν αισθητήρα ροής αερίου.