كيفية إنشاء عداد تدفق المياه: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

يمكن صنع مقياس تدفق سائل دقيق وصغير ومنخفض التكلفة بسهولة باستخدام مكونات GreenPAK ™. في Instructable ، نقدم مقياس تدفق المياه الذي يقيس تدفق المياه باستمرار ويعرضه على ثلاث شاشات من 7 أجزاء. يتراوح نطاق قياس مستشعر التدفق من 1 إلى 30 لترًا في الدقيقة. خرج المستشعر عبارة عن إشارة PWM رقمية بتردد يتناسب مع معدل تدفق المياه.

ثلاثة مصفوفة إشارة مختلطة قابلة للبرمجة من GreenPAK SLG46533 ICs تحسب عدد النبضات خلال الوقت الأساسي T. يتم حساب هذا الوقت الأساسي بحيث يكون عدد النبضات مساويًا لمعدل التدفق في تلك الفترة ، ثم يتم عرض هذا الرقم المحسوب على 7 -شرائح العرض. الدقة 0.1 لتر / دقيقة.

يتم توصيل خرج المستشعر بإدخال رقمي مع مشغل Schmitt لأول مصفوفة إشارة مختلطة تحسب الرقم الكسري. يتم تجميع الرقائق معًا عبر إخراج رقمي متصل بإدخال رقمي لمصفوفة إشارة مختلطة جارية. يتم توصيل كل جهاز بشاشة عرض الكاثود الشائعة المكونة من 7 أجزاء من خلال 7 مخرجات.

يُفضل استخدام مصفوفة الإشارات المختلطة القابلة للبرمجة من GreenPAK على العديد من الحلول الأخرى مثل وحدات التحكم الدقيقة والمكونات المنفصلة. مقارنة بالميكروكونترولر ، فإن GreenPAK أقل تكلفة وأصغر وأسهل في البرمجة. بالمقارنة مع تصميم الدوائر المتكاملة المنطقية المنفصلة ، فهو أيضًا أقل تكلفة وأسهل في البناء وأصغر.

لجعل هذا الحل قابلاً للتطبيق تجاريًا ، يجب أن يكون النظام صغيرًا قدر الإمكان وأن يكون مغلقًا داخل حاوية صلبة مقاومة للماء لمقاومة الماء والغبار والبخار وعوامل أخرى بحيث يمكن تشغيله في ظروف مختلفة.

لاختبار التصميم تم بناء ثنائي الفينيل متعدد الكلور بسيط. يتم توصيل أجهزة GreenPAK على ثنائي الفينيل متعدد الكلور هذا باستخدام موصلات رأس أنثى ذات 20 دبابيس مزدوجة الصفوف.

يتم إجراء الاختبارات لأول مرة باستخدام النبضات الناتجة عن Arduino وفي المرة الثانية تم قياس معدل تدفق المياه لمصدر المياه في المنزل. أظهر النظام دقة تصل إلى 99٪.

اكتشف جميع الخطوات اللازمة لفهم كيفية برمجة شريحة GreenPAK للتحكم في مقياس تدفق المياه. ومع ذلك ، إذا كنت ترغب فقط في الحصول على نتيجة البرمجة ، فقم بتنزيل برنامج GreenPAK لعرض ملف تصميم GreenPAK المكتمل بالفعل. قم بتوصيل GreenPAK Development Kit بجهاز الكمبيوتر الخاص بك واضغط على البرنامج لإنشاء IC مخصص للتحكم في مقياس تدفق المياه. اتبع الخطوات الموضحة أدناه إذا كنت مهتمًا بفهم كيفية عمل الدائرة.

الخطوة 1: الوصف العام للنظام

واحدة من أكثر الطرق شيوعًا لقياس معدل تدفق السائل هي تمامًا مثل مبدأ قياس سرعة الرياح بواسطة مقياس شدة الريح: تتناسب سرعة الرياح مع سرعة دوران جهاز قياس شدة الرياح. الجزء الرئيسي من هذا النوع من مستشعرات التدفق هو نوع من دولاب الموازنة ، تتناسب سرعته مع معدل تدفق السائل الذي يمر عبره.

استخدمنا مستشعر تدفق المياه YF-S201 من شركة URUK الموضحة في الشكل 1. في هذا المستشعر ، يقوم مستشعر Hall Effect المركب على دولاب الموازنة بإخراج نبضة مع كل دورة. يتم تقديم تردد إشارة الخرج في الصيغة 1 ، حيث Q هو معدل تدفق المياه باللتر / الدقيقة.

على سبيل المثال ، إذا كان معدل التدفق المقاس 1 لتر / دقيقة ، يكون تردد إشارة الخرج 7.5 هرتز. لعرض القيمة الحقيقية للتدفق بصيغة 1.0 لتر / دقيقة ، يتعين علينا حساب النبضات لمدة 1.333 ثانية. في مثال 1.0 لتر / دقيقة ، ستكون النتيجة المحسوبة 10 ، والتي سيتم عرضها على شكل 01.0 على الشاشات المكونة من سبعة أجزاء. يتم تناول مهمتين في هذا التطبيق: الأولى هي عد النبضات والثانية هي عرض الرقم عند اكتمال مهمة العد. تستغرق كل مهمة 1.333 ثانية.

الخطوة 2: تنفيذ GreenPAK Designer

يحتوي SLG46533 على العديد من الخلايا الكبيرة ذات الوظائف متعددة الاستخدامات ويمكن تهيئتها كجداول بحث أو عدادات أو D-Flip-Flops. هذا النموذج هو ما يجعل GreenPAK مناسبًا للتطبيق.

يحتوي البرنامج على 3 مراحل: المرحلة (1) تولد إشارة رقمية دورية للتبديل بين مهمتي النظام ، والمرحلة (2) عد نبضات مستشعر التدفق والمرحلة (3) تعرض الرقم الكسري.

الخطوة 3: المرحلة الأولى: عد / عرض التبديل

مطلوب إخراج رقمي "COUNT / DISP-OUT" يغير الحالة بين مرتفع ومنخفض كل 1.333 ثانية. عندما يكون النظام مرتفعًا ، يقوم بحساب النبضات وعندما يكون منخفضًا يعرض النتيجة المحسوبة. يمكن تحقيق ذلك باستخدام الأسلاك DFF0 و CNT1 و OSC0 كما هو موضح في الشكل 2.

تردد OSC0 هو 25 كيلو هرتز. يتم تكوين CNT1 / DLY1 / FSM1 كعداد ، ويتم توصيل مدخل الساعة بـ CLK / 4 بحيث يكون تردد ساعة الإدخال CNT1 هو 6.25 كيلو هرتز. بالنسبة لفترة الساعة الأولى التي تدوم كما هو موضح في المعادلة 1 ، يكون خرج CNT1 مرتفعًا ومن الحافة المتصاعدة لإشارة الساعة التالية ، يكون خرج العداد منخفضًا ويبدأ CNT1 في التناقص من 8332. عندما تصل بيانات CNT1 إلى 0 ، تكون النبضة الجديدة على إخراج CNT1 هي ولدت. في كل حافة صاعدة لإخراج CNT1 ، يغير ناتج DFF0 الحالة ، إذا كان منخفضًا يتحول إلى مرتفع والعكس صحيح.

يجب تكوين قطبية خرج DFF0 على أنها معكوسة. تم تعيين CNT1 على 8332 لأن وقت العد / العرض T يساوي كما هو موضح في المعادلة 2.

الخطوة 4: المرحلة الثانية: حساب نبضات الإدخال

يتم عمل عداد 4 بت باستخدام DFF3 / 4/5/6 ، كما هو موضح في الشكل 4. هذا العداد يزداد في كل نبضة فقط عندما يكون "COUNT / DISP-IN" ، وهو PIN 9 ، مرتفعًا. مدخلات AND gate 2-L2 هي "COUNT / DISP-IN" ومدخلات PWM. يتم إعادة ضبط العداد عندما يصل إلى 10 أو عندما تبدأ مرحلة العد. يتم إعادة تعيين عداد 4 بت عندما تكون دبابيس DFFs RESET ، المتصلة بنفس الشبكة "RESET" منخفضة.

يتم استخدام LUT2 من 4 بتات لإعادة ضبط العداد عندما يصل إلى 10. نظرًا لأن مخرجات DFF مقلوبة ، يتم تحديد الأرقام عن طريق عكس جميع بتات تمثيلاتها الثنائية: تبديل 0s بـ 1s والعكس بالعكس. يسمى هذا التمثيل مكمل 1 للعدد الثنائي. مداخل LUT2 ذات 4 بتات IN0 و IN1 و IN2 و IN3 متصلة بـ a0 و a1 و a2 و a3 و a3 على التوالي. يظهر جدول الحقيقة لـ 4-LUT2 في الجدول 1.

عندما يتم تسجيل 10 نبضات ، يتحول خرج 4-LUT0 من الأعلى إلى المنخفض. عند هذه النقطة ، يتحول إخراج CNT6 / DLY6 ، الذي تم تكوينه للعمل في وضع اللقطة الواحدة ، إلى مستوى منخفض لمدة 90 نانوثانية ، ثم يتم تشغيله مرة أخرى. وبالمثل ، عندما يتحول "COUNT / DISP-IN" من منخفض إلى مرتفع ، فهذا يعني. يبدأ النظام في عد النبضات. ناتج CNT5 / DLY5 ، الذي تم تكوينه للعمل في وضع اللقطة الواحدة ، يتحول إلى مستوى منخفض جدًا لمدة 90 نانوثانية ثم يتم تشغيله مرة أخرى. من الضروري الحفاظ على زر RESET عند مستوى منخفض لفترة من الوقت وتشغيله مرة أخرى باستخدام CNT5 و CNT6 لإعطاء الوقت لجميع DFFs لإعادة الضبط. لا يؤثر التأخير البالغ 90 نانوثانية على دقة النظام نظرًا لأن الحد الأقصى لتردد إشارة PWM هو 225 هرتز. يتم توصيل مخرجات CNT5 و CNT6 بمدخلات البوابة AND التي تخرج إشارة إعادة الضبط.

يتم توصيل خرج 4-LUT2 أيضًا بـ Pin 4 ، المسمى "F / 10-OUT" ، والذي سيتم توصيله بمدخل PWM لمرحلة عد الشريحة التالية. على سبيل المثال ، إذا تم توصيل "PWM-IN" لجهاز العد الجزئي بإخراج PWM للمستشعر ، وكان "F / 10-OUT" الخاص به متصلاً بـ "PWM-IN" لجهاز عد الوحدات و " F / 10-OUT "الأخير متصل بـ" PWM-IN "لجهاز عد العشرات وما إلى ذلك. يجب توصيل "COUNT / DISP-IN" لكل هذه المراحل بنفس "COUNT / DISP-OUT" لأي من الأجهزة الثلاثة لجهاز العد الجزئي.

يوضح الشكل 5 بالتفصيل كيفية عمل هذه المرحلة من خلال إظهار كيفية قياس معدل تدفق يبلغ 1.5 لتر / دقيقة.

الخطوة 5: المرحلة الثالثة: عرض القيمة المقاسة

تحتوي هذه المرحلة على مدخلات: a0 و a1 و a2 و a3 (معكوسة) ، وستخرج إلى المسامير المتصلة بشاشة العرض المكونة من 7 أجزاء. لكل مقطع وظيفة منطقية يتم إجراؤها بواسطة طرفية المستعملين (LUTs) المتاحة. يمكن لجداول البحث ذات 4 بتات القيام بالمهمة بسهولة شديدة ولكن للأسف يتوفر 1 فقط. يتم استخدام 4 بت LUT0 للمقطع G ، ولكن بالنسبة للقطاعات الأخرى ، استخدمنا زوجًا من 3 بتات LUT كما هو موضح في الشكل 6. يحتوي LUTs 3 بت أقصى اليسار على a2 / a1 / a0 متصل بمدخلاتهم ، بينما أقصى اليمين 3 بت LUTs لها a3 متصلة بمدخلاتها.

يمكن استنتاج جميع جداول البحث من جدول الحقيقة الخاص بوحدة فك التشفير المكون من 7 مقاطع الموضح في الجدول 2. وهي معروضة في الجدول 3 والجدول 4 والجدول 5 والجدول 6 والجدول 7 والجدول 8 والجدول 9.

يتم توصيل دبابيس التحكم الخاصة بـ GPIOs التي تتحكم في شاشة العرض المكونة من 7 مقاطع بـ "COUNT / DISP-IN" من خلال عاكس كمخرجات عندما يكون "COUNT / DISP-IN" منخفضًا ، مما يعني أن العرض يتغير فقط أثناء مهمة العرض. لذلك ، أثناء مهمة الجرد ، تكون شاشات العرض متوقفة عن التشغيل وأثناء عرض المهمة تعرض النبضات المحسوبة.

قد تكون هناك حاجة إلى مؤشر الفاصلة العشرية في مكان ما داخل شاشة العرض المكونة من 7 أجزاء. لهذا السبب ، يتم توصيل PIN5 ، المسمى "DP-OUT" ، بشبكة "COUNT / DISP" المعكوسة ونقوم بتوصيلها بـ DP للشاشة المقابلة. في تطبيقنا ، نحتاج إلى عرض الفاصلة العشرية لجهاز عد الوحدات لإظهار الأرقام بتنسيق "xx.x" ، ثم سنقوم بتوصيل "DP-OUT" لجهاز عد الوحدات بإدخال DP للوحدة 7- عرض المقطع ونترك الآخرين غير متصلين.

الخطوة 6: تنفيذ الأجهزة

يوضح الشكل 7 الترابط بين 3 شرائح GreenPAK وتوصيلات كل شريحة بالشاشة المقابلة لها. يتم توصيل خرج الفاصلة العشرية لـ GreenPAK بإدخال DP للشاشة المكونة من 7 مقاطع لإظهار معدل التدفق بصيغته الصحيحة ، بدقة تبلغ 0.1 لتر / دقيقة. يتم توصيل مدخل PWM لشريحة LSB بإخراج PWM لمستشعر تدفق المياه. يتم توصيل مخرجات F / 10 للدوائر بمدخلات PWM للرقاقة التالية. بالنسبة لأجهزة الاستشعار ذات معدلات التدفق الأعلى و / أو الدقة الأكبر ، يمكن تتابع المزيد من الشرائح لإلحاق المزيد من الأرقام.

الخطوة 7: النتائج

لاختبار النظام ، قمنا ببناء PCB بسيط يحتوي على موصلات لتوصيل مآخذ GreenPAK باستخدام 20 رأسًا نسائيًا مزدوج الصفوف. يتم عرض التخطيط والتخطيط لهذا ثنائي الفينيل متعدد الكلور وكذلك الصور في الملحق.

تم اختبار النظام أولاً باستخدام Arduino الذي يحاكي مستشعر معدل التدفق ومصدر للمياه بمعدل تدفق ثابت ومعروف عن طريق توليد نبضات عند 225 هرتز والتي تتوافق مع معدل تدفق يبلغ 30 لترًا / دقيقة على التوالي. كانت نتيجة القياس تساوي 29.7 لتر / دقيقة ، والخطأ حوالي 1٪.

تم إجراء الاختبار الثاني باستخدام مستشعر معدل تدفق المياه ومصدر مياه منزلي. كان القياس بمعدلات تدفق مختلفة 4.5 و 12.4.

استنتاج

يوضح Instructable كيفية إنشاء مقياس تدفق صغير ومنخفض التكلفة ودقيق باستخدام Dialog SLG46533. بفضل GreenPAK ، يعد هذا التصميم أصغر حجمًا وأبسط وأسهل في الإنشاء من الحلول المماثلة.

يمكن لنظامنا قياس معدل تدفق يصل إلى 30 لترًا / دقيقة بدقة 0.1 لتر ، ولكن يمكننا استخدام المزيد من أجهزة GreenPAK لقياس معدلات التدفق الأعلى بدقة أعلى اعتمادًا على مستشعر التدفق. يمكن للنظام القائم على Dialog GreenPAK العمل مع مجموعة واسعة من عدادات تدفق التوربينات.

تم تصميم الحل المقترح لقياس معدل تدفق الماء ، ولكن يمكن تكييفه لاستخدامه مع أي جهاز استشعار يخرج إشارة PWM ، مثل مستشعر معدل تدفق الغاز.