Cách tạo chỉ số thừa cân: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Mục tiêu chính của ứng dụng này là đo trọng lượng của một vật thể sau đó chỉ ra bằng âm thanh báo động trong trường hợp quá cân. Đầu vào của hệ thống đến từ cảm biến lực. Đầu vào là tín hiệu tương tự đã được khuếch đại bằng bộ khuếch đại vi sai. Tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số bằng bộ ADC. Giá trị của kết quả đọc ADC sau đó được so sánh với một giá trị nhất định được đặt để nó thể hiện giới hạn tải mong muốn. Nếu xảy ra quá tải, cảnh báo sẽ bật với tần số 1 Hz. Trong ghi chú ứng dụng này, chúng tôi sẽ sử dụng máy đo biến dạng làm cảm biến trọng lượng, SLG88104 làm bộ khuếch đại vi sai và SLG46140V làm ADC và điều hòa tín hiệu. Hệ thống có thể được chứng minh bằng cách áp dụng tải trọng vượt quá giới hạn tải mong muốn (60 Kg). Chức năng hệ thống là chính xác nếu ở điều kiện đó, cảnh báo được bật với tần số 1 Hz. Ưu điểm chính của việc thiết kế với GreenPAK ™ là sản phẩm nhỏ hơn, chi phí thấp hơn, đơn giản hơn và dễ phát triển. GreenPAK có giao diện GUI đơn giản trong GreenPAK Designer, cho phép các kỹ sư triển khai nhanh chóng và dễ dàng các thiết kế mới và đáp ứng các yêu cầu thiết kế thay đổi. Nếu chúng tôi muốn phát triển nó hơn nữa, giải pháp này là một sự lựa chọn tuyệt vời. Sử dụng GreenPAK làm cho thiết kế này rất đơn giản, trọng lượng nhẹ và chỉ chiếm một diện tích nhỏ để thực hiện nó trên hầu hết các ứng dụng. Do tài nguyên mạch bên trong có sẵn trong GreenPAK, thiết kế này có thể được cải tiến với nhiều tính năng hơn mà không cần phải thêm quá nhiều IC bổ sung. Để xác minh chức năng của hệ thống này, chúng ta chỉ cần triển khai mạch được thiết kế bằng công cụ mô phỏng GreenPAK.

Khám phá tất cả các bước cần thiết để hiểu cách chip GreenPAK đã được lập trình để kiểm soát Chỉ báo thừa cân. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn lấy kết quả của việc lập trình, hãy tải phần mềm GreenPAK để xem File thiết kế GreenPAK đã hoàn thành. Cắm Bộ phát triển GreenPAK vào máy tính của bạn và nhấn vào chương trình để tạo IC tùy chỉnh để kiểm soát Chỉ số thừa cân của bạn. Thực hiện theo các bước được mô tả dưới đây nếu bạn muốn hiểu cách hoạt động của mạch.

Bước 1: Phương pháp tiếp cận thiết kế

Ý tưởng chính của thiết kế này là tạo điều kiện thuận lợi cho việc hiệu chuẩn trọng lượng trên một cân kỹ thuật số, như được minh họa trong sơ đồ bên dưới. Giả sử có bốn trạng thái để mô tả cách thức hoạt động của hệ thống này. Hệ thống có Phần cảm biến trọng lượng điển hình (A), sau đó thực hiện chuyển đổi dữ liệu Analog sang Digital. Các cảm biến thường tạo ra các giá trị tương tự mức rất thấp và có thể được xử lý dễ dàng hơn sau khi chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số. Tín hiệu được sử dụng sẽ có dữ liệu kỹ thuật số có thể đọc được. Dữ liệu thu được ở dạng kỹ thuật số có thể được xử lý lại thành giá trị kỹ thuật số mong muốn (đối với vật nặng hoặc nhẹ). Để chỉ ra trạng thái của giá trị cuối cùng, chúng tôi sử dụng bộ rung, nhưng nó có thể được thay đổi dễ dàng. Đối với chỉ báo bằng giọng nói, người ta có thể sử dụng một nhấp nháy nổi tiếng (Chỉ báo âm thanh trễ (B)). Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng một thang đo hiện có có bốn cảm biến lực cảm biến được kết nối bằng cách sử dụng nguyên lý cầu Wheatstone. Đối với màn hình LCD đã có trên các thang đo kỹ thuật số, nó chỉ được sử dụng để xác nhận giá trị được tạo ra với các thang đo hiện có.

Bước 2: Nhập phản hồi

Phản hồi đầu vào cho hệ thống này đến từ áp suất mà cảm biến thu được để cung cấp tín hiệu tương tự ở dạng điện áp rất thấp nhưng vẫn có thể được xử lý thành dữ liệu cân trọng lượng. Mạch đơn giản nhất của cảm biến quét kỹ thuật số được làm từ một điện trở đơn giản có thể thay đổi giá trị điện trở của nó theo trọng lượng / áp suất được đặt vào. Mạch cảm biến có thể được nhìn thấy trong Hình 2.

Các cảm biến được đặt ở mỗi góc của cân sẽ cung cấp các giá trị chính xác cho tổng đầu vào. Các thành phần chính của điện trở cảm biến có thể được lắp ráp thành cầu nối có thể được sử dụng để đo từng cảm biến. Mạch này thường được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số sử dụng bốn nguồn phụ thuộc lẫn nhau. Chúng tôi chỉ sử dụng bốn cảm biến được nhúng trên thang đo cho các thí nghiệm của mình và các hệ thống nhúng sẵn trên thang đo này như LCD và bộ điều khiển chỉ được giữ lại để xác thực thiết kế của chúng tôi. Các mạch chúng tôi đã sử dụng có thể được nhìn thấy trong Hình 3.

Cầu Wheatstone thường được sử dụng để hiệu chuẩn các thiết bị đo lường. Ưu điểm của cầu aWheatstone là nó có thể đo các giá trị rất thấp trong dải mili-ohm. Do đó, cân kỹ thuật số có cảm biến điện trở khá thấp có thể rất đáng tin cậy. Chúng ta có thể thấy công thức và mạch cầu Wheatstone trong Hình 4.

Vì điện áp quá nhỏ nên chúng ta cần một bộ khuếch đại thiết bị đo sao cho điện áp được khuếch đại đủ để bộ điều khiển đọc được. Điện áp phản hồi thu được từ bộ khuếch đại thiết bị đo đầu vào được xử lý thành điện áp mà bộ điều khiển có thể đọc được (0 đến 5 volt trong thiết kế này). Chúng ta có thể điều chỉnh độ lợi một cách thích hợp bằng cách đặt điện trở độ lợi trong mạch SLG88104. Hình 5 cho thấy công thức xác định điện áp đầu ra của mạch SLG88104 đã được sử dụng.

Từ công thức này, mối quan hệ đạt được được mô tả. Nếu tăng giá trị của điện trở khuếch đại, thì độ lợi thu được sẽ thấp hơn và ngược lại nếu giảm giá trị điện trở khuếch đại. Phản hồi đầu ra sẽ khá nổi bật ngay cả khi giá trị tăng hoặc giảm nhỏ. Cân kỹ thuật số có thể trở nên nhạy cảm hơn với đầu vào (chỉ với một trọng lượng nhỏ, giá trị đã thay đổi đáng kể), hoặc ngược lại nếu độ nhạy thêm vào giảm xuống. Điều này có thể được nhìn thấy trong phần kết quả.

Bước 3: Kiểm soát Gain

Đây là một thiết kế có thể kiểm soát độ lợi trở lại sau khi trải qua quá trình hiệu chỉnh độ lợi phần cứng (hiệu chỉnh điện trở độ lợi). Từ thiết kế phần cảm biến trọng lượng (A), khi dữ liệu thu được từ bộ khuếch đại thiết bị, dữ liệu có thể được xử lý lại để có thể dễ dàng thiết lập độ lợi hơn. Ưu điểm là chúng ta có thể tránh được sự thay đổi điện trở độ lợi phần cứng.

Trong Hình 5, với mô-đun ADC có một PGA có thể điều chỉnh độ lợi trước khi giá trị tương tự được chuyển thành kỹ thuật số. Chúng tôi cung cấp tham chiếu đầu vào từ đầu ra Vout của mạch SLG88104. Độ lợi PGA sẽ được thiết lập theo cách như vậy tùy theo các phép đo mà chúng ta cần. Chúng tôi sử dụng độ lợi x0,25 với chế độ ADC một đầu. Với x0,25 độ lợi không quá lớn nên đầu vào thu được bởi bộ chuyển đổi ADC có thể đo trọng lượng đủ lớn hoặc tối đa theo những gì chúng tôi đã thử sử dụng Arduino là 70 Kg. Sau đó, chúng tôi sử dụng So sánh dữ liệu với bộ đếm CNT2 làm bộ so sánh ADC, vì vậy chúng tôi có thể biết sự thay đổi với chỉ báo âm thanh. Bí quyết là bộ so sánh chúng tôi thực hiện bằng cách hiệu chỉnh thay đổi giá trị CNT2 sao cho khi trọng lượng> 60 kg, thì Đầu ra của DCMP0 là "1". Chỉ báo Âm thanh sẽ sáng lên với tần số xác định trước bằng cách sử dụng chỉ báo âm thanh trễ khối để khối sẽ ở mức logic "1" khi thời gian là 0,5 s. Độ trễ chúng ta có thể đặt dữ liệu bộ đếm CNT0 điều chỉnh khoảng thời gian đầu ra là 500 ms.

Bước 4: Bộ lọc thông thấp

Tốt hơn là lọc tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại vi sai. Nó giúp loại bỏ nhiễu và giảm nhiễu băng rộng. Bộ lọc thông thấp (LPF) được thực hiện làm giảm tiếng ồn không cần thiết. Mạch lọc thông thấp đơn giản này bao gồm một điện trở mắc nối tiếp với tải và một tụ điện mắc song song với tải. Một số thí nghiệm cho thấy thành phần nhiễu có thể phát hiện được trong bộ lọc băng thông có băng thông 32,5-37,5 Hz trong quá trình phân tích phổ tần số. Tần số cắt, fco, của LPF được đặt thành 20 Hz, bằng cách sử dụng công thức 1.75f ??, = fpeak. Thông thường, các tụ điện phải rất nhỏ, ví dụ 100 μF.

NS?? = 1/2 ???

Thu được R = 80 Ω.

Bước 5: Thành phần thiết kế GreenPAK

Chúng ta có thể thấy từ Hình 8 GreenPAK chứa các thành phần mà chúng ta cần là mô-đun ADC, và Bộ đếm cho thời gian chờ.

Trong phần Mô-đun ADC, độ lợi PGA có thể giảm hoặc tăng độ lợi khi cần thiết. Độ lợi PGA có chức năng tương tự như điện trở độ lợi trong mạch SLG88104.

Dữ liệu đầu ra thu được bởi ADC, được sắp xếp theo cách như vậy bằng dữ liệu hiệu chuẩn bộ đếm bằng cách cộng làm giảm giá trị dữ liệu bộ đếm. Chúng tôi có thể đặt nó theo phần cứng chúng tôi đã tạo và trọng lượng thích hợp để xuất ra. Đối với bản demo này, chúng tôi lấy và đặt giá trị dữ liệu bộ đếm là 250 cho 60 kg.

Bộ đếm thời gian chờ là CNT0. Dữ liệu bộ đếm trên CNT0 sẽ xác định thời gian bật bộ chỉ thị âm thanh. Chúng tôi có thể đặt giá trị này khi chúng tôi cần. Đối với bản demo này, chúng tôi sử dụng bộ đếm dữ liệu 3125 trong 0,5 giây.

Chúng tôi sử dụng LUT0 để so sánh với cổng VÀ tiêu chuẩn sao cho nếu thời gian chính xác là 0,5 giây và trọng lượng vượt quá 60 kg, thì chỉ báo Âm thanh sẽ phát ra âm thanh.

Bước 6: Kết quả

Đối với mô phỏng này, chúng tôi đã thực hiện hai bài kiểm tra. Đầu tiên, chúng ta cố gắng biết ảnh hưởng của Độ lợi điện trở đến đầu vào thu được sau này để được xử lý và nhận giá trị hiệu chuẩn của Độ lợi điện trở phù hợp nhất với thang kỹ thuật số được thực hiện. Thứ hai là thiết kế sử dụng SLG46140 để có thể hoàn thiện mức lợi mà bạn muốn. Sau khi thử nghiệm, chúng tôi đã tìm kiếm điểm cao nhất của giá trị điện trở cho các thang kỹ thuật số để tối đa hóa khả năng của mạch khuếch đại được tạo ra và khả năng của các thang kỹ thuật số đã phát triển. Với thiết kế này, chúng tôi nhận được giá trị điện trở khuếch đại cao nhất là ± 6,8 Ohm và trọng lượng tối đa đo được là ± 60 Kg. Việc điều chỉnh giá trị của điện trở khuếch đại khá phức tạp vì thiết kế cũng ảnh hưởng rất nhiều đến điện trở khuếch đại yêu cầu. Đối với cân kỹ thuật số được sử dụng trong ví dụ này, rất khó để vượt quá 6,8 Ohm trong nỗ lực đạt được trọng lượng cao hơn.

Hơn nữa, từ thử nghiệm thứ hai (sử dụng SLG46140 và các tính năng của nó), trọng lượng tối đa bạn muốn đo có thể được đặt bằng cách sử dụng mô-đun PGA đặt mức tăng. Chúng tôi kiểm tra với cài đặt tăng x 0,25 và chỉ báo âm thanh được kích hoạt với trọng lượng> 60 kg. Dựa trên các kết quả trên, về mặt chức năng, hiệu chuẩn cân kỹ thuật số diễn ra tốt đẹp. Điều này rất hữu ích trong việc thiết lập bộ khuếch đại so với việc thay đổi phần cứng thủ công. Chúng tôi cũng so sánh thuận lợi về kích thước với bộ điều khiển có thể điều chỉnh hiệu chuẩn độ khuếch đại khuếch đại và cũng có tính năng ADC. Những ưu điểm về thiết kế được trình bày ở đây bao gồm kích thước vật lý nhỏ hơn, tính đơn giản, mức tiêu thụ điện năng, giá cả và có thể tùy chỉnh dễ dàng.

Phần kết luận

Chỉ báo Cân nặng sử dụng SLG46140 này là một giải pháp lý tưởng cho một chỉ báo cân nặng đặt trước. Thiết kế GreenPAK của TheDialog Semiconductor ở trên được hoàn thành bằng cách sử dụng SLG88104. Chi phí so sánh thấp hơn, diện tích nhỏ, công suất thấp, cùng với việc dễ dàng lập trình GreenPAK làm cho điều này trở nên nổi bật so với thiết kế vi điều khiển. Cầu Wheatstone, bộ khuếch đại vi sai và các nguyên tắc khuếch đại điều chỉnh đã được chứng minh. Ví dụ thiết kế này cũng có thể được mở rộng cho các ứng dụng cầu Wheatstone khác, vì nó có độ tin cậy cao trên thiết bị đo điện trở rất thấp.