Einen Übergewichtsindikator erstellen: 6 Schritte

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Das Hauptziel dieser Anwendung ist es, das Gewicht eines Objekts zu messen und dann bei Übergewicht mit einem Alarmton anzuzeigen. Die Eingabe des Systems erfolgt über eine Wägezelle. Eingang ist ein analoges Signal, das von einem Differenzverstärker verstärkt wurde. Das analoge Signal wird mit einem ADC in ein digitales Signal umgewandelt. Der Wert des ADC-Leseergebnisses wird dann mit einem bestimmten Wert verglichen, der so eingestellt ist, dass er die gewünschte Lastgrenze darstellt. Tritt ein Übergewicht auf, schaltet sich der Alarm mit einer Frequenz von 1 Hz ein. In diesem App-Hinweis verwenden wir einen Dehnungsmessstreifen als Gewichtssensor, SLG88104 als Differenzverstärker und SLG46140V als ADC und Signalkonditionierung. Das System kann nachgewiesen werden, indem eine Last aufgebracht wird, die die gewünschte Lastgrenze (60 kg) überschreitet. Die Systemfunktionalität ist korrekt, wenn in diesem Zustand der Alarm mit einer Frequenz von 1 Hz eingeschaltet ist. Die Hauptvorteile der Konstruktion mit GreenPAK™ sind, dass das Produkt kleiner, kostengünstiger, einfacher und leicht zu entwickeln ist. GreenPAK verfügt über eine einfache GUI-Schnittstelle in GreenPAK Designer, die es Ingenieuren ermöglicht, neue Designs schnell und einfach zu implementieren und auf sich ändernde Designanforderungen zu reagieren. Wenn wir es weiterentwickeln wollen, ist diese Lösung eine ausgezeichnete Wahl. Die Verwendung von GreenPAK macht dieses Design sehr einfach, leicht und nimmt nur einen kleinen Bereich ein, um es in den meisten Anwendungen zu implementieren. Aufgrund der internen Schaltungsressourcen, die innerhalb von GreenPAK verfügbar sind, kann dieses Design mit mehr Funktionen erweitert werden, ohne dass zu viele zusätzliche ICs hinzugefügt werden müssen. Um die Funktionalität dieses Systems zu verifizieren, müssen wir nur die Schaltung implementieren, die mit dem GreenPAK-Simulationstool entworfen wurde.

Entdecken Sie alle erforderlichen Schritte und verstehen Sie, wie der GreenPAK-Chip zur Steuerung des Übergewichtsindikators programmiert wurde. Wenn Sie jedoch nur das Ergebnis der Programmierung erhalten möchten, laden Sie die GreenPAK-Software herunter, um die bereits fertige GreenPAK-Designdatei anzuzeigen. Schließen Sie das GreenPAK Development Kit an Ihren Computer an und klicken Sie auf das Programm, um den benutzerdefinierten IC zur Steuerung Ihres Übergewichtsindikators zu erstellen. Befolgen Sie die unten beschriebenen Schritte, wenn Sie die Funktionsweise der Schaltung verstehen möchten.

Schritt 1: Designansatz

Eine Schlüsselidee dieses Designs besteht darin, die Gewichtskalibrierung auf einer Digitalwaage zu erleichtern, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Angenommen, es gibt vier Zustände, um zu beschreiben, wie dieses System funktioniert. Das System hat einen typischen Gewichtssensorabschnitt (A) und führt dann eine Umwandlung von analogen in digitale Daten durch. Sensoren erzeugen typischerweise sehr niedrige Analogwerte und können nach der Umwandlung in digitale Signale leichter verarbeitet werden. Das zu verwendende Signal weist lesbare digitale Daten auf. Die in digitaler Form gewonnenen Daten können in den gewünschten digitalen Wert (für schwere oder leichte Gegenstände) weiterverarbeitet werden. Um den Zustand des Endwertes anzuzeigen, verwenden wir einen Summer, der jedoch leicht geändert werden kann. Als Sprachanzeige kann man ein bekanntes Blinken (Delay Sound Indicator (B)) verwenden. In diesem Experiment haben wir eine vorhandene Waage mit vier Wägezellensensoren verwendet, die nach dem Wheatstone-Brückenprinzip verbunden sind. Was das LCD bereits bei digitalen Waagen betrifft, wird es nur zur Validierung des mit vorhandenen Waagen erzeugten Wertes verwendet.

Schritt 2: Feedback-Eingabe

Die Eingangsrückmeldung für dieses System kommt vom Druck, der vom Sensor erhalten wird, um ein analoges Signal in Form einer sehr niedrigen Spannung bereitzustellen, kann aber dennoch in Waagendaten verarbeitet werden. Die einfachste Schaltung des digitalen Abtastsensors besteht aus einem einfachen Widerstand, der seinen Widerstandswert entsprechend dem aufgebrachten Gewicht / Druck ändern kann. Die Sensorschaltung ist in Abbildung 2 zu sehen.

Die Sensoren, die an jeder Ecke der Waage angebracht sind, liefern genaue Werte für die Gesamteingabe. Die Hauptkomponenten der Sensorwiderstände können zu Brücken zusammengefasst werden, mit denen jeder Sensor gemessen werden kann. Diese Schaltung wird üblicherweise in digitalen Schaltungen verwendet, die vier voneinander abhängige Quellen verwenden. Wir verwenden nur die vier in eine Skala eingebetteten Sensoren für unsere Experimente, und voreingebettete Systeme dieser Skala wie LCD und der Controller werden nur zur Validierung unseres Designs verwendet. Die von uns verwendeten Schaltungen sind in Abbildung 3 zu sehen.

Eine Wheatstone-Brücke wird typischerweise zum Kalibrieren von Messgeräten verwendet. Der Vorteil einer Wheatstone-Brücke besteht darin, dass sie sehr niedrige Werte im Milli-Ohm-Bereich messen kann. Aus diesem Grund können digitale Waagen mit Sensoren mit relativ geringem Widerstand sehr zuverlässig sein. In Abbildung 4 sehen wir die Formel und die Wheatstone-Brückenschaltung.

Da die Spannung so klein ist, benötigen wir einen Instrumentenverstärker, damit die Spannung genug verstärkt wird, um von einem Controller gelesen zu werden. Die vom Eingangsinstrumentenverstärker erhaltene Rückkopplungsspannung wird in eine Spannung verarbeitet, die von der Steuerung gelesen werden kann (0 bis 5 Volt in dieser Ausführung). Wir können die Verstärkung entsprechend anpassen, indem wir den Verstärkungswiderstand in der SLG88104-Schaltung einstellen. Abbildung 5 zeigt die Formel zur Ermittlung der Ausgangsspannung der verwendeten Schaltung des SLG88104.

Aus dieser Formel wird die Verstärkungsbeziehung beschrieben. Wenn der Wert des Verstärkungswiderstands erhöht wird, wird die erhaltene Verstärkung niedriger und umgekehrt, wenn der Verstärkungswiderstandswert verringert wird. Die Ausgabeantwort wird ziemlich akzentuiert, selbst wenn die Werterhöhung oder -verringerung gering ist. Digitalwaagen können empfindlicher auf die Eingabe reagieren (bei geringem Gewicht ändert sich der Wert dramatisch) oder umgekehrt, wenn die zusätzliche Empfindlichkeit abnimmt. Dies ist im Ergebnisbereich zu sehen.

Schritt 3: Kontrollgewinn

Dies ist ein Design, das die Verstärkung nach Durchlaufen des Hardware-Verstärkungskalibrierungsprozesses (Verstärkungswiderstandskalibrierung) erneut steuern kann. Von der Konstruktion des Gewichtssensorabschnitts (A) können die Daten, die vom Instrumentenverstärker erhalten werden, erneut verarbeitet werden, so dass die Verstärkung einfacher eingestellt werden kann. Der Vorteil ist, dass wir eine Änderung des Verstärkungswiderstands der Hardware vermeiden können.

In Abbildung 5 gibt es mit dem ADC-Modul einen PGA, der die Verstärkung anpassen kann, bevor der Analogwert in einen Digitalwert geändert wird. Wir liefern die Eingangsreferenz vom Vout-Ausgang der SLG88104-Schaltung. Die PGA-Verstärkung wird entsprechend den von uns benötigten Messungen eingestellt. Wir verwenden eine Verstärkung von x0,25 im Single-Ended-ADC-Modus. Mit x0,25 ist die Verstärkung nicht so groß, dass der vom ADC-Wandler erhaltene Eingang das Gewicht von groß genug oder maximal messen kann, je nachdem, was wir mit Arduino versucht haben, das 70 kg beträgt. Danach verwenden wir Daten mit CNT2-Zähler vergleichen als ADC-Komparator, damit wir die Änderung mit der Tonanzeige erkennen können. Der Trick ist der Komparator, den wir durch Kalibrierung des CNT2-Werts ändern, so dass bei einem Gewicht > 60 kg der Ausgang von DCMP0 "1" ist. Die Tonanzeige leuchtet mit einer vorgegebenen Frequenz unter Verwendung der Blockverzögerungs-Tonanzeige auf, sodass der Block logisch "1" ist, wenn die Zeit 0,5 s beträgt. Die Verzögerung können wir über die CNT0-Zählerdaten der Ausgabeperiode von 500 ms anpassen.

Schritt 4: Tiefpassfilter

Es ist vorzuziehen, das Ausgangssignal des Differenzverstärkers zu filtern. Es hilft, Interferenzen zu unterdrücken und Breitbandrauschen zu reduzieren. Der implementierte Tiefpassfilter (LPF) reduziert unnötiges Rauschen. Diese einfache Tiefpassfilterschaltung besteht aus einem Widerstand in Reihe mit einer Last und einem Kondensator parallel zur Last. Einige Experimente zeigten, dass die Rauschkomponente in dem Bandpassfilter mit einem Durchlassband von 32,5–37,5 Hz während der Frequenzspektrumanalyse nachweisbar war. Die Grenzfrequenz fco des LPF wurde auf 20 Hz eingestellt, indem die Formel 1,75f&ohgr;, = fpeak verwendet wurde. Normalerweise sollten die Kondensatoren sehr klein sein, beispielsweise 100 µF.

F?? = 1/2???

Erhalten R = 80 Ω.

Schritt 5: GreenPAK-Designkomponente

Wir können aus Abbildung 8 sehen, dass GreenPAK die Komponenten enthält, die wir benötigen, das ADC-Modul und den Zähler für die Wartezeit.

Im Abschnitt ADC-Modul kann die PGA-Verstärkung die Verstärkung nach Bedarf verringern oder erhöhen. Die PGA-Verstärkung hat die gleiche Funktion wie der Verstärkungswiderstand in der SLG88104-Schaltung.

Die von dem ADC erhaltenen Ausgangsdaten werden auf diese Weise nach Zählerkalibrierungsdaten durch Addieren oder Reduzieren des Zählerdatenwertes geordnet. Wir können es entsprechend der von uns erstellten Hardware und dem entsprechenden auszugebenden Gewicht einstellen. Für diese Demo erhalten und setzen wir den Zählerdatenwert von 250 für 60 kg.

Der Zähler für die Wartezeit ist CNT0. Zählerdaten auf CNT0 bestimmen, wie lange der Soundindikator eingeschaltet ist. Wir können diesen Wert nach Bedarf einstellen. Für diese Demo verwenden wir den Datenzähler 3125 für 0,5 s.

Wir verwenden LUT0, um mit Standard-UND-Gattern zu vergleichen. Wenn die genaue Zeit von 0,5 s und das Gewicht 60 kg überschreitet, ertönt die Tonanzeige.

Schritt 6: Ergebnis

Für diese Simulation haben wir zwei Tests durchgeführt. Zuerst versuchen wir, den Effekt der Widerstandsverstärkung auf den später zu verarbeitenden Eingang zu kennen und den Kalibrierungswert des Verstärkungswiderstands zu ermitteln, der am besten zu der hergestellten digitalen Skala passt. Die zweite besteht darin, das Design mit SLG46140 zu erstellen, um die gewünschte Verstärkung zu perfektionieren. Nach dem Test suchten wir nach dem höchsten Widerstandswert für digitale Waagen, um die Leistungsfähigkeit der erstellten Verstärkerschaltung und die Fähigkeiten der entwickelten digitalen Waagen zu maximieren. Mit diesem Design erhalten wir den höchsten Verstärkungswiderstandswert von ± 6,8 Ohm und das maximale gemessene Gewicht beträgt ± 60 kg. Es ist ziemlich kompliziert, den Wert des Verstärkungswiderstands einzustellen, da das Design auch den erforderlichen Verstärkungswiderstand stark beeinflusst. Bei der in diesem Beispiel verwendeten Digitalwaage war es schwierig, 6,8 Ohm zu überschreiten, um ein höheres Gewicht zu erreichen.

Darüber hinaus kann ab dem zweiten Test (mit SLG46140 und seinen Funktionen) das maximale Gewicht, das Sie messen möchten, mit dem PGA-Modul eingestellt werden, das die Verstärkung festlegt. Wir testen mit einer Verstärkungseinstellung x 0,25 und die Tonanzeige wird bei einem Gewicht >60 kg ausgelöst. Basierend auf den obigen Ergebnissen verläuft die Kalibrierung der digitalen Waage funktionell gut. Dies ist bei der Einstellung des Verstärkers im Vergleich zu manuellen Hardwareänderungen sehr hilfreich. Wir vergleichen auch die Größe mit einem Controller, der die Verstärkungskalibrierung des Verstärkers anpassen kann und auch über eine ADC-Funktion verfügt. Die hier vorgestellten Designvorteile umfassen eine geringere physische Größe, Einfachheit, Stromverbrauch, Preis und einfache Anpassung.

Abschluss

Dieser Übergewichtsanzeiger mit dem SLG46140 ist eine ideale Lösung für einen voreingestellten Gewichtsanzeiger. Das obige GreenPAK-Design von Dialog Semiconductor wird durch die Verwendung des SLG88104 vervollständigt. Die niedrigeren Vergleichskosten, die kleine Fläche, der geringe Stromverbrauch sowie die einfache Programmierung von GreenPAK heben sich von einem Mikrocontroller-Design ab. Die Prinzipien der Wheatstone-Brücke, des Differenzverstärkers und der einstellbaren Verstärkung wurden demonstriert. Dieses Konstruktionsbeispiel kann auch auf andere Wheatstone-Brückenanwendungen ausgeweitet werden, da es bei Instrumenten mit sehr geringem Widerstand sehr zuverlässig ist.