Einen Wasserdurchflussmesser erstellen: 7 Schritte

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Ein genauer, kleiner und kostengünstiger Flüssigkeitsdurchflussmesser kann mit GreenPAK™-Komponenten einfach hergestellt werden. In diesem Instructable präsentieren wir einen Wasserdurchflussmesser, der den Wasserdurchfluss kontinuierlich misst und auf drei 7-Segment-Anzeigen anzeigt. Der Messbereich des Durchflusssensors reicht von 1 bis 30 Liter pro Minute. Die Ausgabe des Sensors ist ein digitales PWM-Signal mit einer Frequenz proportional zum Wasserdurchfluss.

Drei programmierbare GreenPAK Mixed-Signal Matrix SLG46533 ICs zählen die Anzahl der Impulse innerhalb einer Basiszeit T. Diese Basiszeit wird so berechnet, dass die Anzahl der Impulse der Durchflussrate in dieser Periode entspricht, dann wird diese berechnete Anzahl auf dem 7. angezeigt -Segmentanzeigen. Die Auflösung beträgt 0,1 Liter/min.

Der Ausgang des Sensors ist mit einem digitalen Eingang mit Schmitt-Trigger einer ersten Mixed-Signal-Matrix verbunden, die die Bruchzahlen zählt. Über einen digitalen Ausgang, der mit einem digitalen Eingang einer vorgeschalteten Mixed-Signal-Matrix verbunden ist, werden die Chips zusammen kaskadiert. Jedes Gerät ist über 7 Ausgänge mit einer 7-Segment-Anzeige mit gemeinsamer Kathode verbunden.

Die Verwendung einer programmierbaren GreenPAK-Mixed-Signal-Matrix ist vielen anderen Lösungen wie Mikrocontrollern und diskreten Komponenten vorzuziehen. Im Vergleich zu einem Mikrocontroller ist ein GreenPAK kostengünstiger, kleiner und einfacher zu programmieren. Im Vergleich zu einem Design von integrierten Schaltkreisen mit diskreter Logik ist es auch kostengünstiger, einfacher zu bauen und kleiner.

Um diese Lösung kommerziell nutzbar zu machen, muss das System so klein wie möglich sein und in einem wasserdichten, harten Gehäuse eingeschlossen sein, um gegen Wasser, Staub, Dampf und andere Faktoren beständig zu sein, damit es unter verschiedenen Bedingungen betrieben werden kann.

Um das Design zu testen, wurde eine einfache Platine gebaut. Die GreenPAK-Geräte werden mit 20-poligen doppelreihigen Buchsenleisten auf diese Platine gesteckt.

Die Tests wurden zum ersten Mal unter Verwendung von Impulsen durchgeführt, die von einem Arduino erzeugt wurden, und zum zweiten Mal wurde der Wasserdurchfluss einer Hauswasserquelle gemessen. Das System hat eine Genauigkeit von 99% gezeigt.

Entdecken Sie alle erforderlichen Schritte und verstehen Sie, wie der GreenPAK-Chip zur Steuerung des Wasserdurchflussmessers 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 Wasserdurchflussmessers zu erstellen. Befolgen Sie die unten beschriebenen Schritte, wenn Sie die Funktionsweise der Schaltung verstehen möchten.

Schritt 1: Gesamtbeschreibung des Systems

Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Messung des Flüssigkeitsdurchflusses ist genau wie das Prinzip der Windgeschwindigkeitsmessung mit einem Anemometer: Die Windgeschwindigkeit ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit des Anemometers. Der Hauptteil dieser Art von Durchflusssensor ist eine Art Windrad, dessen Geschwindigkeit proportional zur Durchflussmenge der Flüssigkeit ist.

Wir haben den in Abbildung 1 gezeigten Wasserdurchflusssensor YF-S201 der Firma URUK verwendet. Bei diesem Sensor gibt ein am Windrad montierter Hall-Effekt-Sensor bei jeder Umdrehung einen Impuls aus. Die Frequenz des Ausgangssignals wird in Formel 1 dargestellt, wobei Q die Wasserdurchflussrate in Liter/Minute ist.

Wenn der gemessene Durchfluss beispielsweise 1 Liter/Minute beträgt, beträgt die Ausgangssignalfrequenz 7,5 Hz. Um den tatsächlichen Wert des Durchflusses im Format 1,0 Liter/Minute anzuzeigen, müssen wir Impulse für eine Zeit von 1,333 Sekunden zählen. Im Beispiel mit 1,0 Liter/Minute ist das Zählergebnis 10, das auf den Siebensegmentanzeigen als 01.0 angezeigt wird. In dieser Anwendung werden zwei Aufgaben behandelt: Die erste ist das Zählen von Impulsen und die zweite die Anzeige der Anzahl, wenn die Zählaufgabe abgeschlossen ist. Jede Aufgabe dauert 1,333 Sekunden.

Schritt 2: GreenPAK Designer-Implementierung

Das SLG46533 verfügt über viele vielseitige Kombinationsfunktions-Makrozellen und sie können als Look-Up-Tabellen, Zähler oder D-Flip-Flops konfiguriert werden. Diese Modularität macht GreenPAK für die Anwendung geeignet.

Das Programm hat 3 Stufen: Stufe (1) erzeugt ein periodisches digitales Signal zum Umschalten zwischen den 2 Aufgaben des Systems, Stufe (2) zählt die Impulse des Durchflusssensors und Stufe (3) zeigt die Bruchzahl an.

Schritt 3: Erste Stufe: Zählen/Anzeigen des Umschaltens

Benötigt wird ein digitaler Ausgang „COUNT/DISP-OUT“, der alle 1,333 Sekunden zwischen High und Low wechselt. Bei High zählt das System Impulse und bei Low zeigt es das Zählergebnis an. Dies kann mit DFF0, CNT1 und OSC0 erreicht werden, die wie in Abbildung 2 gezeigt verdrahtet sind.

Die Frequenz von OSC0 beträgt 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 ist als Zähler konfiguriert und sein Takteingang ist mit CLK/4 verbunden, sodass die Eingangstaktfrequenz von CNT1 6,25 kHz beträgt. Während der ersten Taktperiode, die wie in Gleichung 1 gezeigt dauert, ist der CNT1-Ausgang hoch und ab der steigenden Flanke des nächsten Taktsignals ist der Zählerausgang niedrig und CNT1 beginnt ab 8332 zu dekrementieren. Wenn die CNT1-Daten 0 erreichen, ist ein neuer Impuls am CNT1-Ausgang erzeugt. Bei jeder steigenden Flanke des CNT1-Ausgangs ändert der DFF0-Ausgang den Zustand, wenn er niedrig ist, wechselt er auf hoch und umgekehrt.

Die Ausgangspolarität von DFF0 sollte invertiert konfiguriert werden. CNT1 wird auf 8332 gesetzt, da die Zähl-/Anzeigezeit T gleich wie in Gleichung 2 gezeigt ist.

Schritt 4: Zweite Stufe: Zählen der Eingangsimpulse

Ein 4-Bit-Zähler wird mit DFF3/4/5/6 erstellt, wie in Abbildung 4 gezeigt. Dieser Zähler inkrementiert bei jedem Impuls nur dann, wenn „COUNT/DISP-IN“, das ist PIN 9, hoch ist. Die Eingänge des UND-Gatters 2-L2 sind "COUNT/DISP-IN" und der PWM-Eingang. Der Zähler wird zurückgesetzt, wenn er 10 erreicht oder die Zählphase beginnt. Der 4-Bit-Zähler wird zurückgesetzt, wenn die RESET-Pins der DFFs, die mit demselben Netzwerk „RESET“verbunden sind, niedrig sind.

Die 4-Bit-LUT2 wird verwendet, um den Zähler zurückzusetzen, wenn er 10 erreicht. Da DFF-Ausgänge invertiert sind, werden Zahlen durch Invertieren aller Bits ihrer binären Darstellungen definiert: Vertauschen von 0s gegen 1s und umgekehrt. Diese Darstellung wird als 1er-Komplement der Binärzahl bezeichnet. Die 4-Bit-LUT2-Eingänge IN0, IN1, IN2 und IN3 sind mit a0, a1, a2, a3 bzw. a3 verbunden. Die Wahrheitstabelle für 4-LUT2 ist in Tabelle 1 dargestellt.

Wenn 10 Impulse registriert werden, schaltet der Ausgang von 4-LUT0 von High auf Low. An diesem Punkt schaltet der Ausgang von CNT6/DLY6, der für den One-Shot-Modus konfiguriert ist, für 90 ns auf Low und schaltet dann wieder ein. Ebenso, wenn „COUNT/DISP-IN“von niedrig auf hoch umschaltet, das heißt. das System beginnt mit dem Zählen der Impulse. Der Ausgang von CNT5/DLY5, der für den One-Shot-Modus konfiguriert ist, schaltet 90 ns lang zu niedrig und schaltet dann wieder ein. Es ist wichtig, die RESET-Taste für eine Weile auf einem niedrigen Pegel zu halten und sie mit CNT5 und CNT6 wieder einzuschalten, damit alle DFFs zurückgesetzt werden können. Eine Verzögerung von 90 ns hat keinen Einfluss auf die Systemgenauigkeit, da die maximale Frequenz des PWM-Signals 225 Hz beträgt. Die Ausgänge CNT5 und CNT6 sind mit Eingängen des UND-Gatters verbunden, das das RESET-Signal ausgibt.

Der Ausgang von 4-LUT2 ist auch mit Pin 4 mit der Bezeichnung "F/10-OUT" verbunden, der mit dem PWM-Eingang der nächsten Zählstufe des Chips verbunden wird. Wenn zum Beispiel "PWM-IN" des Bruchzahlzählgeräts mit dem PWM-Ausgang des Sensors verbunden ist und dessen "F/10-OUT" mit dem "PWM-IN" des Einheitenzählgeräts und der " F/10-OUT" des letzteren wird mit dem "PWM-IN" des Zehnerzählers verbunden und so weiter. "COUNT/DISP-IN" aller dieser Stufen sollte mit demselben "COUNT/DISP-OUT" eines der 3 Geräte für das Bruchzählgerät verbunden werden.

Abbildung 5 erläutert detailliert, wie diese Stufe funktioniert, indem gezeigt wird, wie eine Durchflussmenge von 1,5 Litern/Minute gemessen wird.

Schritt 5: Dritte Stufe: Messwert anzeigen

Diese Stufe hat als Eingänge: a0, a1, a2 und a3 (umgekehrt) und wird an die Pins ausgegeben, die mit der 7-Segment-Anzeige verbunden sind. Jedes Segment hat eine logische Funktion, die von verfügbaren LUTs gemacht werden muss. 4-Bit-LUTs können die Aufgabe sehr einfach erledigen, aber leider ist nur 1 verfügbar. 4-Bit-LUT0 wird für Segment G verwendet, aber für die anderen Segmente haben wir ein Paar 3-Bit-LUTs verwendet, wie in Abbildung 6 gezeigt Bei 3-Bit-LUTs ist a3 mit ihren Eingängen verbunden.

Alle Nachschlagetabellen können aus der in Tabelle 2 gezeigten 7-Segment-Decoder-Wahrheitstabelle abgeleitet werden. Sie sind in Tabelle 3, Tabelle 4, Tabelle 5, Tabelle 6, Tabelle 7, Tabelle 8, Tabelle 9 dargestellt.

Steuerpins von GPIOs, die die 7-Segment-Anzeige steuern, werden über einen Inverter als Ausgänge mit "COUNT/DISP-IN" verbunden, wenn "COUNT/DISP-IN" Low ist, dh die Anzeige wird nur während der Anzeigeaufgabe geändert. Daher sind die Anzeigen während der Zählaufgabe AUS und während der Anzeigeaufgabe zeigen sie die gezählten Impulse an.

Eine Dezimalpunktanzeige kann irgendwo innerhalb der 7-Segment-Anzeige erforderlich sein. Aus diesem Grund wird PIN5 mit der Bezeichnung "DP-OUT" an das umgekehrte "COUNT/DISP"-Netzwerk angeschlossen und wir verbinden es mit dem DP des entsprechenden Displays. In unserer Anwendung müssen wir den Dezimalpunkt des Einheitenzählgeräts anzeigen, um Zahlen im Format "xx.x" anzuzeigen, dann verbinden wir "DP-OUT" des Einheitenzählgeräts mit dem DP-Eingang des 7- Segmentanzeige und wir lassen die anderen unverbunden.

Schritt 6: Hardwareimplementierung

Abbildung 7 zeigt die Verbindung zwischen den 3 GreenPAK-Chips und die Verbindungen jedes Chips zu seinem entsprechenden Display. Der Dezimalpunktausgang des GreenPAK wird mit dem DP-Eingang der 7-Segment-Anzeige verbunden, um den Durchfluss im korrekten Format mit einer Auflösung von 0,1 Liter / Minute anzuzeigen. Der PWM-Eingang des LSB-Chips ist mit dem PWM-Ausgang des Wasserdurchflusssensors verbunden. Die F/10-Ausgänge der Schaltungen sind mit den PWM-Eingängen des folgenden Chips verbunden. Bei Sensoren mit höheren Durchflussraten und/oder höherer Genauigkeit können mehr Chips kaskadiert werden, um mehr Ziffern anzuhängen.

Schritt 7: Ergebnisse

Um das System zu testen, haben wir eine einfache Platine gebaut, die über Steckverbinder zum Einstecken von GreenPAK-Buchsen mit 20-poligen doppelreihigen Buchsenleisten verfügt. Der Schaltplan und das Layout dieser Platine sowie Fotos sind im Anhang dargestellt.

Das System wurde zunächst mit einem Arduino getestet, der einen Durchflusssensor und eine Wasserquelle mit konstanter, bekannter Durchflussmenge simuliert, indem er Impulse bei 225 Hz erzeugt, was einer Durchflussmenge von jeweils 30 Litern/Minute entspricht. Das Messergebnis betrug 29,7 Liter/Minute, der Fehler beträgt ca. 1%.

Der zweite Test wurde mit dem Wasserdurchflusssensor und einer Hauswasserquelle durchgeführt. Die Messung bei verschiedenen Flussraten betrug 4,5 und 12,4.

Abschluss

Dieses Instructable zeigt, wie man einen kleinen, kostengünstigen und genauen Durchflussmesser mit einem Dialog SLG46533 baut. Dank GreenPAK ist dieses Design kleiner, einfacher und einfacher zu erstellen als vergleichbare Lösungen.

Unser System kann einen Durchfluss von bis zu 30 Liter / Minute mit einer Auflösung von 0,1 Litern messen, aber wir können je nach Durchflusssensor mehr GreenPAKs verwenden, um höhere Durchflussraten mit höherer Genauigkeit zu messen. Ein auf Dialog GreenPAK basierendes System kann mit einer Vielzahl von Turbinen-Durchflussmessern arbeiten.

Die vorgeschlagene Lösung wurde entwickelt, um die Durchflussmenge von Wasser zu messen, sie kann jedoch an jeden Sensor angepasst werden, der ein PWM-Signal ausgibt, wie beispielsweise ein Gasdurchflusssensor.