Sådan opretter du en vandmåler: 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

En præcis, lille og billig væskestrømsmåler kan let laves ved hjælp af GreenPAK ™ -komponenter. I denne instruktionsbog præsenterer vi en vandmåler, der løbende måler vandgennemstrømningen og viser den på tre displays med 7 segmenter. Flow sensor måleområdet er fra 1 til 30 liter i minuttet. Sensorens output er et digitalt PWM -signal med en frekvens, der er proportional med vandstrømningshastigheden.

Tre GreenPAK programmerbare blandede signalmatrix SLG46533 IC'er tæller antallet af pulser inden for en basistid T. Denne basetid beregnes således, at antallet af pulser er lig med strømningshastigheden i denne periode, derefter vises dette beregnede antal på 7 -segment viser. Opløsningen er 0,1 liter/min.

Sensorens output er forbundet til en digital indgang med Schmitt-trigger af en første Mixed-signal Matrix, der tæller brøknummeret. Chipperne kaskades sammen via en digital udgang, som er forbundet til en digital indgang på en fortsat blandet signalmatrix. Hver enhed er forbundet til et 7segment fælles katodeskærm via 7 udgange.

Brug af en GreenPAK programmerbar blandet signalmatrix er at foretrække frem for mange andre løsninger såsom mikrokontrollere og diskrete komponenter. Sammenlignet med en mikrokontroller er en GreenPAK lavere pris, mindre og lettere at programmere. Sammenlignet med et diskret design af integrerede kredsløb er det også lavere omkostninger, lettere at bygge og mindre.

For at gøre denne løsning kommercielt levedygtig skal systemet være så lille som muligt og være lukket inde i et vandtæt, hårdt kabinet for at være modstandsdygtigt over for vand, støv, damp og andre faktorer, så det kan fungere under forskellige forhold.

For at teste designet blev der bygget et simpelt printkort. GreenPAK -enhederne er tilsluttet dette printkort ved hjælp af 20 pins dobbelte rækker kvindelige headerstik.

Test foretages første gang ved hjælp af pulser genereret af en Arduino, og i anden gang blev vandstrømningshastigheden for en hjemmevandskilde målt. Systemet har vist en nøjagtighed på 99%.

Oplev alle de nødvendige trin, forstå hvordan GreenPAK -chippen er programmeret til at styre vandmængdemåler. Men hvis du bare vil få resultatet af programmeringen, skal du downloade GreenPAK -software for at se den allerede gennemførte GreenPAK -designfil. Tilslut GreenPAK Development Kit til din computer, og tryk på programmet for at oprette den brugerdefinerede IC til at styre dit vandflowmåler. Følg trinene beskrevet nedenfor, hvis du er interesseret i at forstå, hvordan kredsløbet fungerer.

Trin 1: Overordnet beskrivelse af systemet

En af de mest almindelige måder at måle væskestrømningshastighed på er nøjagtigt som princippet om måling af vindens hastighed med et vindmåler: vindens hastighed er proportional med vindmålerens rotationshastighed. Hoveddelen af denne type flowmåler er en slags nålhjul, hvis hastighed er proportional med væskestrømningshastigheden, der passerer gennem den.

Vi brugte vandstrømssensoren YF-S201 fra firmaet URUK vist i figur 1. I denne sensor udsender en Hall Effect-sensor, der er monteret på pinhjulet, en puls ved hver omdrejning. Udgangssignalfrekvensen er præsenteret i formel 1, hvor Q er vandgennemstrømningshastighed i liter/minut.

For eksempel, hvis den målte strømningshastighed er 1 liter/minut, er udgangssignalets frekvens 7,5 Hz. For at vise strømningens reelle værdi i formatet 1,0 liter/minut skal vi tælle pulser i tiden 1.333 sekunder. I eksemplet på 1,0 liter/minut vil det tællede resultat være 10, som vil blive vist som 01,0 på de syv segmenter. To opgaver behandles i denne applikation: den første tæller pulser og den anden viser tallet, når tælleopgaven er fuldført. Hver opgave varer 1.333 sekunder.

Trin 2: Implementering af GreenPAK Designer

SLG46533 har mange alsidige kombinationsfunktionsmacroceller, og de kan konfigureres som opslagstabeller, tællere eller D-flip-flops. Denne modularitet er det, der gør GreenPAK velegnet til applikationen.

Programmet har 3 faser: trin (1) genererer et periodisk digitalt signal til at skifte mellem systemets 2 opgaver, trin (2) tæller strømningssensorpulser og trin (3) viser brøknummeret.

Trin 3: Første fase: Tæller/viser skift

En digital udgang “COUNT/DISP-OUT”, der skifter tilstand mellem høj og lav hvert 1.333 sekund er påkrævet. Når det er højt, tæller systemet pulser, og når det er lavt, viser det det optalte resultat. Dette kan opnås ved hjælp af kablet DFF0, CNT1 og OSC0 som vist i figur 2.

Frekvensen af OSC0 er 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 er konfigureret som en tæller, og dens urindgang er forbundet til CLK/4, så CNT1s inputurfrekvens er 6,25 kHz. I den første urperiode, der varer som vist i ligning 1, er CNT1 -output højt, og fra det næste urs signal stiger kant, tællerudgang er lav, og CNT1 begynder at falde fra 8332. Når CNT1 -data når 0, er en ny puls på CNT1 -output genereret. På hver stigende kant af CNT1 -output ændrer DFF0 -output tilstanden, hvis den lav skifter til høj og omvendt.

DFF0s udgangspolaritet skal konfigureres som omvendt. CNT1 er indstillet til 8332, fordi tælle-/visningstid T er lig med som vist i ligning 2.

Trin 4: Anden fase: Tælling af inputpulser

En 4-bit tæller laves ved hjælp af DFF3/4/5/6, som vist i figur 4. Denne tæller øges kun for hver puls, når “COUNT/DISP-IN”, som er PIN 9, er høj. AND-gate 2-L2 indgange er "COUNT/DISP-IN" og PWM input. Tælleren nulstilles, når den når 10, eller når tællefasen starter. 4-bit tælleren nulstilles, når DFFs RESET pins, der er forbundet til det samme netværk "RESET", er lave.

4-bit LUT2 bruges til at nulstille tælleren, når den når 10. Da DFF-udgange er inverterede, defineres tal ved at invertere alle bitene i deres binære repræsentationer: bytte 0s til 1s og omvendt. Denne repræsentation kaldes 1’s komplement af binært tal. 4-bit LUT2-indgange IN0, IN1, IN2 og IN3 er forbundet til henholdsvis a0, a1, a2, a3 og a3. Sandhedstabellen for 4-LUT2 er vist i tabel 1.

Når der registreres 10 impulser, skifter output fra 4-LUT0 fra høj til lav. På dette tidspunkt skifter output fra CNT6/DLY6, der er konfigureret til at fungere i ét skudtilstand, til lavt i en periode på 90 ns og tændes derefter igen. På samme måde, når “COUNT/DISP-IN” skifter fra lav til høj, altså. systemet begynder at tælle pulser. Outputtet fra CNT5/DLY5, der er konfigureret til at fungere i ét optagelsestilstand, skifter for lavt i en periode på 90 ns og tændes derefter igen. Det er afgørende at holde RESET -knappen på et lavt niveau et stykke tid og tænde den igen ved hjælp af CNT5 og CNT6 for at give tid til, at alle DFF'er kan nulstilles. En forsinkelse på 90 ns har ingen indvirkning på systemets nøjagtighed, da PWM -signalets maksimale frekvens er 225 Hz. CNT5- og CNT6 -udgange er forbundet til indgange på AND -porten, der udsender RESET -signalet.

Outputtet fra 4-LUT2 er også forbundet til Pin 4, mærket "F/10-OUT", som vil blive tilsluttet PWM-indgangen i den næste chips tællefase. For eksempel, hvis "PWM-IN" i fraktionstællerenheden er forbundet til sensorens PWM-udgang, og dens "F/10-OUT" er forbundet til "PWM-IN" på enhedens tællerenhed og " F/10-OUT "af sidstnævnte er forbundet til" PWM-IN "for tællertællerenheden og så videre. "COUNT/DISP-IN" af alle disse faser bør forbindes til den samme "COUNT/DISP-OUT" for en hvilken som helst af de 3 enheder til fraktionstællerenheden.

Figur 5 forklarer detaljeret, hvordan dette trin fungerer ved at vise, hvordan man måler en strømningshastighed på 1,5 liter/minut.

Trin 5: Tredje trin: Visning af målt værdi

Dette trin har som indgange: a0, a1, a2 og a3 (omvendt) og udsendes til benene, der er forbundet til 7-segment displayet. Hvert segment har en logisk funktion, der skal udføres af tilgængelige LUT'er. 4-bit LUT'er kan udføre jobbet meget let, men desværre er kun 1 tilgængelig. 4-bit LUT0 bruges til segment G, men for de andre segmenter brugte vi et par 3-bits LUT'er som vist i figur 6. De 3-bit LUT'er længst til venstre har a2/a1/a0 forbundet til deres input, mens den længst til højre 3-bit LUT'er har a3 forbundet til deres indgange.

Alle opslagstabeller kan udledes af den 7-segmenters dekoder sandhedstabel vist i tabel 2. De er præsenteret i tabel 3, tabel 4, tabel 5, tabel 6, tabel 7, tabel 8, tabel 9.

Betjeningspinde på GPIO'er, der styrer 7-segment displayet, er forbundet til "COUNT/DISP-IN" via en inverter som udgange, når "COUNT/DISP-IN" er lav, hvilket betyder, at displayet kun ændres under visningsopgaven. Derfor er displays under tælleopgaven slukket, og under visningsopgave viser de de tællede impulser.

En decimaltegn kan være nødvendig et sted inden for 7-segmentet. Af denne grund er PIN5, mærket "DP-OUT", forbundet til det omvendte "COUNT/DISP" netværk, og vi forbinder det med DP'en på det tilsvarende display. I vores applikation skal vi vise decimalpunktet for enhederne tællerenhed for at vise tal i formatet "xx.x", derefter forbinder vi "DP-OUT" for enhedstællerenheden til DP-indgangen på enhedens 7- segmentvisning, og vi lader de andre være uden forbindelse.

Trin 6: Hardwareimplementering

Figur 7 viser sammenkoblingen mellem de 3 GreenPAK -chips og forbindelser af hver chip til dens tilsvarende display. Decimalpunktsoutput fra GreenPAK er forbundet DP-indgangen på 7-segment displayet for at vise strømningshastighed i det korrekte format med en opløsning på 0,1 liter / minut. PWM -indgangen på LSB -chippen er forbundet til PWM -udgangen på vandstrømssensoren. F/10 -udgange fra kredsløbene er forbundet til PWM -indgange på den følgende chip. For sensorer med højere strømningshastigheder og/eller større nøjagtighed kan flere chips kaskades for at tilføje flere cifre.

Trin 7: Resultater

For at teste systemet byggede vi et simpelt printkort, der har stik til at tilslutte GreenPAK-stik ved hjælp af 20-pins dobbeltrækkede hunoverskrifter. Skemaet og layoutet af dette printkort samt fotos er vist i tillægget.

Systemet blev først testet med en Arduino, der simulerer en flowhastighedsføler og en vandkilde med en konstant, kendt strømningshastighed ved at generere impulser ved 225 Hz, hvilket svarer til en strømningshastighed på henholdsvis 30 liter/minut. Resultatet af målingen var lig med 29,7 liter/minut, fejlen er omkring 1 %.

Den anden test blev foretaget med vandgennemstrømningssensoren og en hjemmevandskilde. Måling ved forskellige strømningshastigheder var 4,5 og 12,4.

Konklusion

Denne instruktionsbog viser, hvordan man bygger en lille, billig og præcis flowmåler ved hjælp af en Dialog SLG46533. Takket være GreenPAK er dette design mindre, enklere og lettere at oprette end sammenlignelige løsninger.

Vores system kan måle en flowhastighed på op til 30 liter / minut med en opløsning på 0,1 liter, men vi kan bruge flere GreenPAK'er til at måle højere flowhastigheder med højere nøjagtighed afhængigt af flowføleren. Et Dialog GreenPAK-baseret system kan fungere med en lang række turbinestrømningsmålere.

Den foreslåede løsning var designet til at måle vandets strømningshastighed, men den kan tilpasses til brug med enhver sensor, der udsender et PWM -signal, ligesom en gasstrømningssensor.