วิธีสร้างตัวบ่งชี้น้ำหนักเกิน: 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

เป้าหมายหลักของแอปพลิเคชันนี้คือการวัดน้ำหนักของวัตถุแล้วระบุด้วยเสียงเตือนในกรณีที่มีน้ำหนักเกิน อินพุตของระบบมาจากโหลดเซลล์ อินพุตเป็นสัญญาณแอนะล็อกที่ได้รับการขยายโดยแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล สัญญาณแอนะล็อกจะถูกแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลโดยใช้ ADC จากนั้น ค่าของผลการอ่าน ADC จะถูกเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดซึ่งกำหนดไว้เพื่อแสดงถึงขีดจำกัดโหลดที่ต้องการ หากมีน้ำหนักเกิน การแจ้งเตือนจะเปิดขึ้นด้วยความถี่ 1 Hz ในบันทึกของแอพนี้ เราจะใช้สเตรนเกจเป็นเซ็นเซอร์น้ำหนัก SLG88104 เป็นแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล และ SLG46140V เป็น ADC และการปรับสภาพสัญญาณ สามารถพิสูจน์ระบบได้โดยใช้น้ำหนักที่เกินขีดจำกัดที่ต้องการ (60 กก.) การทำงานของระบบจะถูกต้องหากในสภาวะนั้น สัญญาณเตือนเปิดอยู่ด้วยความถี่ 1 Hz ข้อได้เปรียบหลักของการออกแบบด้วย GreenPAK™ คือผลิตภัณฑ์มีขนาดเล็กลง ต้นทุนต่ำลง เรียบง่ายขึ้น และง่ายต่อการพัฒนา GreenPAK มีอินเทอร์เฟซ GUI ที่เรียบง่ายใน GreenPAK Designer ช่วยให้วิศวกรนำการออกแบบใหม่ไปใช้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย และตอบสนองต่อข้อกำหนดการออกแบบที่เปลี่ยนแปลงไป หากเราต้องการพัฒนาต่อไป โซลูชันนี้เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยม การใช้ GreenPAK ทำให้การออกแบบนี้ง่ายมาก น้ำหนักเบา และมีเพียงพื้นที่เล็กๆ เท่านั้นที่นำไปใช้ในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ เนื่องจากทรัพยากรวงจรภายในที่มีอยู่ภายใน GreenPAK การออกแบบนี้สามารถปรับปรุงด้วยคุณสมบัติเพิ่มเติมโดยไม่ต้องเพิ่ม IC เพิ่มเติมมากเกินไป ในการตรวจสอบการทำงานของระบบนี้ เราเพียงแค่ปรับใช้วงจรที่ออกแบบด้วยเครื่องมือจำลอง GreenPAK

ค้นพบขั้นตอนทั้งหมดที่จำเป็นเพื่อทำความเข้าใจว่าชิป GreenPAK ได้รับการตั้งโปรแกรมให้ควบคุมตัวบ่งชี้น้ำหนักเกินได้อย่างไร อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการเพียงแค่ผลลัพธ์ของการเขียนโปรแกรม ให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ GreenPAK เพื่อดูไฟล์การออกแบบ GreenPAK ที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว เสียบ GreenPAK Development Kit เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณและกดโปรแกรมเพื่อสร้าง IC แบบกำหนดเองเพื่อควบคุมตัวบ่งชี้น้ำหนักเกินของคุณ ทำตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ด้านล่างหากคุณสนใจที่จะทำความเข้าใจว่าวงจรทำงานอย่างไร

ขั้นตอนที่ 1: แนวทางการออกแบบ

แนวคิดหลักของการออกแบบนี้คือเพื่ออำนวยความสะดวกในการสอบเทียบตุ้มน้ำหนักบนเครื่องชั่งดิจิตอล ดังแสดงในแผนภาพด้านล่าง สมมติว่ามีสี่สถานะเพื่ออธิบายว่าระบบนี้ทำงานอย่างไร ระบบมีส่วนเซ็นเซอร์น้ำหนัก (A) ทั่วไป จากนั้นจะทำการแปลงข้อมูลแอนะล็อกเป็นดิจิทัล โดยทั่วไปแล้ว เซนเซอร์จะสร้างค่าแอนะล็อกระดับต่ำมาก และสามารถประมวลผลได้ง่ายขึ้นหลังจากแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัล สัญญาณที่จะใช้จะมีข้อมูลดิจิตอลที่สามารถอ่านได้ ข้อมูลที่ได้รับในรูปแบบดิจิทัลสามารถประมวลผลใหม่เป็นค่าดิจิทัลที่ต้องการได้ (สำหรับวัตถุหนักหรือเบา) เพื่อระบุสถานะของค่าสุดท้าย เราใช้ออด แต่สามารถเปลี่ยนได้อย่างง่ายดาย สำหรับตัวแสดงเสียง คุณสามารถใช้การกะพริบที่เป็นที่รู้จักได้ (Delay Sound Indicator (B)) ในการทดลองนี้ เราใช้มาตราส่วนที่มีอยู่ซึ่งมีเซ็นเซอร์โหลดเซลล์สี่ตัวเชื่อมต่อกันโดยใช้หลักการสะพานวีทสโตน สำหรับ LCD ที่ใช้เครื่องชั่งดิจิทัลอยู่แล้ว จะเหลือเพียงการตรวจสอบความถูกต้องของค่าที่สร้างด้วยเครื่องชั่งที่มีอยู่

ขั้นตอนที่ 2: ป้อนความคิดเห็น

อินพุตป้อนกลับสำหรับระบบนี้มาจากแรงดันที่ได้รับจากเซ็นเซอร์เพื่อให้สัญญาณแอนะล็อกในรูปของแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก แต่ยังสามารถประมวลผลเป็นข้อมูลเครื่องชั่งน้ำหนักได้ วงจรที่ง่ายที่สุดของเซ็นเซอร์สแกนดิจิทัลทำจากตัวต้านทานธรรมดาที่สามารถเปลี่ยนค่าความต้านทานได้ตามน้ำหนัก/แรงดันที่ใช้ วงจรเซ็นเซอร์สามารถเห็นได้ในรูปที่ 2

เซ็นเซอร์ที่วางอยู่ที่แต่ละมุมของเครื่องชั่งจะให้ค่าที่ถูกต้องสำหรับอินพุตทั้งหมด ส่วนประกอบหลักของตัวต้านทานเซ็นเซอร์สามารถประกอบเป็นสะพานที่สามารถใช้วัดเซ็นเซอร์แต่ละตัวได้ วงจรนี้มักใช้ในวงจรดิจิทัลที่ใช้แหล่งสัญญาณสี่แหล่งที่พึ่งพาอาศัยกัน เราใช้เซ็นเซอร์สี่ตัวที่ฝังอยู่ในมาตราส่วนสำหรับการทดลองของเรา และระบบฝังไว้ล่วงหน้าในมาตราส่วนนี้ เช่น LCD และตัวควบคุม จะถูกเก็บไว้เพื่อตรวจสอบการออกแบบของเราเท่านั้น วงจรที่เราใช้สามารถดูได้ในรูปที่ 3

โดยทั่วไปแล้ว สะพานวีทสโตน ใช้สำหรับสอบเทียบเครื่องมือวัด ข้อดีของ aWheatstone bridge คือสามารถวัดค่าที่ต่ำมากในช่วงมิลลิโอห์มได้ ด้วยเหตุนี้ เครื่องชั่งดิจิตอลที่มีเซ็นเซอร์ความต้านทานต่ำจึงเชื่อถือได้มาก เราจะเห็นสูตรและวงจรสะพานวีทสโตนในรูปที่ 4

เนื่องจากแรงดันไฟฟ้ามีขนาดเล็กมาก เราจึงจำเป็นต้องมีเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด เพื่อให้แรงดันไฟฟ้ามีการขยายเพียงพอที่จะอ่านได้โดยคอนโทรลเลอร์ แรงดันป้อนกลับที่ได้รับจากแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดอินพุตจะถูกประมวลผลเป็นแรงดันไฟฟ้าที่คอนโทรลเลอร์สามารถอ่านได้ (0 ถึง 5 โวลต์ในการออกแบบนี้) เราสามารถปรับเกนได้อย่างเหมาะสมโดยการตั้งค่าตัวต้านทานเกนในวงจร SLG88104 รูปที่ 5 แสดงสูตรกำหนดแรงดันไฟขาออกของวงจร SLG88104 ที่ใช้

จากสูตรนี้ จะอธิบายความสัมพันธ์ที่ได้รับ หากค่าของตัวต้านทานเกนเพิ่มขึ้น เกนที่ได้รับจะลดลง และในทางกลับกันหากค่าตัวต้านทานเกนลดลง การตอบสนองของเอาต์พุตจะถูกเน้นค่อนข้างมากแม้ว่าค่าที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงจะมีเพียงเล็กน้อย เครื่องชั่งดิจิตอลอาจไวต่ออินพุตมากขึ้น (ด้วยน้ำหนักเพียงเล็กน้อย ค่าจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก) หรือในทางกลับกัน หากความไวที่เพิ่มขึ้นลดลง สามารถเห็นได้ในส่วนผลลัพธ์

ขั้นตอนที่ 3: ควบคุมกำไร

นี่คือการออกแบบที่สามารถควบคุมเกนได้อีกครั้งหลังจากผ่านกระบวนการสอบเทียบเกนน์ของฮาร์ดแวร์ (การปรับเทียบตัวต้านทานเกน) จากการออกแบบส่วนเซ็นเซอร์น้ำหนัก (A) เมื่อข้อมูลที่ได้รับจากเครื่องขยายเสียงของอุปกรณ์ ข้อมูลจะถูกประมวลผลอีกครั้งเพื่อให้สามารถตั้งค่าเกนได้ง่ายขึ้น ข้อดีคือเราสามารถหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของฮาร์ดแวร์ได้

ในรูปที่ 5 ด้วยโมดูล ADC จะมี PGA ที่สามารถปรับเกนได้ก่อนที่ค่าแอนะล็อกจะเปลี่ยนเป็นดิจิตอล เราจัดเตรียมข้อมูลอ้างอิงอินพุตจากเอาต์พุต Vout ของวงจร SLG88104 ค่าเกนของ PGA จะถูกตั้งค่าในลักษณะนี้ตามการวัดที่เราต้องการ เราใช้อัตราขยาย x0.25 กับโหมด ADC แบบปลายเดียว ด้วย x0.25 อัตราขยายไม่ใหญ่มากจนอินพุตที่ได้รับจากตัวแปลง ADC สามารถวัดน้ำหนักที่มากเพียงพอหรือสูงสุดตามที่เราได้ลองใช้ Arduino ซึ่งก็คือ 70 Kg หลังจากนั้น เราใช้ Compare data with CNT2 counter เป็นตัวเปรียบเทียบ ADC เพื่อให้ทราบการเปลี่ยนแปลงด้วยสัญญาณเสียง เคล็ดลับคือตัวเปรียบเทียบที่เราทำโดยใช้การเปลี่ยนแปลงการปรับเทียบค่า CNT2 เพื่อที่ว่าเมื่อน้ำหนัก > 60 กก. เอาต์พุตของ DCMP0 จะเป็น "1" ตัวแสดงสถานะเสียงจะสว่างขึ้นพร้อมกับความถี่ที่กำหนดไว้โดยใช้ตัวแสดงสัญญาณเสียงดีเลย์บล็อก ดังนั้นบล็อกจะเป็นลอจิก "1" เมื่อเวลาคือ 0.5 วินาที ความล่าช้าที่เราสามารถตั้งค่าข้อมูลตัวนับ CNT0 ปรับระยะเวลาการส่งออก 500 ms

ขั้นตอนที่ 4: ตัวกรองความถี่ต่ำ

เป็นการดีกว่าที่จะกรองสัญญาณเอาท์พุตของดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์ ช่วยปฏิเสธสัญญาณรบกวนและลดสัญญาณรบกวนแบบไวด์แบนด์ ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำ (LPF) ช่วยลดเสียงรบกวนที่ไม่จำเป็น วงจรกรองความถี่ต่ำผ่านแบบง่ายนี้ประกอบด้วยตัวต้านทานแบบอนุกรมที่มีโหลด และตัวเก็บประจุแบบขนานกับโหลด การทดลองบางรายการแสดงให้เห็นว่าสามารถตรวจจับองค์ประกอบสัญญาณรบกวนได้ในตัวกรองแบนด์พาสที่มีพาสแบนด์ 32.5-37.5 Hz ระหว่างการวิเคราะห์สเปกตรัมความถี่ ความถี่คัทออฟ, fco, ของ LPF ถูกตั้งค่าเป็น 20 Hz โดยใช้สูตร 1.75f??, = fpeak โดยปกติ ตัวเก็บประจุควรมีขนาดเล็กมาก เช่น 100 μF

NS?? = 1/2???

ได้รับ R = 80 Ω

ขั้นตอนที่ 5: ส่วนประกอบการออกแบบ GreenPAK

จากรูปที่ 8 GreenPAK มีส่วนประกอบที่เราต้องการโมดูล ADC และตัวนับเวลารอ

ในส่วนโมดูล ADC อัตราขยายของ PGA สามารถลดหรือเพิ่มอัตราขยายได้ตามต้องการ เกนของ PGA มีฟังก์ชันเดียวกับตัวต้านทานเกนในวงจร SLG88104

ข้อมูลเอาต์พุตที่ได้รับจาก ADC จัดเรียงในลักษณะดังกล่าวโดยข้อมูลการสอบเทียบตัวนับโดยการเพิ่มหรือลดค่าข้อมูลตัวนับ เราสามารถตั้งค่าได้ตามฮาร์ดแวร์ที่เราสร้างขึ้นและน้ำหนักที่เหมาะสมที่จะส่งออก สำหรับการสาธิตนี้ เราได้รับและตั้งค่าข้อมูลตัวนับ 250 สำหรับ 60 กก.

เคาน์เตอร์สำหรับเวลารอคือ CNT0 ข้อมูลตัวนับบน CNT0 จะเป็นตัวกำหนดระยะเวลาที่เครื่องบ่งชี้เสียงจะเปิดใช้งาน เราสามารถตั้งค่านี้ตามที่เราต้องการ สำหรับการสาธิตนี้ เราใช้ตัวนับข้อมูล 3125 เป็นเวลา 0.5 วินาที

เราใช้ LUT0 เพื่อเปรียบเทียบกับเกทมาตรฐาน AND ดังนั้นหากเวลาที่แน่นอนที่ 0.5 วินาทีและน้ำหนักเกิน 60 กก. ไฟแสดงสถานะเสียงจะดังขึ้น

ขั้นตอนที่ 6: ผลลัพธ์

สำหรับการจำลองนี้ เราทำการทดสอบสองครั้ง อันดับแรก เราพยายามจะทราบผลของ Resistor Gain ต่ออินพุตที่ได้รับในภายหลังเพื่อประมวลผลและรับค่าสอบเทียบของตัวต้านทานเกนที่ตรงกับสเกลดิจิตอลที่ผลิตได้มากที่สุด ประการที่สองคือการออกแบบโดยใช้ SLG46140 เพื่อให้สามารถบรรลุผลที่คุณต้องการได้อย่างสมบูรณ์แบบ หลังจากการทดสอบ เราค้นหาจุดสูงสุดของค่าความต้านทานสำหรับเครื่องชั่งดิจิตอลเพื่อเพิ่มความสามารถของวงจรเครื่องขยายเสียงที่สร้างขึ้นและความสามารถของเครื่องชั่งดิจิตอลที่พัฒนาขึ้น ด้วยการออกแบบนี้ เราจะได้ค่าความต้านทานเกนสูงสุดที่ ± 6.8 Ohm และน้ำหนักสูงสุดที่วัดได้คือ ± 60 Kg การปรับค่าของตัวต้านทานเกนค่อนข้างซับซ้อน เนื่องจากการออกแบบยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อตัวต้านทานเกนที่ต้องการอีกด้วย สำหรับเครื่องชั่งดิจิทัลที่ใช้ในตัวอย่างนี้ เป็นเรื่องยากที่จะเกิน 6.8 โอห์ม ในการพยายามให้ได้น้ำหนักที่สูงขึ้น

นอกจากนี้ จากการทดสอบครั้งที่สอง (โดยใช้ SLG46140 และคุณลักษณะต่างๆ) สามารถตั้งค่าน้ำหนักสูงสุดที่คุณต้องการวัดได้โดยใช้โมดูล PGA ที่กำหนดอัตราขยาย เราทดสอบด้วยการตั้งค่าเกน x 0.25 และตัวแสดงเสียงเริ่มทำงานที่น้ำหนัก >60 กก. จากผลลัพธ์ข้างต้น การทำงาน การสอบเทียบมาตราส่วนดิจิตอลเป็นไปด้วยดี สิ่งนี้มีประโยชน์มากในการตั้งค่าแอมพลิฟายเออร์เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงฮาร์ดแวร์ด้วยตนเอง เรายังเปรียบเทียบขนาดที่เหมาะสมกับคอนโทรลเลอร์ที่สามารถปรับการปรับเทียบเกนของแอมพลิฟายเออร์และมีคุณสมบัติ ADC ด้วยเช่นกัน ข้อดีของการออกแบบที่นำเสนอในที่นี้ ได้แก่ ขนาดตัวเครื่องเล็กลง ความเรียบง่าย การใช้พลังงาน ราคา และปรับแต่งได้ง่าย

บทสรุป

ตัวบ่งชี้น้ำหนักเกินนี้โดยใช้ SLG46140 เป็นทางออกที่ดีสำหรับตัวบ่งชี้น้ำหนักที่กำหนดไว้ล่วงหน้า การออกแบบ GreenPAK ของ Dialog Semiconductor ด้านบนเสร็จสมบูรณ์โดยใช้ SLG88104 ต้นทุนเปรียบเทียบที่ต่ำกว่า พื้นที่ขนาดเล็ก พลังงานต่ำ พร้อมกับความง่ายในการเขียนโปรแกรม GreenPAK ทำให้สิ่งนี้โดดเด่นเมื่อเทียบกับการออกแบบไมโครคอนโทรลเลอร์ มีการสาธิตสะพานวีทสโตน แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล และหลักการเกนที่ปรับได้ ตัวอย่างการออกแบบนี้ยังสามารถขยายไปยังการใช้งานสะพานวีทสโตนอื่นๆ ได้ด้วย เนื่องจากมีความน่าเชื่อถือสูงในการวัดค่าความต้านทานต่ำมาก