Kilo Göstergesi Nasıl Yapılır: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bu uygulamanın temel amacı, bir nesnenin ağırlığını ölçmek ve daha sonra aşırı kilo durumunda bir alarm sesi ile belirtmektir. Sistemin girişi bir yük hücresinden gelir. Giriş, bir diferansiyel yükselteç tarafından yükseltilen bir analog sinyaldir. Analog sinyal, bir ADC kullanılarak dijital bir sinyale dönüştürülür. ADC okuma sonucunun değeri daha sonra istenen yük limitini temsil edecek şekilde ayarlanmış belirli bir değerle karşılaştırılır. Aşırı kilo oluşursa, uyarı 1 Hz frekansında açılır. Bu uygulama notunda, ağırlık sensörü olarak bir gerinim ölçer, diferansiyel yükseltici olarak SLG88104 ve ADC ve sinyal koşullandırma olarak SLG46140V kullanacağız. Sistem, istenen yük limitini (60 Kg) aşan bir yük uygulanarak kanıtlanabilir. Bu durumda alarm 1 Hz frekansında açıksa, sistem işlevselliği doğrudur. GreenPAK™ ile tasarlamanın temel avantajları, ürünün daha küçük, daha düşük maliyetli, daha basit ve geliştirmesi kolay olmasıdır. GreenPAK, GreenPAK Designer'da mühendislerin yeni tasarımları hızlı ve kolay bir şekilde uygulamalarına ve değişen tasarım gereksinimlerine yanıt vermesine olanak tanıyan basit bir GUI arayüzüne sahiptir. Daha da geliştirmek istiyorsak, bu çözüm mükemmel bir seçimdir. GreenPAK kullanmak bu tasarımı çok basit, hafif ve çoğu uygulamada uygulamak için yalnızca küçük bir alan kaplar. GreenPAK içinde bulunan dahili devre kaynakları nedeniyle, bu tasarım çok fazla ek IC eklemek zorunda kalmadan daha fazla özellikle geliştirilebilir. Bu sistemin işlevselliğini doğrulamak için GreenPAK simülasyon aracıyla tasarlanan devreyi uygulamamız yeterli.

GreenPAK çipinin Aşırı Kilo Göstergesini kontrol etmek için nasıl programlandığını anlamak için gereken tüm adımları keşfedin. Ancak, sadece programlamanın sonucunu almak istiyorsanız, halihazırda tamamlanmış GreenPAK Tasarım Dosyasını görüntülemek için GreenPAK yazılımını indirin. GreenPAK Geliştirme Kitini bilgisayarınıza takın ve Aşırı Kilo Göstergenizi kontrol etmek için özel IC'yi oluşturmak için programa basın. Devrenin nasıl çalıştığını anlamakla ilgileniyorsanız, aşağıda açıklanan adımları izleyin.

Adım 1: Tasarım Yaklaşımı

Bu tasarımın ana fikri, aşağıdaki şemada gösterildiği gibi, ağırlığın dijital ölçekte kalibrasyonunu kolaylaştırmaktır. Bu sistemin nasıl çalıştığını açıklayan dört durum olduğunu varsayalım. Sistem tipik bir Ağırlık Sensörü Bölümüne (A) sahiptir ve ardından Analog'u Dijital veriye dönüştürür. Sensörler tipik olarak çok düşük seviyeli analog değerler üretir ve dijital sinyallere dönüştürüldükten sonra daha kolay işlenebilir. Kullanılacak sinyal, okunabilir sayısal verilere sahip olacaktır. Dijital formda elde edilen veriler, istenen dijital değere (ağır veya hafif nesneler için) yeniden işlenebilir. Nihai değerin durumunu belirtmek için bir buzzer kullanıyoruz, ancak kolayca değiştirilebilir. Bir ses göstergesi için iyi bilinen bir yanıp sönme kullanılabilir (Gecikme Sesi Göstergesi (B)). Bu deneyde, Wheatstone köprü prensibi kullanılarak bağlanmış dört yük hücresi sensörüne sahip mevcut bir ölçek kullandık. Halihazırda dijital ölçeklerde bulunan LCD'ye gelince, yalnızca mevcut ölçeklerle oluşturulan değerin doğrulanması için bırakılır.

2. Adım: Geribildirim Girişi

Bu sistem için giriş geri beslemesi, sensör tarafından çok düşük voltaj şeklinde bir analog sinyal sağlamak için elde edilen basınçtan gelir, ancak yine de tartı verileri olarak işlenebilir. Dijital tarama sensörünün en basit devresi, uygulanan ağırlık / basınca göre direnç değerini değiştirebilen basit bir dirençten yapılmıştır. Sensör devresi Şekil 2'de görülebilir.

Terazinin her bir köşesine yerleştirilen sensörler, toplam girdi için doğru değerler sağlayacaktır. Sensör dirençlerinin ana bileşenleri, her bir sensörü ölçmek için kullanılabilen köprüler halinde birleştirilebilir. Bu devre, birbirine bağlı dört kaynak kullanan dijital devrelerde yaygın olarak kullanılır. Deneylerimiz için sadece bir ölçeğe gömülü dört sensörü kullanıyoruz ve bu ölçekte LCD ve kontrolör gibi önceden gömülü sistemler sadece tasarımımızı doğrulamak için tutuluyor. Kullandığımız devreler Şekil 3'te görülebilir.

Bir Wheatstone köprüsü tipik olarak ölçüm aletlerini kalibre etmek için kullanılır. Bir Wheatstone köprüsünün avantajları, mili-ohm aralığında çok düşük değerleri ölçebilmesidir. Bu nedenle, oldukça düşük dirençli sensörlere sahip dijital teraziler çok güvenilir olabilir. Şekil 4'te formülü ve Wheatstone köprü devresini görebiliriz.

Voltaj çok küçük olduğundan, voltajın bir kontrolör tarafından okunabilecek kadar yükseltilmesi için bir enstrümantasyon amplifikatörüne ihtiyacımız var. Giriş enstrümantasyon yükselticisinden elde edilen geri besleme gerilimi, kontrolör tarafından okunabilen bir gerilime işlenir (bu tasarımda 0 ila 5 volt). SLG88104 devresindeki kazanç direncini ayarlayarak kazancı uygun şekilde ayarlayabiliriz. Şekil 5, kullanılan SLG88104 devresinin çıkış voltajını belirlemek için formülü göstermektedir.

Bu formülden kazanç ilişkisi açıklanmıştır. Kazanç direncinin değeri artırılırsa, elde edilen kazanç daha düşük olacaktır ve kazanç direnci değeri azaltılırsa bunun tersi olacaktır. Değerdeki artış veya azalma küçük olsa bile çıktı yanıtı oldukça vurgulanacaktır. Dijital terazi girdiye karşı daha duyarlı hale gelebilir (sadece biraz ağırlıkla, değer önemli ölçüde değişir) veya eklenen hassasiyet azalırsa bunun tersi de olabilir. Bu sonuç bölümünde görülebilir.

3. Adım: Kazanımı Kontrol Edin

Bu, donanım kazanç kalibrasyon işleminden (kazanç direnci kalibrasyonu) geçtikten sonra kazancı tekrar kontrol edebilen bir tasarımdır. Ağırlık sensörü bölümü (A) tasarımından, enstrüman amplifikatöründen elde edilen veriler, kazancın daha kolay ayarlanabilmesi için veriler tekrar işlenebilir. Avantajı, bir donanım kazanç direnci değişikliğinden kaçınabilmemizdir.

Şekil 5'te ADC modülü ile analog değer dijitale geçmeden önce kazancı ayarlayabilen bir PGA bulunmaktadır. SLG88104 devresinin Vout çıkışından giriş referansını sağlıyoruz. PGA kazancı, ihtiyacımız olan ölçümlere göre bu şekilde ayarlanacaktır. Tek uçlu ADC modu ile x0.25 kazanç kullanıyoruz. X0.25 ile kazanç o kadar büyük değil ki, ADC dönüştürücü tarafından elde edilen giriş, 70 Kg olan Arduino kullanarak denediğimize göre yeterince büyük veya maksimum ağırlığı ölçebilir. Bundan sonra, ADC karşılaştırıcısı olarak CNT2 sayacı ile verileri karşılaştır kullanıyoruz, böylece değişikliği sesli gösterge ile bilebiliriz. İşin püf noktası, ağırlık > 60 kg olduğunda DCMP0 Çıkışı "1" olacak şekilde CNT2 değerinin kalibrasyon değişikliği yoluyla yaptığımız karşılaştırıcıdır. Ses göstergesi, blok gecikme ses göstergesini kullanarak önceden belirlenmiş bir frekansta yanacaktır, böylece süre 0,5 s olduğunda blok mantık "1" olacaktır. CNT0 sayaç verilerini ayarlayabileceğimiz gecikme, 500 ms'lik çıkış periyodunu ayarlar.

Adım 4: Düşük Geçiş Filtresi

Diferansiyel yükseltici çıkış sinyalinin filtrelenmesi tercih edilir. Girişimi reddetmeye yardımcı olur ve geniş bant gürültüsünü azaltır. Uygulanan düşük geçiş filtresi (LPF) gereksiz gürültüyü azaltır. Bu basit alçak geçiren filtre devresi, yüke seri bağlı bir direnç ve yüke paralel bir kapasitörden oluşur. Bazı deneyler, frekans spektrum analizi sırasında 32.5-37.5 Hz geçiş bandına sahip bant geçiren filtrede gürültü bileşeninin algılanabilir olduğunu göstermiştir. LPF'nin kesme frekansı,, fco, 1.75f??, = fpeak formülü kullanılarak 20 Hz'ye ayarlandı. Genellikle kapasitörler çok küçük olmalıdır, örneğin 100 μF.

F?? = 1/2???

Elde edilen R = 80 Ω.

Adım 5: GreenPAK Tasarım Bileşeni

GreenPAK'ın ADC modülüne ihtiyacımız olan bileşenleri içerdiğini Şekil 8'den görebiliriz ve bekleme süresi için Sayaç.

ADC Modülü bölümünde, PGA kazancı gerektiği gibi kazancı azaltabilir veya artırabilir. PGA kazancı, SLG88104 devresindeki kazanç direnci ile aynı işleve sahiptir.

ADC tarafından elde edilen çıkış verileri, sayaç veri değeri eklenerek veya azaltılarak sayaç kalibrasyon verileri ile bu şekilde düzenlenir. Oluşturduğumuz donanıma ve çıktı alınacak uygun ağırlığa göre ayarlayabiliyoruz. Bu demo için 60 kg için 250 sayaç veri değerini alıp ayarlıyoruz.

Bekleme süresi sayacı CNT0'dır. CNT0 üzerindeki sayaç verileri, ses göstergesinin ne kadar süre açık kalacağını belirleyecektir. Bu değeri istediğimiz gibi ayarlayabiliriz. Bu demo için veri sayacı 3125'i 0,5 s için kullanıyoruz.

Standart AND kapılarıyla karşılaştırmak için LUT0 kullanıyoruz, böylece 0,5 s'lik tam süre ve ağırlık 60 kg'ı aşarsa, Ses göstergesi çalacaktır.

6. Adım: Sonuç

Bu simülasyon için iki test yaptık. İlk olarak, daha sonra işlenmek üzere elde edilen girişe Direnç Kazancının etkisini bilmeye ve yapılan dijital ölçeğe en uygun kazanç direncinin kalibrasyon değerini almaya çalışıyoruz. İkincisi, elde etmek istediğiniz kazancı mükemmelleştirebilmek için tasarımı SLG46140 kullanarak yapmaktır. Testten sonra, oluşturulan amplifikatör devresinin kapasitesini ve geliştirilen dijital terazilerin yeteneklerini maksimize etmek için dijital teraziler için direnç değerinin en yüksek noktasını aradık. Bu tasarım ile ± 6.8 Ohm'luk en yüksek kazanç direnci değerini elde ederiz ve ölçülen maksimum ağırlık ± 60 Kg'dır. Kazanç direncinin değerini ayarlamak oldukça karmaşıktır çünkü tasarım, gerekli kazanç direncini de büyük ölçüde etkiler. Bu örnekte kullanılan dijital tartı için, daha yüksek ağırlık elde etmek amacıyla 6.8 Ohm'u aşmak zor olmuştur.

Ayrıca ikinci testten (SLG46140 ve özellikleri kullanılarak) ölçmek istediğiniz maksimum ağırlık, kazancı ayarlayan PGA modülü kullanılarak ayarlanabilir. Kazanç ayarı x 0.25 ile test ediyoruz ve ses göstergesi >60 kg ağırlıkla tetikleniyor. Yukarıdaki sonuçlara göre, fonksiyonel olarak dijital terazi kalibrasyonu iyi gidiyor. Bu, manuel donanım değişikliklerine kıyasla amplifikatörün ayarlanmasında çok yararlıdır. Amplifikatör kazanç kalibrasyonunu ayarlayabilen ve ADC özelliği de olan bir kontrolöre kıyasla boyut olarak da olumlu bir şekilde karşılaştırıyoruz. Burada sunulan tasarım avantajları arasında daha küçük fiziksel boyut, basitlik, güç tüketimi, fiyat ve kolayca özelleştirilebilir yer alır.

Çözüm

SLG46140'ı kullanan bu Aşırı Kilo göstergesi, önceden ayarlanmış bir ağırlık göstergesi için ideal bir çözümdür. Yukarıdaki Dialog Semiconductor GreenPAK tasarımı, SLG88104 kullanılarak tamamlanmıştır. Daha düşük karşılaştırmalı maliyet, küçük alan, düşük güç ve programlama kolaylığı GreenPAK, bunu bir mikro denetleyici tasarımına kıyasla öne çıkarır. Wheatstone köprüsü, diferansiyel yükselteç ve ayarlanabilir kazanç ilkeleri gösterildi. Bu tasarım örneği, çok düşük dirençli enstrümantasyonda oldukça güvenilir olduğu için diğer Wheatstone köprü uygulamalarına da genişletilebilir.