Como criar um medidor de fluxo de água: 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Um medidor de fluxo de líquido preciso, pequeno e de baixo custo pode ser facilmente feito usando componentes GreenPAK ™. Neste Instructable, apresentamos um medidor de fluxo de água que mede continuamente o fluxo de água e o exibe em três displays de 7 segmentos. A faixa de medição do sensor de fluxo é de 1 a 30 litros por minuto. A saída do sensor é um sinal PWM digital com uma frequência proporcional à vazão de água.

Três ICs de matriz de sinais mistos programáveis GreenPAK SLG46533 contam o número de pulsos dentro de um tempo base T. Este tempo base é calculado de modo que o número de pulsos seja igual à taxa de fluxo naquele período, então este número calculado é exibido no 7 -segment exibe. A resolução é de 0,1 litros / min.

A saída do sensor é conectada a uma entrada digital com gatilho Schmitt de uma primeira matriz de sinais mistos que conta o número fracionário. Os chips são conectados em cascata por meio de uma saída digital, que é conectada a uma entrada digital de uma matriz de sinais mistos em andamento. Cada dispositivo é conectado a uma tela de cátodo comum de 7 segmentos por meio de 7 saídas.

Usar uma matriz de sinais mistos programáveis GreenPAK é preferível a muitas outras soluções, como microcontroladores e componentes discretos. Comparado a um microcontrolador, um GreenPAK tem custo mais baixo, é menor e mais fácil de programar. Em comparação com um projeto de circuitos integrados lógicos discretos, também tem custo mais baixo, é mais fácil de construir e é menor.

Para tornar esta solução comercialmente viável, o sistema deve ser o menor possível e ser encerrado dentro de um invólucro rígido e à prova d'água para ser resistente à água, poeira, vapor e outros fatores para que possa operar em várias condições.

Para testar o projeto, um PCB simples foi construído. Os dispositivos GreenPAK são conectados a este PCB usando conectores fêmea de 20 pinos de filas duplas.

Os testes são feitos pela primeira vez usando pulsos gerados por um Arduino e, em uma segunda vez, a taxa de fluxo de água de uma fonte de água doméstica foi medida. O sistema apresentou uma precisão de 99%.

Descubra todas as etapas necessárias para entender como o chip GreenPAK foi programado para controlar o medidor de fluxo de água. No entanto, se você deseja apenas obter o resultado da programação, baixe o software GreenPAK para visualizar o arquivo de design GreenPAK já concluído. Conecte o GreenPAK Development Kit ao seu computador e acesse o programa para criar o IC personalizado para controlar seu medidor de fluxo de água. Siga as etapas descritas abaixo se você estiver interessado em entender como o circuito funciona.

Etapa 1: Descrição geral do sistema

Uma das maneiras mais comuns de medir a vazão de líquido é exatamente como o princípio de medir a velocidade do vento por um anemômetro: a velocidade do vento é proporcional à velocidade de rotação do anemômetro. A parte principal desse tipo de sensor de fluxo é uma espécie de cata-vento, cuja velocidade é proporcional à vazão do líquido que passa por ele.

Usamos o sensor de fluxo de água YF-S201 da empresa URUK mostrado na Figura 1. Neste sensor, um sensor de efeito Hall montado no cata-vento emite um pulso a cada revolução. A frequência do sinal de saída é apresentada na Fórmula 1, onde Q é a vazão de água em litros / minuto.

Por exemplo, se a vazão medida for 1 litro / minuto, a frequência do sinal de saída é 7,5 Hz. Para mostrar o valor real da vazão no formato 1,0 litro / minuto, temos que contar os pulsos por um tempo de 1,333 segundos. No exemplo de 1,0 litro / minuto, o resultado contado será 10, que será exibido como 01,0 nos visores de sete segmentos. Duas tarefas são abordadas nesta aplicação: a primeira é a contagem de pulsos e a segunda exibe o número quando a tarefa de contagem é concluída. Cada tarefa dura 1.333 segundos.

Etapa 2: Implementação do GreenPAK Designer

O SLG46533 tem muitas macrocélulas de função de combinação versátil e elas podem ser configuradas como tabelas de consulta, contadores ou flip-flops D. Essa modularidade é o que torna o GreenPAK adequado para a aplicação.

O programa tem 3 estágios: o estágio (1) gera um sinal digital periódico para alternar entre as 2 tarefas do sistema, o estágio (2) conta os pulsos do sensor de fluxo e o estágio (3) exibe o número fracionário.

Etapa 3: Primeiro Estágio: Contagem / Exibição da Troca

É necessária uma saída digital “COUNT / DISP-OUT” que muda o estado entre alto e baixo a cada 1,333 segundos. Quando alto, o sistema conta os pulsos e quando baixo exibe o resultado contado. Isso pode ser alcançado usando DFF0, CNT1 e OSC0 com fio como mostrado na Figura 2.

A frequência de OSC0 é 25 kHz. CNT1 / DLY1 / FSM1 é configurado como um contador e sua entrada de relógio é conectada a CLK / 4 para que a frequência de relógio de entrada de CNT1 seja de 6,25 kHz. Para o primeiro período de relógio que dura como mostrado na Equação 1, a saída de CNT1 é alta e a partir da borda ascendente do sinal do próximo relógio, a saída do contador é baixa e CNT1 começa a diminuir de 8332. Quando os dados de CNT1 chegam a 0, um novo pulso na saída de CNT1 é gerado. Em cada borda de subida da saída CNT1, a saída DFF0 muda o estado, se baixo, muda para alto e vice-versa.

A polaridade de saída do DFF0 deve ser configurada como invertida. CNT1 é definido como 8332 porque o tempo de contagem / exibição T é igual ao mostrado na Equação 2.

Etapa 4: Segundo estágio: contagem de pulsos de entrada

Um contador de 4 bits é feito usando DFF3 / 4/5/6, conforme mostrado na Figura 4. Este contador aumenta em cada pulso apenas quando “COUNT / DISP-IN”, que é o PIN 9, é alto. As entradas da porta AND 2-L2 são "COUNT / DISP-IN" e a entrada PWM. O contador é zerado quando atinge 10 ou quando a fase de contagem começa. O contador de 4 bits é zerado quando os pinos DFFs RESET, que estão conectados à mesma rede “RESET”, estão baixos.

LUT2 de 4 bits é usado para zerar o contador quando ele atinge 10. Como as saídas DFF são invertidas, os números são definidos pela inversão de todos os bits de suas representações binárias: trocando 0s por 1s e vice-versa. Esta representação é chamada de complemento de 1 do número binário. As entradas LUT2 de 4 bits IN0, IN1, IN2 e IN3 são conectadas a a0, a1, a2, a3 e a3 respectivamente. A tabela verdade para 4-LUT2 é mostrada na Tabela 1.

Quando 10 pulsos são registrados, a saída de 4-LUT0 muda de alta para baixa. Neste ponto, a saída do CNT6 / DLY6, configurada para funcionar no modo de disparo único, muda para baixa por um período de 90 ns e liga novamente. Da mesma forma, quando “COUNT / DISP-IN” muda de baixo para alto, isto é. o sistema começa a contar os pulsos. A saída do CNT5 / DLY5, configurada para funcionar no modo de disparo único, muda muito para baixo por um período de 90 ns e liga novamente. É crucial manter o botão RESET em um nível baixo por um tempo e ligá-lo novamente usando CNT5 e CNT6 para dar tempo para que todos os DFFs sejam zerados. Um atraso de 90 ns não tem impacto na precisão do sistema, pois a frequência máxima do sinal PWM é 225 Hz. As saídas CNT5 e CNT6 são conectadas às entradas da porta AND que produz o sinal RESET.

A saída de 4-LUT2 também é conectada ao pino 4, identificado como "F / 10-OUT", que será conectado à entrada PWM do próximo estágio de contagem do chip. Por exemplo, se "PWM-IN" do dispositivo de contagem fracionária estiver conectado à saída PWM do sensor, e seu "F / 10-OUT" estiver conectado ao "PWM-IN" do dispositivo de contagem de unidades e o " F / 10-OUT "deste último é conectado ao" PWM-IN "do dispositivo de contagem de dezenas e assim por diante. "COUNT / DISP-IN" de todos esses estágios deve ser conectado ao mesmo "COUNT / DISP-OUT" de qualquer um dos 3 dispositivos para o dispositivo de contagem fracionária.

A Figura 5 explica em detalhes como esse estágio funciona, mostrando como medir uma taxa de fluxo de 1,5 litros / minuto.

Etapa 5: Terceiro estágio: exibindo o valor medido

Este estágio tem como entradas: a0, a1, a2 e a3 (reverso), e dará saída para os pinos conectados ao display de 7 segmentos. Cada segmento possui uma função lógica a ser realizada pelos LUTs disponíveis. LUTs de 4 bits podem fazer o trabalho com muita facilidade, mas, infelizmente, apenas 1 está disponível. O LUT0 de 4 bits é usado para o segmento G, mas para os outros segmentos usamos um par de LUTs de 3 bits, conforme mostrado na Figura 6. Os LUTs de 3 bits mais à esquerda têm a2 / a1 / a0 conectado às suas entradas, enquanto os mais à direita LUTs de 3 bits têm A3 conectado às suas entradas.

Todas as tabelas de consulta podem ser deduzidas da tabela verdade do decodificador de 7 segmentos mostrada na Tabela 2. Elas são apresentadas na Tabela 3, Tabela 4, Tabela 5, Tabela 6, Tabela 7, Tabela 8, Tabela 9.

Pinos de controle de GPIOs que controlam o display de 7 segmentos são conectados a "COUNT / DISP-IN" através de um inversor como saídas quando "COUNT / DISP-IN" está baixo, o que significa que o display é alterado apenas durante a tarefa de exibição. Portanto, durante a tarefa de contagem, os visores estão DESLIGADOS e durante a tarefa de exibição eles exibem os pulsos contados.

Um indicador de ponto decimal pode ser necessário em algum lugar dentro do display de 7 segmentos. Por este motivo, o PIN5, identificado como "DP-OUT", é conectado à rede "COUNT / DISP" invertida e nós o conectamos ao DP do display correspondente. Em nossa aplicação, precisamos exibir o ponto decimal do dispositivo de contagem de unidades para mostrar os números no formato "xx.x", então conectaremos "DP-OUT" do dispositivo de contagem de unidades à entrada DP da unidade 7- exibição do segmento e deixamos os outros desconectados.

Etapa 6: Implementação de Hardware

A Figura 7 mostra a interconexão entre os 3 chips GreenPAK e as conexões de cada chip ao seu display correspondente. A saída do ponto decimal do GreenPAK é conectada à entrada DP do display de 7 segmentos para mostrar a vazão em seu formato correto, com resolução de 0,1 litros / minuto. A entrada PWM do chip LSB é conectada à saída PWM do sensor de fluxo de água. As saídas F / 10 dos circuitos são conectadas às entradas PWM do seguinte chip. Para sensores com taxas de fluxo mais altas e / ou maior precisão, mais chips podem ser colocados em cascata para acrescentar mais dígitos.

Etapa 7: Resultados

Para testar o sistema, construímos uma placa de circuito impresso simples que tem conectores para plugar soquetes GreenPAK usando conectores fêmea de duas carreiras de 20 pinos. O esquema e o layout deste PCB, bem como as fotos, são apresentados no Apêndice.

O sistema foi testado primeiro com um Arduino que simula um sensor de taxa de fluxo e uma fonte de água com uma taxa de fluxo constante e conhecida, gerando pulsos a 225 Hz que correspondem a uma taxa de fluxo de 30 litros / minuto, respectivamente. O resultado da medição foi igual a 29,7 litros / minuto, o erro é de cerca de 1%.

O segundo teste foi feito com o sensor de taxa de fluxo de água e uma fonte de água doméstica. As medições em diferentes taxas de fluxo foram 4,5 e 12,4.

Conclusão

Este Instructable demonstra como construir um medidor de fluxo pequeno, de baixo custo e preciso usando um Dialog SLG46533. Graças ao GreenPAK, este design é menor, mais simples e mais fácil de criar do que soluções comparáveis.

Nosso sistema pode medir uma taxa de fluxo de até 30 litros / minuto com uma resolução de 0,1 litros, mas podemos usar mais GreenPAKs para medir taxas de fluxo mais altas com maior precisão dependendo do sensor de fluxo. Um sistema baseado em Dialog GreenPAK pode funcionar com uma ampla variedade de medidores de vazão de turbina.

A solução sugerida foi projetada para medir a vazão de água, mas pode ser adaptada para ser usada com qualquer sensor que emita um sinal PWM, como um sensor de vazão de gás.