Cómo crear un medidor de flujo de agua: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Se puede fabricar fácilmente un medidor de flujo de líquido preciso, pequeño y de bajo costo utilizando componentes GreenPAK ™. En este Instructable presentamos un medidor de flujo de agua que mide continuamente el flujo de agua y lo muestra en tres pantallas de 7 segmentos. El rango de medición del sensor de flujo es de 1 a 30 litros por minuto. La salida del sensor es una señal PWM digital con una frecuencia proporcional al caudal de agua.

Tres CI de matriz de señal mixta programable GreenPAK SLG46533 cuentan el número de pulsos dentro de un tiempo base T. Este tiempo base se calcula de manera que el número de pulsos es igual al caudal en ese período, luego este número calculado se muestra en el 7 -segmento de pantallas. La resolución es de 0,1 litros / min.

La salida del sensor está conectada a una entrada digital con disparador Schmitt de una primera Matriz de señal mixta que cuenta el número fraccionario. Los chips se conectan en cascada a través de una salida digital, que está conectada a una entrada digital de una matriz de señal mixta en proceso. Cada dispositivo está conectado a una pantalla de cátodo común de 7 segmentos a través de 7 salidas.

El uso de una matriz de señal mixta programable GreenPAK es preferible a muchas otras soluciones, como microcontroladores y componentes discretos. Comparado con un microcontrolador, un GreenPAK es más económico, más pequeño y más fácil de programar. En comparación con un diseño de circuitos integrados de lógica discreta, también es de menor costo, más fácil de construir y más pequeño.

Para que esta solución sea comercialmente viable, el sistema debe ser lo más pequeño posible y estar encerrado dentro de un recinto resistente al agua y resistente al agua, el polvo, el vapor y otros factores para que pueda funcionar en diversas condiciones.

Para probar el diseño, se construyó una PCB simple. Los dispositivos GreenPAK se conectan a esta PCB mediante conectores de cabezal hembra de doble fila de 20 pines.

Las pruebas se realizan por primera vez utilizando pulsos generados por un Arduino y en una segunda vez se midió el caudal de agua de una fuente de agua doméstica. El sistema ha mostrado una precisión del 99%.

Descubra todos los pasos necesarios para comprender cómo se ha programado el chip GreenPAK para controlar el medidor de flujo de agua. Sin embargo, si solo desea obtener el resultado de la programación, descargue el software GreenPAK para ver el archivo de diseño GreenPAK ya completado. Conecte el kit de desarrollo GreenPAK a su computadora y presione el programa para crear el IC personalizado para controlar su medidor de flujo de agua. Siga los pasos que se describen a continuación si está interesado en comprender cómo funciona el circuito.

Paso 1: Descripción general del sistema

Una de las formas más comunes de medir el caudal de líquido es exactamente como el principio de medir la velocidad del viento con un anemómetro: la velocidad del viento es proporcional a la velocidad de rotación del anemómetro. La parte principal de este tipo de sensor de flujo es una especie de molinete, cuya velocidad es proporcional al caudal de líquido que lo atraviesa.

Usamos el sensor de flujo de agua YF-S201 de la firma URUK que se muestra en la Figura 1. En este sensor, un sensor de efecto Hall montado en el molinillo emite un pulso con cada revolución. La frecuencia de la señal de salida se presenta en la Fórmula 1, donde Q es el caudal de agua en litros / minuto.

Por ejemplo, si el caudal medido es de 1 litro / minuto, la frecuencia de la señal de salida es de 7,5 Hz. Para visualizar el valor real del caudal en formato 1,0 litro / minuto, tenemos que contar los pulsos durante un tiempo de 1,333 segundos. En el ejemplo de 1.0 litro / minuto, el resultado contado será 10, que se mostrará como 01.0 en las pantallas de siete segmentos. En esta aplicación se abordan dos tareas: la primera es contar pulsos y la segunda muestra el número cuando se completa la tarea de conteo. Cada tarea dura 1.333 segundos.

Paso 2: Implementación de GreenPAK Designer

El SLG46533 tiene muchas macrocélulas de funciones de combinación versátiles y se pueden configurar como tablas de consulta, contadores o D-Flip-Flops. Esta modularidad es lo que hace que GreenPAK sea adecuado para la aplicación.

El programa tiene 3 etapas: la etapa (1) genera una señal digital periódica para alternar entre las 2 tareas del sistema, la etapa (2) cuenta los pulsos del sensor de flujo y la etapa (3) muestra el número fraccionario.

Paso 3: Primera etapa: Conmutación de conteo / visualización

Se requiere una salida digital “COUNT / DISP-OUT” que cambia el estado entre alto y bajo cada 1.333 segundos. Cuando está alto, el sistema cuenta los pulsos y cuando está bajo muestra el resultado contado. Esto se puede lograr utilizando cables DFF0, CNT1 y OSC0 como se muestra en la Figura 2.

La frecuencia de OSC0 es de 25 kHz. CNT1 / DLY1 / FSM1 está configurado como un contador, y su entrada de reloj está conectada a CLK / 4 para que la frecuencia de reloj de entrada de CNT1 sea 6.25 kHz. Para el primer período de reloj que dura como se muestra en la Ecuación 1, la salida CNT1 es alta y desde el flanco ascendente de la señal del siguiente reloj, la salida del contador es baja y CNT1 comienza a disminuir desde 8332. Cuando los datos CNT1 llegan a 0, un nuevo pulso en la salida CNT1 es generado. En cada flanco ascendente de la salida CNT1, la salida DFF0 cambia el estado, si es baja, cambia a alta y viceversa.

La polaridad de salida de DFF0 debe configurarse como invertida. CNT1 se establece en 8332 porque el tiempo de recuento / visualización T es igual al que se muestra en la Ecuación 2.

Paso 4: Segunda etapa: contar los pulsos de entrada

Se hace un contador de 4 bits usando DFF3 / 4/5/6, como se muestra en la Figura 4. Este contador se incrementa en cada pulso solo cuando “COUNT / DISP-IN”, que es el PIN 9, es alto. Las entradas de la puerta AND 2-L2 son "COUNT / DISP-IN" y la entrada PWM. El contador se pone a cero cuando llega a 10 o cuando comienza la fase de conteo. El contador de 4 bits se reinicia cuando los pines RESET de los DFF, que están conectados a la misma red "RESET", están bajos.

La LUT2 de 4 bits se utiliza para restablecer el contador cuando llega a 10. Dado que las salidas DFF se invierten, los números se definen invirtiendo todos los bits de sus representaciones binarias: intercambiando ceros por unos y viceversa. Esta representación se llama complemento a 1 del número binario. Las entradas LUT2 de 4 bits IN0, IN1, IN2 e IN3 están conectadas a a0, a1, a2, a3 y a3 respectivamente. La tabla de verdad para 4-LUT2 se muestra en la Tabla 1.

Cuando se registran 10 pulsos, la salida de 4-LUT0 cambia de alta a baja. En este punto, la salida de CNT6 / DLY6, configurada para funcionar en modo de disparo único, cambia a baja durante un período de 90 ns y luego se vuelve a encender. Del mismo modo, cuando “COUNT / DISP-IN” cambia de bajo a alto, es decir. el sistema comienza a contar pulsos. La salida de CNT5 / DLY5, configurada para funcionar en modo de disparo único, cambia demasiado bajo durante un período de 90 ns y luego se vuelve a encender. Es crucial mantener el botón RESET en un nivel bajo por un tiempo y encenderlo nuevamente usando CNT5 y CNT6 para dar tiempo a que todos los DFF se reinicien. Un retraso de 90 ns no tiene ningún impacto en la precisión del sistema, ya que la frecuencia máxima de la señal PWM es 225 Hz. Las salidas CNT5 y CNT6 están conectadas a las entradas de la puerta AND que emite la señal RESET.

La salida de 4-LUT2 también está conectada al Pin 4, etiquetado como "F / 10-OUT", que se conectará a la entrada PWM de la siguiente etapa de conteo del chip. Por ejemplo, si "PWM-IN" del dispositivo de conteo fraccional está conectado a la salida PWM del sensor, y su "F / 10-OUT" está conectado al "PWM-IN" del dispositivo de conteo de unidades y el " F / 10-OUT "de este último está conectado al" PWM-IN "del dispositivo de conteo de decenas y así sucesivamente. "COUNT / DISP-IN" de todas estas etapas debe conectarse al mismo "COUNT / DISP-OUT" de cualquiera de los 3 dispositivos para el dispositivo de conteo fraccionario.

La Figura 5 explica en detalle cómo funciona esta etapa mostrando cómo medir un caudal de 1,5 litros / minuto.

Paso 5: Tercera etapa: Visualización del valor medido

Esta etapa tiene como entradas: a0, a1, a2 y a3 (invertidas), y saldrá a los pines conectados a la pantalla de 7 segmentos. Cada segmento tiene una función lógica que deben realizar las LUT disponibles. Las LUT de 4 bits pueden hacer el trabajo muy fácilmente, pero desafortunadamente solo hay 1 disponible. La LUT0 de 4 bits se usa para el segmento G, pero para los otros segmentos usamos un par de LUT de 3 bits como se muestra en la Figura 6. Las LUT de 3 bits más a la izquierda tienen a2 / a1 / a0 conectado a sus entradas, mientras que las LUT más a la derecha Las LUT de 3 bits tienen a3 conectado a sus entradas.

Todas las tablas de consulta se pueden deducir de la tabla de verdad del decodificador de 7 segmentos que se muestra en la Tabla 2. Se presentan en la Tabla 3, Tabla 4, Tabla 5, Tabla 6, Tabla 7, Tabla 8, Tabla 9.

Los pines de control de GPIO que controlan la pantalla de 7 segmentos están conectados a "COUNT / DISP-IN" a través de un inversor como salidas cuando "COUNT / DISP-IN" es bajo, lo que significa que la pantalla se cambia solo durante la tarea de visualización. Por lo tanto, durante la tarea de conteo, las pantallas están apagadas y durante la tarea de exhibición muestran los pulsos contados.

Es posible que se necesite un indicador de punto decimal en algún lugar dentro de la pantalla de 7 segmentos. Por este motivo, el PIN5, etiquetado como "DP-OUT", se conecta a la red "COUNT / DISP" invertida y lo conectamos al DP del display correspondiente. En nuestra aplicación necesitamos mostrar el punto decimal del dispositivo de conteo de unidades para mostrar números en el formato "xx.x", luego conectaremos "DP-OUT" del dispositivo de conteo de unidades a la entrada DP de la unidad 7- pantalla de segmento y dejamos los demás desconectados.

Paso 6: Implementación de hardware

La Figura 7 muestra la interconexión entre los 3 chips GreenPAK y las conexiones de cada chip a su pantalla correspondiente. La salida de punto decimal del GreenPAK está conectada a la entrada DP de la pantalla de 7 segmentos para mostrar el caudal en su formato correcto, con una resolución de 0,1 litros / minuto. La entrada PWM del chip LSB está conectada a la salida PWM del sensor de flujo de agua. Las salidas F / 10 de los circuitos están conectadas a las entradas PWM del siguiente chip. Para sensores con tasas de flujo más altas y / o mayor precisión, se pueden conectar más chips en cascada para agregar más dígitos.

Paso 7: resultados

Para probar el sistema, construimos una PCB simple que tiene conectores para enchufar enchufes GreenPAK usando conectores hembra de 20 pines de doble fila. El esquema y el diseño de esta placa de circuito impreso, así como las fotografías, se presentan en el Apéndice.

El sistema se probó primero con un Arduino que simula un sensor de caudal y una fuente de agua con un caudal constante conocido generando pulsos a 225 Hz que corresponde a un caudal de 30 litros / minuto respectivamente. El resultado de la medición fue igual a 29,7 litros / minuto, el error es de aproximadamente el 1%.

La segunda prueba se realizó con el sensor de caudal de agua y una fuente de agua doméstica. Las mediciones a diferentes caudales fueron 4.5 y 12.4.

Conclusión

Este Instructable demuestra cómo construir un medidor de flujo preciso, pequeño y de bajo costo usando un Dialog SLG46533. Gracias a GreenPAK, este diseño es más pequeño, más simple y más fácil de crear que las soluciones comparables.

Nuestro sistema puede medir un caudal de hasta 30 litros / minuto con una resolución de 0,1 litros, pero podemos usar más GreenPAK para medir caudales más altos con mayor precisión dependiendo del sensor de flujo. Un sistema basado en Dialog GreenPAK puede funcionar con una amplia gama de caudalímetros de turbina.

La solución sugerida fue diseñada para medir el caudal de agua, pero se puede adaptar para usarse con cualquier sensor que emita una señal PWM, como un sensor de caudal de gas.