Cum să creați un debitmetru de apă: 7 pași

2025 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2025-01-23 15:04

Un debitmetru de lichid precis, mic și cu cost redus poate fi realizat cu ușurință utilizând componente GreenPAK ™. În acest manual vă prezentăm un debitmetru care măsoară continuu debitul de apă și îl afișează pe trei afișaje cu 7 segmente. Gama de măsurare a senzorului de debit este de la 1 la 30 de litri pe minut. Ieșirea senzorului este un semnal digital PWM cu o frecvență proporțională cu debitul de apă.

Trei IC-uri programabile GreenPAK cu semnal mixt SLG46533 IC contează numărul de impulsuri într-un timp de bază T. Acest timp de bază este calculat astfel încât numărul de impulsuri să fie egal cu debitul în acea perioadă, atunci acest număr calculat este afișat pe 7 -afișaje de segment. Rezoluția este de 0,1 litri / min.

Ieșirea senzorului este conectată la o intrare digitală cu declanșatorul Schmitt al primei matrice de semnal mixt care numără numărul fracțional. Cipurile sunt în cascadă împreună printr-o ieșire digitală, care este conectată la o intrare digitală a unei matrice de semnal mixt de procedură. Fiecare dispozitiv este conectat la un afișaj catod comun de 7 segmente prin 7 ieșiri.

Utilizarea unei matrice de semnal mixt programabile GreenPAK este preferabilă multor alte soluții, cum ar fi microcontrolere și componente discrete. Comparativ cu un microcontroler, un GreenPAK are un cost mai mic, mai mic și mai ușor de programat. În comparație cu un design de circuite integrate logice discrete, este, de asemenea, un cost mai mic, mai ușor de construit și mai mic.

Pentru a face această soluție viabilă din punct de vedere comercial, sistemul trebuie să fie cât mai mic posibil și să fie închis într-o carcasă rezistentă la apă, rezistentă la apă, praf, abur și alți factori, astfel încât să poată funcționa în diferite condiții.

Pentru a testa designul a fost construit un PCB simplu. Dispozitivele GreenPAK sunt conectate la acest PCB folosind conectori antet femelă de 20 de pini cu două rânduri.

Testele se fac pentru prima dată folosind impulsuri generate de un Arduino și, în al doilea timp, a fost măsurat debitul de apă al unei surse de apă de acasă. Sistemul a arătat o precizie de 99%.

Descoperiți toți pașii necesari înțelegeți cum a fost programat cipul GreenPAK pentru a controla debitmetrul de apă. Cu toate acestea, dacă doriți doar să obțineți rezultatul programării, descărcați software-ul GreenPAK pentru a vizualiza fișierul de proiectare GreenPAK deja finalizat. Conectați kitul de dezvoltare GreenPAK la computer și apăsați programul pentru a crea un IC personalizat pentru a vă controla debitmetrul de apă. Urmați pașii descriși mai jos dacă sunteți interesat să înțelegeți cum funcționează circuitul.

Pasul 1: Descrierea generală a sistemului

Una dintre cele mai comune modalități de măsurare a debitului lichid este exact ca principiul măsurării vitezei vântului cu ajutorul unui anemometru: viteza vântului este proporțională cu viteza de rotație a anemometrului. Partea principală a acestui tip de senzor de debit este un fel de rotiță, a cărei viteză este proporțională cu debitul de lichid care trece prin el.

Am folosit senzorul de curgere a apei YF-S201 de la firma URUK prezentată în Figura 1. În acest senzor, un senzor de efect Hall montat pe rotiță scoate un impuls cu fiecare revoluție. Frecvența semnalului de ieșire este prezentată în Formula 1, unde Q este debitul de apă în litri / minut.

De exemplu, dacă debitul măsurat este de 1 litru / minut, frecvența semnalului de ieșire este de 7,5 Hz. Pentru a afișa valoarea reală a debitului în format 1,0 litru / minut, trebuie să numărăm impulsurile pentru un timp de 1,333 secunde. În exemplul de 1,0 litri / minut, rezultatul numărat va fi 10, care va fi afișat ca 01.0 pe afișajele cu șapte segmente. Două sarcini sunt abordate în această aplicație: prima este numărarea impulsurilor și a doua afișează numărul când sarcina de numărare este finalizată. Fiecare sarcină durează 1.333 de secunde.

Pasul 2: Implementarea proiectantului GreenPAK

SLG46533 are multe macrocelule de funcții de combinație versatile și pot fi configurate ca tabele Look up, contoare sau D-Flip-Flops. Această modularitate este ceea ce face GreenPAK potrivit pentru aplicație.

Programul are 3 etape: etapa (1) generează un semnal digital periodic pentru a comuta între cele 2 sarcini ale sistemului, etapa (2) numără impulsurile senzorului de debit și etapa (3) afișează numărul fracțional.

Pasul 3: Prima etapă: Comutarea numărării / afișării

Este necesară o ieșire digitală „COUNT / DISP-OUT” care schimbă starea între înalt și scăzut la fiecare 1.333 de secunde. Când este ridicat, sistemul numără impulsurile și când este redus afișează rezultatul numărat. Acest lucru poate fi realizat folosind cablurile DFF0, CNT1 și OSC0, așa cum se arată în Figura 2.

Frecvența OSC0 este de 25 kHz. CNT1 / DLY1 / FSM1 este configurat ca un contor, iar intrarea sa de ceas este conectată la CLK / 4, astfel încât frecvența de ceas de intrare a CNT1 este de 6,25 kHz. Pentru prima perioadă de ceas care durează așa cum se arată în ecuația 1, ieșirea CNT1 este ridicată și de la marginea crescătoare a semnalului următorului ceas, ieșirea contorului este scăzută și CNT1 începe să scadă de la 8332. Când datele CNT1 ajung la 0, un nou impuls la ieșirea CNT1 este generat. La fiecare margine ascendentă a ieșirii CNT1, ieșirea DFF0 schimbă starea, dacă scade, trece la înalt și invers.

Polaritatea de ieșire a DFF0 trebuie configurată ca inversată. CNT1 este setat la 8332, deoarece timpul de numărare / afișare T este egal așa cum se arată în ecuația 2.

Pasul 4: A doua etapă: numărarea impulsurilor de intrare

Un contor de 4 biți este realizat folosind DFF3 / 4/5/6, așa cum se arată în Figura 4. Acest contor crește pe fiecare impuls numai când „COUNT / DISP-IN”, care este PIN 9, este mare. Intrările AND 2-L2 ale porții sunt „COUNT / DISP-IN” și intrarea PWM. Contorul este resetat când ajunge la 10 sau când începe faza de numărare. Contorul de 4 biți este resetat atunci când pinii DFFs RESET, care sunt conectați la aceeași rețea „RESET”, sunt scăzute.

LUT2 pe 4 biți este utilizat pentru a reseta contorul când ajunge la 10. Deoarece ieșirile DFF sunt inversate, numerele sunt definite prin inversarea tuturor biților reprezentărilor lor binare: schimbarea 0s pentru 1s și invers. Această reprezentare se numește complementul 1 al numărului binar. Intrările LUT2 de 4 biți IN0, IN1, IN2 și IN3 sunt conectate la a0, a1, a2, a3 și respectiv a3. Tabelul adevărului pentru 4-LUT2 este prezentat în Tabelul 1.

Când sunt înregistrate 10 impulsuri, ieșirea 4-LUT0 comută de la mare la scăzut. În acest moment, ieșirea CNT6 / DLY6, configurată pentru a funcționa într-un mod de fotografiere, comută la minim pentru o perioadă de 90 ns, apoi se pornește din nou. La fel, când „COUNT / DISP-IN” trece de la scăzut la ridicat, adică. sistemul începe să numere impulsurile. Ieșirea CNT5 / DLY5, configurată pentru a funcționa într-un mod de fotografiere, comută prea jos pentru o perioadă de 90 ns, apoi se pornește din nou. Este crucial să mențineți butonul RESET la un nivel scăzut pentru o vreme și să îl porniți din nou folosind CNT5 și CNT6 pentru a da timp tuturor resetărilor DFF. O întârziere de 90 ns nu are impact asupra preciziei sistemului, deoarece frecvența maximă a semnalului PWM este de 225 Hz. Ieșirile CNT5 și CNT6 sunt conectate la intrările porții AND care transmite semnalul RESET.

Ieșirea 4-LUT2 este, de asemenea, conectată la pinul 4, etichetat „F / 10-OUT”, care va fi conectat la intrarea PWM din următoarea etapă de numărare a cipului. De exemplu, dacă „PWM-IN” al dispozitivului de numărare fracționată este conectat la ieșirea PWM a senzorului, iar „F / 10-OUT” al acestuia este conectat la „PWM-IN” al dispozitivului de numărare a unităților și „ F / 10-OUT "din acesta din urmă este conectat la" PWM-IN "al dispozitivului de numărare a zecilor și așa mai departe. „COUNT / DISP-IN” din toate aceste etape ar trebui să fie conectat la același „COUNT / DISP-OUT” al oricăruia dintre cele 3 dispozitive pentru dispozitivul de numărare fracționată.

Figura 5 explică în detaliu cum funcționează această etapă, arătând cum se măsoară un debit de 1,5 litri / minut.

Pasul 5: a treia etapă: afișarea valorii măsurate

Această etapă are ca intrări: a0, a1, a2 și a3 (inversat) și va ieși la pinii conectați la afișajul cu 7 segmente. Fiecare segment are o funcție logică care trebuie realizată de LUT-urile disponibile. LUT-urile pe 4 biți pot face treaba foarte ușor, dar din păcate doar 1 este disponibil. LUT0 pe 4 biți este utilizat pentru segmentul G, dar pentru celelalte segmente am folosit o pereche de LUT-uri pe 3 biți, așa cum se arată în Figura 6. Cele mai stabile LUT-uri pe 3 biți au a2 / a1 / a0 conectate la intrările lor, în timp ce cel mai drept LUT-urile pe 3 biți au a3 conectate la intrările lor.

Toate tabelele de căutare pot fi deduse din tabelul de decodare cu 7 segmente prezentat în tabelul 2. Acestea sunt prezentate în tabelul 3, tabelul 4, tabelul 5, tabelul 6, tabelul 7, tabelul 8, tabelul 9.

Pinii de control ai GPIO-urilor care controlează afișajul cu 7 segmente sunt conectați la „COUNT / DISP-IN” printr-un invertor ca ieșiri când „COUNT / DISP-IN” este scăzut, ceea ce înseamnă că afișajul este schimbat numai în timpul activității de afișare. Prin urmare, în timpul sarcinii de numărare, afișajele sunt OPRITE și în timpul afișării sarcinii afișează impulsurile numărate.

Un indicator al punctului zecimal poate fi necesar undeva în afișajul cu 7 segmente. Din acest motiv, PIN5, etichetat „DP-OUT”, este conectat la rețeaua inversă „COUNT / DISP” și îl conectăm la DP-ul afișajului corespunzător. În aplicația noastră trebuie să afișăm punctul zecimal al dispozitivului de numărare a unităților pentru a afișa numerele în formatul "xx.x", apoi vom conecta "DP-OUT" al dispozitivului de numărare a unității la intrarea DP a 7- a unității afișează segmentul și îi lăsăm pe ceilalți neconectați.

Pasul 6: Implementarea hardware-ului

Figura 7 prezintă interconectarea dintre cele 3 cipuri GreenPAK și conexiunile fiecărui cip la afișajul său corespunzător. Ieșirea punctului zecimal al GreenPAK este conectată la intrarea DP a afișajului pe 7 segmente pentru a arăta debitul în formatul corect, cu o rezoluție de 0,1 litri / minut. Intrarea PWM a cipului LSB este conectată la ieșirea PWM a senzorului de debit de apă. Ieșirile F / 10 ale circuitelor sunt conectate la intrările PWM ale următorului cip. Pentru senzorii cu debit mai mare și / sau o precizie mai mare, mai multe cipuri pot fi în cascadă pentru a adăuga mai multe cifre.

Pasul 7: Rezultate

Pentru a testa sistemul, am construit un PCB simplu, care are conectori pentru a conecta prize GreenPAK folosind anteturi femele cu două rânduri cu 20 de pini. Schema și aspectul acestui PCB, precum și fotografiile sunt prezentate în anexă.

Sistemul a fost testat mai întâi cu un Arduino care simulează un senzor de debit și o sursă de apă cu un debit constant, cunoscut prin generarea de impulsuri la 225 Hz, care corespunde unui debit de 30 litri / minut, respectiv. Rezultatul măsurării a fost egal cu 29,7 litri / minut, eroarea este de aproximativ 1%.

Al doilea test a fost făcut cu senzorul debitului de apă și o sursă de apă de acasă. Măsurarea la diferite debituri a fost de 4,5 și 12,4.

Concluzie

Acest Instructable demonstrează cum să construiți un debitmetru mic, cu cost redus și precis, utilizând un Dialog SLG46533. Datorită GreenPAK, acest design este mai mic, mai simplu și mai ușor de creat decât soluțiile comparabile.

Sistemul nostru poate măsura un debit de până la 30 de litri / minut cu o rezoluție de 0,1 litri, dar putem folosi mai multe GreenPAK pentru a măsura debitele mai mari cu o precizie mai mare în funcție de senzorul de debit. Un sistem bazat pe Dialog GreenPAK poate funcționa cu o gamă largă de debitmetre de turbină.

Soluția sugerată a fost concepută pentru a măsura debitul apei, dar poate fi adaptată pentru a fi utilizată cu orice senzor care emite un semnal PWM, cum ar fi un senzor de debit de gaz.