Cara Membuat Pengukur Aliran Air: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Pengukur aliran cairan yang akurat, kecil, dan murah dapat dibuat dengan mudah menggunakan komponen GreenPAK™. Dalam Instruksi ini kami menghadirkan pengukur aliran air yang secara terus-menerus mengukur aliran air dan menampilkannya pada tiga tampilan 7-segmen. Rentang pengukuran sensor aliran adalah dari 1 hingga 30 liter per menit. Keluaran dari sensor adalah sinyal PWM digital dengan frekuensi yang sebanding dengan laju aliran air.

Tiga IC GreenPAK Programmable Mixed-signal Matrix SLG46533 menghitung jumlah pulsa dalam waktu dasar T. Waktu dasar ini dihitung sedemikian rupa sehingga jumlah pulsa sama dengan laju aliran dalam periode tersebut, kemudian angka yang dihitung ini ditampilkan pada 7 -segmen ditampilkan. Resolusi 0,1 liter/menit.

Output dari sensor terhubung ke input digital dengan pemicu Schmitt dari Matriks Sinyal Campuran pertama yang menghitung bilangan pecahan. Chip tersebut mengalir bersama melalui output digital, yang terhubung ke input digital dari Matriks Sinyal Campuran yang sedang berjalan. Setiap perangkat terhubung ke 7segment common cathode display melalui 7 output.

Menggunakan Matriks Sinyal Campuran yang Dapat Diprogram GreenPAK lebih disukai daripada banyak solusi lain seperti mikrokontroler dan komponen diskrit. Dibandingkan dengan mikrokontroler, GreenPAK lebih murah, lebih kecil, dan lebih mudah diprogram. Dibandingkan dengan desain sirkuit terpadu logika diskrit, ini juga lebih murah, lebih mudah dibuat, dan lebih kecil.

Untuk membuat solusi ini layak secara komersial, sistem harus sekecil mungkin dan tertutup di dalam selungkup kedap air dan keras agar tahan terhadap air, debu, uap, dan faktor lainnya sehingga dapat beroperasi dalam berbagai kondisi.

Untuk menguji desain PCB sederhana dibangun. Perangkat GreenPAK dicolokkan pada PCB ini menggunakan 20 pin konektor header perempuan baris ganda.

Pengujian dilakukan pertama kali menggunakan pulsa yang dihasilkan oleh Arduino dan untuk kedua kalinya laju aliran air dari sumber air rumah diukur. Sistem telah menunjukkan akurasi 99%.

Temukan semua langkah yang diperlukan untuk memahami bagaimana chip GreenPAK telah diprogram untuk mengontrol Pengukur Aliran Air. Namun, jika Anda hanya ingin mendapatkan hasil pemrograman, unduh perangkat lunak GreenPAK untuk melihat File Desain GreenPAK yang sudah selesai. Colokkan GreenPAK Development Kit ke komputer Anda dan tekan program untuk membuat IC khusus untuk mengontrol Pengukur Aliran Air Anda. Ikuti langkah-langkah yang dijelaskan di bawah ini jika Anda tertarik untuk memahami cara kerja rangkaian.

Langkah 1: Deskripsi Keseluruhan Sistem

Salah satu cara paling umum untuk mengukur laju aliran cairan persis seperti prinsip pengukuran kecepatan angin dengan anemometer: kecepatan angin sebanding dengan kecepatan putaran anemometer. Bagian utama dari sensor aliran jenis ini adalah semacam kincir, yang kecepatannya sebanding dengan laju aliran cairan yang melewatinya.

Kami menggunakan sensor aliran air YF-S201 dari URUK perusahaan yang ditunjukkan pada Gambar 1. Dalam sensor ini, sensor Efek Hall yang dipasang pada kincir mengeluarkan pulsa dengan setiap putaran. Frekuensi sinyal keluaran disajikan dalam Formula 1, di mana Q adalah laju aliran air dalam liter/menit.

Misalnya, jika laju aliran yang diukur adalah 1 liter/menit, frekuensi sinyal keluaran adalah 7,5 Hz. Untuk menampilkan nilai sebenarnya dari aliran dalam format 1,0 liter/menit, kita harus menghitung pulsa untuk waktu 1,333 detik. Dalam contoh 1,0 liter/menit, hasil yang dihitung adalah 10, yang akan ditampilkan sebagai 01.0 pada tampilan tujuh segmen. Dua tugas dibahas dalam aplikasi ini: yang pertama menghitung pulsa dan yang kedua menampilkan angka saat tugas menghitung selesai. Setiap tugas berlangsung 1,333 detik.

Langkah 2: Implementasi Desainer GreenPAK

SLG46533 memiliki banyak makrosel fungsi kombinasi serbaguna dan mereka dapat dikonfigurasi sebagai Tabel Pencarian, penghitung, atau D-Flip-Flops. Modularitas inilah yang membuat GreenPAK cocok untuk aplikasi.

Program ini memiliki 3 tahap: tahap (1) menghasilkan sinyal digital periodik untuk beralih di antara 2 tugas sistem, tahap (2) menghitung pulsa sensor aliran dan tahap (3) menampilkan bilangan pecahan.

Langkah 3: Tahap Pertama: Menghitung/Menampilkan Switching

Output digital "COUNT/DISP-OUT" yang mengubah status antara tinggi dan rendah setiap 1,333 detik diperlukan. Saat tinggi, sistem menghitung pulsa dan saat rendah menampilkan hasil yang dihitung. Ini dapat dicapai dengan menggunakan kabel DFF0, CNT1 dan OSC0 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Frekuensi OSC0 adalah 25 kHz. CNT1/DLY1/FSM1 dikonfigurasi sebagai penghitung, dan input clock-nya terhubung ke CLK/4 sehingga frekuensi clock input CNT1 adalah 6,25 kHz. Untuk periode clock pertama yang berlangsung seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 1, output CNT1 tinggi dan dari tepi naik sinyal clock berikutnya, output counter rendah dan CNT1 mulai menurun dari 8332. Ketika data CNT1 mencapai 0, pulsa baru pada output CNT1 adalah dihasilkan. Pada setiap tepi naik output CNT1, output DFF0 mengubah status, jika rendah beralih ke tinggi dan sebaliknya.

Polaritas keluaran DFF0 harus dikonfigurasi sebagai terbalik. CNT1 diatur ke 8332 karena hitungan/waktu tampilan T sama seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.

Langkah 4: Tahap Kedua: Menghitung Pulsa Input

Penghitung 4-bit dibuat menggunakan DFF3/4/5/6, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Penghitung ini bertambah pada setiap pulsa hanya ketika “COUNT/DISP-IN”, yaitu PIN 9, tinggi. Input gerbang AND 2-L2 adalah "COUNT/DISP-IN" dan input PWM. Penghitung direset ketika mencapai 10 atau ketika fase penghitungan dimulai. Penghitung 4-bit direset ketika pin RESET DFF, yang terhubung ke jaringan "RESET" yang sama, rendah.

4-bit LUT2 digunakan untuk mereset pencacah ketika mencapai 10. Karena keluaran DFF dibalik, angka ditentukan dengan membalik semua bit dari representasi binernya: menukar 0s untuk 1s dan sebaliknya. Representasi ini disebut komplemen 1 bilangan biner. Input LUT2 4-bit IN0, IN1, IN2 dan IN3 masing-masing terhubung ke a0, a1, a2, a3 dan a3. Tabel kebenaran untuk 4-LUT2 ditunjukkan pada Tabel 1.

Ketika 10 pulsa terdaftar, output 4-LUT0 beralih dari tinggi ke rendah. Pada titik ini output CNT6/DLY6, dikonfigurasi untuk bekerja dalam mode satu bidikan, beralih ke rendah selama 90 ns kemudian menyala lagi. Demikian juga, ketika "COUNT/DISP-IN" beralih dari rendah ke tinggi, yaitu. sistem mulai menghitung pulsa. Output CNT5/DLY5, dikonfigurasi untuk bekerja dalam mode satu bidikan, beralih terlalu rendah untuk jangka waktu 90 ns kemudian menyala lagi. Sangat penting untuk mempertahankan tombol RESET pada level rendah untuk sementara waktu dan menyalakannya kembali menggunakan CNT5 dan CNT6 untuk memberikan waktu bagi semua DFF untuk mengatur ulang. Penundaan 90 ns tidak berdampak pada akurasi sistem karena frekuensi maksimum sinyal PWM adalah 225 Hz. Output CNT5 dan CNT6 terhubung ke input gerbang AND yang mengeluarkan sinyal RESET.

Output 4-LUT2 juga terhubung ke Pin 4, berlabel "F/10-OUT", yang akan terhubung ke input PWM tahap penghitungan chip berikutnya. Misalnya, jika "PWM-IN" perangkat penghitung pecahan terhubung ke output PWM sensor, dan "F/10-OUT"-nya terhubung ke "PWM-IN" perangkat penghitung satuan dan " F/10-OUT" yang terakhir terhubung ke "PWM-IN" perangkat penghitung puluhan dan seterusnya. "COUNT/DISP-IN" dari semua tahapan ini harus dihubungkan ke "COUNT/DISP-OUT" yang sama dari salah satu dari 3 perangkat untuk perangkat penghitung pecahan.

Gambar 5 menjelaskan secara rinci cara kerja tahap ini dengan menunjukkan cara mengukur laju aliran 1,5 liter/menit.

Langkah 5: Tahap Ketiga: Menampilkan Nilai Terukur

Tahap ini memiliki input sebagai berikut: a0, a1, a2 dan a3 (terbalik), dan akan dikeluarkan ke pin yang terhubung ke tampilan 7-segmen. Setiap segmen memiliki fungsi logis yang akan dibuat oleh LUT yang tersedia. LUT 4-bit dapat melakukan pekerjaan dengan sangat mudah tetapi sayangnya hanya 1 yang tersedia. LUT0 4-bit digunakan untuk segmen G, tetapi untuk segmen lain kami menggunakan sepasang LUT 3-bit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. LUT 3-bit paling kiri memiliki a2/a1/a0 terhubung ke inputnya, sedangkan LUT paling kanan LUT 3-bit memiliki a3 yang terhubung ke inputnya.

Semua tabel pencarian dapat disimpulkan dari tabel kebenaran dekoder 7-segmen yang ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel tersebut disajikan pada Tabel 3, Tabel 4, Tabel 5, Tabel 6, Tabel 7, Tabel 8, Tabel 9.

Pin kontrol GPIO yang mengontrol tampilan 7-segmen terhubung ke "COUNT/DISP-IN" melalui inverter sebagai output ketika "COUNT/DISP-IN" rendah, yang berarti tampilan hanya diubah selama tugas tampilan. Oleh karena itu, selama tugas penghitungan, tampilan OFF dan selama tugas tampilan mereka menampilkan pulsa yang dihitung.

Indikator titik desimal mungkin diperlukan di suatu tempat dalam tampilan 7-segmen. Untuk alasan ini, PIN5, berlabel "DP-OUT", terhubung ke jaringan "COUNT/DISP" terbalik dan kami menghubungkannya ke DP dari tampilan yang sesuai. Dalam aplikasi kita, kita perlu menampilkan titik desimal dari perangkat penghitung satuan untuk menampilkan angka dalam format "xx.x", kemudian kita akan menghubungkan "DP-OUT" dari perangkat penghitung satuan ke input DP dari 7- unit. tampilan segmen dan kami membiarkan yang lain tidak terhubung.

Langkah 6: Implementasi Perangkat Keras

Gambar 7 menunjukkan interkoneksi antara 3 chip GreenPAK dan koneksi setiap chip ke tampilan yang sesuai. Output titik desimal GreenPAK dihubungkan dengan input DP dari tampilan 7-segmen untuk menunjukkan laju aliran dalam format yang benar, dengan resolusi 0,1 liter / menit. Input PWM dari chip LSB terhubung ke output PWM dari sensor aliran air. Output F/10 dari sirkuit terhubung ke input PWM dari chip berikut. Untuk sensor dengan laju aliran yang lebih tinggi dan/atau akurasi yang lebih tinggi, lebih banyak chip dapat diturunkan untuk menambahkan lebih banyak digit.

Langkah 7: Hasil

Untuk menguji sistem, kami membuat PCB sederhana yang memiliki konektor untuk menyambungkan soket GreenPAK menggunakan header perempuan baris ganda 20 pin. Skema dan tata letak PCB ini serta foto disajikan dalam Lampiran.

Sistem diuji terlebih dahulu dengan Arduino yang mensimulasikan sensor laju aliran dan sumber air dengan laju aliran konstan yang diketahui dengan menghasilkan pulsa pada 225 Hz yang sesuai dengan laju aliran masing-masing 30 liter/menit. Hasil pengukuran adalah sebesar 29,7 liter/menit, error sekitar 1%.

Pengujian kedua dilakukan dengan sensor debit air dan sumber air rumah. Pengukuran pada laju aliran yang berbeda adalah 4,5 dan 12,4.

Kesimpulan

Instruksi ini menunjukkan cara membuat pengukur aliran yang kecil, berbiaya rendah, dan akurat menggunakan Dialog SLG46533. Berkat GreenPAK, desain ini lebih kecil, lebih sederhana, dan lebih mudah dibuat daripada solusi yang sebanding.

Sistem kami dapat mengukur laju aliran hingga 30 liter / menit dengan resolusi 0,1 liter, tetapi kami dapat menggunakan lebih banyak GreenPAK untuk mengukur laju aliran yang lebih tinggi dengan akurasi yang lebih tinggi tergantung pada sensor aliran. Sistem berbasis Dialog GreenPAK dapat bekerja dengan berbagai meter aliran turbin.

Solusi yang disarankan dirancang untuk mengukur laju aliran air, tetapi dapat disesuaikan untuk digunakan dengan sensor apa pun yang mengeluarkan sinyal PWM, seperti sensor laju aliran gas.