Com crear un mesurador de cabal d’aigua: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Es pot fabricar fàcilment un mesurador de cabal de líquid precís, petit i de baix cost mitjançant components GreenPAK ™. En aquest manual es presenta un mesurador de cabal d’aigua que mesura contínuament el cabal d’aigua i el mostra en tres pantalles de 7 segments. El rang de mesura del sensor de cabal és d’1 a 30 litres per minut. La sortida del sensor és un senyal digital PWM amb una freqüència proporcional al cabal d’aigua.

Tres IC de matriu de senyals mixtes programables GreenPAK SLG46533 IC compten el nombre d’impulsos dins d’un temps base T. Aquest temps base es calcula de manera que el nombre d’impulsos sigui igual al cabal en aquest període, llavors aquest nombre calculat es mostrarà a la 7 - pantalles de segment. La resolució és de 0,1 litres / min.

La sortida del sensor està connectada a una entrada digital amb el disparador Schmitt d’una primera matriu de senyal mixta que compta el nombre fraccionari. Els xips es col·loquen en cascada mitjançant una sortida digital, que es connecta a una entrada digital d’una matriu de senyals mixtes. Cada dispositiu està connectat a una pantalla de càtode comú de 7 segments mitjançant 7 sortides.

L’ús d’una matriu de senyals mixtes programable de GreenPAK és preferible a moltes altres solucions, com ara microcontroladors i components discrets. En comparació amb un microcontrolador, un GreenPAK és de menor cost, més petit i més fàcil de programar. En comparació amb un disseny de circuits integrats de lògica discreta, també és més baix, és més fàcil de construir i és més petit.

Per fer aquesta solució comercialment viable, el sistema ha de ser el més petit possible i estar tancat dins d’un recinte impermeable i dur perquè sigui resistent a l’aigua, la pols, el vapor i altres factors perquè pugui funcionar en diverses condicions.

Per provar el disseny es va construir un PCB senzill. Els dispositius GreenPAK es connecten a aquest PCB mitjançant connectors de capçal femení de 20 fileres de dues fileres.

Les proves es fan per primera vegada mitjançant impulsos generats per un Arduino i en un segon temps es va mesurar el cabal d’aigua d’una font d’aigua domèstica. El sistema ha mostrat una precisió del 99%.

Descobriu tots els passos necessaris per comprendre com s’ha programat el xip GreenPAK per controlar el mesurador de cabal d’aigua. Tot i això, si només voleu obtenir el resultat de la programació, descarregueu-vos el programari GreenPAK per veure el fitxer de disseny GreenPAK ja completat. Connecteu el kit de desenvolupament GreenPAK a l’ordinador i premeu el programa per crear un CI personalitzat per controlar el vostre mesurador de cabal d’aigua. Seguiu els passos que es descriuen a continuació si esteu interessats en entendre com funciona el circuit.

Pas 1: Descripció general del sistema

Una de les maneres més comunes de mesurar el cabal del líquid és exactament com el principi de mesurar la velocitat del vent mitjançant un anemòmetre: la velocitat del vent és proporcional a la velocitat de rotació de l’anemòmetre. La part principal d’aquest tipus de sensor de cabal és una mena de giravants, la velocitat del qual és proporcional al cabal de líquid que el travessa.

Hem utilitzat el sensor de cabal d’aigua YF-S201 de la firma URUK que es mostra a la figura 1. En aquest sensor, un sensor d’efecte Hall muntat a la roda dentada emet un pols a cada revolució. La freqüència del senyal de sortida es presenta a la Fórmula 1, on Q és el cabal d’aigua en litres / minut.

Per exemple, si el cabal mesurat és d'1 litre / minut, la freqüència del senyal de sortida és de 7,5 Hz. Per tal de mostrar el valor real del cabal en el format 1,0 litre / minut, hem de comptar els impulsos durant un temps d'1,333 segons. A l'exemple d'1,0 litres / minut, el resultat comptat serà 10, que es mostrarà com a 01.0 a les pantalles de set segments. En aquesta aplicació s’aborden dues tasques: la primera és comptar els impulsos i la segona mostra el número quan s’ha completat la tasca. Cada tasca dura 1.333 segons.

Pas 2: implementació del dissenyador GreenPAK

El SLG46533 té moltes macrocèl·lules de funcions de combinació versàtils i es poden configurar com a Taules de cerca, comptadors o D-Flip-Flops. Aquesta modularitat és la que fa que GreenPAK sigui adequat per a l’aplicació.

El programa té 3 etapes: l’etapa (1) genera un senyal digital periòdic per canviar entre les dues tasques del sistema, l’etapa (2) compta els impulsos del sensor de flux i l’etapa (3) mostra el nombre fraccionari.

Pas 3: Primera etapa: Compte / Visualització de commutació

Es necessita una sortida digital "COUNT / DISP-OUT" que canviï l'estat entre alt i baix cada 1.333 segons. Quan és alt, el sistema compta els impulsos i, quan és baix, mostra el resultat comptat. Això es pot aconseguir mitjançant cables DFF0, CNT1 i OSC0, tal com es mostra a la figura 2.

La freqüència d’OSC0 és de 25 kHz. CNT1 / DLY1 / FSM1 es configura com un comptador i la seva entrada de rellotge està connectada a CLK / 4 de manera que la freqüència de rellotge d’entrada de CNT1 és de 6,25 kHz. Per al primer període de rellotge que dura tal com es mostra a l’equació 1, la sortida CNT1 és alta i, a partir del límit ascendent del senyal del rellotge següent, la sortida del comptador és baixa i CNT1 comença a disminuir a partir de 8332. Quan les dades CNT1 arriben a 0, es produeix un nou impuls a la sortida CNT1. generat. A cada vora ascendent de la sortida CNT1, la sortida DFF0 canvia l'estat, si canvia a alta i viceversa.

La polaritat de sortida de DFF0 s’ha de configurar com a invertida. CNT1 està definit a 8332 perquè el temps de recompte / visualització T és igual que es mostra a l’equació 2.

Pas 4: segona fase: recompte de pulsacions d'entrada

Es fa un comptador de 4 bits mitjançant DFF3 / 4/5/6, tal com es mostra a la figura 4. Aquest comptador augmenta en cada impuls només quan “COUNT / DISP-IN”, que és el PIN 9, és alt. Les entrades 2-L2 de la porta AND són "COUNT / DISP-IN" i l'entrada PWM. El comptador es restableix quan arriba a 10 o quan comença la fase de recompte. El comptador de 4 bits es restableix quan els pins DFFs RESET, que estan connectats a la mateixa xarxa “RESET”, són baixos.

El LUT2 de 4 bits s’utilitza per restablir el comptador quan arriba a 10. Atès que les sortides DFF s’inverteixen, els números es defineixen invertint tots els bits de les seves representacions binàries: canviant 0 per 1 i viceversa. Aquesta representació s’anomena complement 1 de nombre binari. Les entrades LUT2 de 4 bits IN0, IN1, IN2 i IN3 estan connectades a a0, a1, a2, a3 i a3 respectivament. La taula de veritat per a 4-LUT2 es mostra a la taula 1.

Quan es registren 10 polsos, la sortida del 4-LUT0 canvia de més alt a més baix. En aquest moment, la sortida de CNT6 / DLY6, configurada per funcionar en un mode de tret, canvia a mínim durant un període de 90 ns i es torna a engegar. De la mateixa manera, quan "COUNT / DISP-IN" canvia de menor a major, és a dir. el sistema comença a comptar els impulsos. La sortida de CNT5 / DLY5, configurada per funcionar en un mode de tret, commuta massa baixa durant un període de 90 ns i després s’encén de nou. És fonamental mantenir el botó RESET a un nivell baix durant un temps i tornar-lo a engegar mitjançant CNT5 i CNT6 per donar temps a que es restableixin tots els DFF. Un retard de 90 ns no té cap impacte en la precisió del sistema, ja que la freqüència màxima del senyal PWM és de 225 Hz. Les sortides CNT5 i CNT6 estan connectades a les entrades de la porta AND que emet el senyal RESET.

La sortida del 4-LUT2 també està connectada al pin 4, etiquetat com a "F / 10-OUT", que es connectarà a l’entrada PWM de la següent etapa de comptatge del xip. Per exemple, si "PWM-IN" del dispositiu de recompte fraccionari està connectat a la sortida PWM del sensor i el seu "F / 10-OUT" està connectat al "PWM-IN" del dispositiu de recompte d'unitats i al " F / 10-OUT "d'aquest últim està connectat al" PWM-IN "del dispositiu de comptatge de desenes, etc. El "COMPTE / DISP-IN" de totes aquestes etapes s'hauria de connectar al mateix "COUNT / DISP-OUT" de qualsevol dels 3 dispositius del dispositiu de comptatge fraccionari.

La figura 5 explica detalladament el funcionament d’aquesta etapa i mostra com mesurar un cabal d’1,5 litres / minut.

Pas 5: tercera fase: mostrar el valor mesurat

Aquesta etapa té com a entrades: a0, a1, a2 i a3 (invertida), i sortirà als pins connectats a la pantalla de 7 segments. Cada segment té una funció lògica que poden fer els LUT disponibles. Els LUT de 4 bits poden fer la feina molt fàcilment, però malauradament només n'hi ha 1 disponibles. El LUT0 de 4 bits s’utilitza per al segment G, però per als altres segments hem utilitzat un parell de LUT de 3 bits tal com es mostra a la figura 6. Els LUT de 3 bits més a l’esquerra tenen a2 / a1 / a0 connectat a les seves entrades, mentre que el més a la dreta Els LUT de 3 bits tenen a3 connectats a les seves entrades.

Totes les taules de cerca es poden deduir de la taula de veritat del descodificador de 7 segments que es mostra a la taula 2. Es presenten a la taula 3, taula 4, taula 5, taula 6, taula 7, taula 8, taula 9.

Els pins de control dels GPIO que controlen la pantalla de 7 segments es connecten a "COUNT / DISP-IN" mitjançant un inversor com a sortides quan "COUNT / DISP-IN" és baix, cosa que significa que la pantalla només es canvia durant la tasca de visualització. Per tant, durant la tasca de recompte, les pantalles estan DESACTIVADES i durant la tasca de visualització mostren els impulsos comptats.

És possible que calgui un indicador de punt decimal en algun lloc de la pantalla de 7 segments. Per aquest motiu, el PIN5, anomenat "DP-OUT", està connectat a la xarxa "COUNT / DISP" invertida i el connectem al DP de la pantalla corresponent. A la nostra aplicació hem de mostrar el punt decimal del dispositiu de recompte d’unitats per mostrar números en el format "xx.x", i després connectarem "DP-OUT" del dispositiu de recompte de la unitat a l'entrada DP de la mostra el segment i deixem els altres sense connexió.

Pas 6: Implementació de maquinari

La figura 7 mostra la interconnexió entre els 3 xips GreenPAK i les connexions de cada xip a la pantalla corresponent. La sortida de punt decimal del GreenPAK connecta l’entrada DP de la pantalla de 7 segments per mostrar el cabal en el format correcte, amb una resolució de 0,1 litres / minut. L'entrada PWM del xip LSB està connectada a la sortida PWM del sensor de flux d'aigua. Les sortides F / 10 dels circuits estan connectades a les entrades PWM del següent xip. Per als sensors amb cabals més elevats i / o major precisió, es poden posar en cascada més xips per afegir més dígits.

Pas 7: Resultats

Per provar el sistema, hem creat un PCB senzill que té connectors per connectar endolls GreenPAK mitjançant capçals femella de 20 filats de doble fil. L'esquema i el disseny d'aquest PCB, així com les fotos, es presenten a l'Apèndix.

El sistema es va provar primer amb un Arduino que simula un sensor de cabal i una font d’aigua amb un cabal constant i conegut generant polsos a 225 Hz que corresponen a un cabal de 30 litres / minut respectivament. El resultat de la mesura va ser igual a 29,7 litres / minut, l’error és de l’1% aproximadament.

La segona prova es va fer amb el sensor de cabal d’aigua i una font d’aigua domèstica. La mesura a diferents cabals va ser de 4,5 i 12,4.

Conclusió

Aquest instructiu mostra com construir un mesurador de cabal petit, de baix cost i precís mitjançant un Dialog SLG46533. Gràcies a GreenPAK, aquest disseny és més petit, senzill i fàcil de crear que solucions comparables.

El nostre sistema pot mesurar un cabal de fins a 30 litres / minut amb una resolució de 0,1 litres, però podem utilitzar més GreenPAK per mesurar cabals més alts amb una precisió més alta en funció del sensor de cabal. Un sistema basat en Dialog GreenPAK pot funcionar amb una àmplia gamma de comptadors de cabal de turbina.

La solució suggerida es va dissenyar per mesurar el cabal de l’aigua, però es pot adaptar per utilitzar-la amb qualsevol sensor que emeti un senyal PWM, com un sensor de cabal de gas.