Концепция весов
Весы питаются от батареек. Платформа весов парит в воздухе за счет электромагнитного поля. Линейный датчик Холла измеряет магнитное поле для определения веса на платформы. В неё встроен постоянный магнит, а под ней находится электромагнит. Когда груз находится на платформе, она опускается. Линейный датчик Холла чувствует изменение магнитного поля, и повышает значение на выходе, что свидетельствует об увеличении веса.
На рисунке выше показан чертеж механической части и блок-схема устройства. Техническая реализация показана и описана ниже. Эти весы измеряют вес от 0 до 20 г с точностью приблизительно 0,5г.
Повышающий преобразователь
Для электромагнита напряжение с аккумулятора увеличено до 12В при помощи MAX1771. Он управляет IRL530N, который работает начиная с 2В, и может отдавать до 24Вт. Электромагнит потребляет в среднем 3.6Вт, т.е. у нас есть большой запас.
Преобразователь
Это преобразователь обеспечивает 5V для микроконтроллера, датчика Холла, ЖК-дисплея. Это был отдельный проект, который я добавил к весам. Подробней смотрите тут
Управление электромагнитом
Электромагнит управляется при помощи ШИМ через полевой транзистор. Диод компенсирует обратное ЭДС катушки индуктивности, когда транзистор закрыт (что экономит энергию). ШИМ-сигнал 170KHz генерируется LM311. Этот сигнал входит в TC4432 – MOSFET драйвер, который приводит в действие полевой транзистор. Если предположить, что 1N5822 имеет сопротивление около 0,2 Ом, а внутреннее сопротивление соленоида составляет 0,27 Ом, то время L / R 0.80mH / 0,5 Ом = 1,6мс. Сигнал 170KHz с периодом 5,88мкс, поэтому можно предположить, что соленоид получает постоянный ток с незначительными пульсациями.
Микроконтроллер, датчик Холла, дисплей
Я использовал микроконтроллер ATMega168P в этом проекте. Он имеет достаточное количество выводов и АЦП. В качестве линейного датчика Холла я использовал SS49E. Этот датчик выдает аналоговое напряжение от 1,0 В до 4,0 В, пропорциональное напряженности магнитного поля (от -1000 до +1000 Г). 8-символьный ЖК-дисплей это EA DOGM081-W. Они очень легко управляются и могут быть подключены по нескольким протоколам. Я использую его в режиме SPI при питании 5В.
Электромагниты и магниты
Соленоид с воздушным сердечником, индуктивность 0.80mH. Платформа состоит из клея, куска пробки и неодимового магнита внутри и ещё одного в виде диска на верху этой платформы, которая служит как поверхность для груза.
Питание
Весы работают от 4 АА NiMH батарей. Напряжение AA NiMH батареи составляет 1,2 В, т.е. 4 AA NiMH должны выдавать 4.8 в. Но, как и ожидалось, общее напряжение оказалось около 4В. От батарей они проработают около 30 минут, но их можно запустить от блока питания.
Недостатки
Весы имеет два основных недостатка:
Во-первых, груз должен быть расположен по центру, чтобы не изменять центр тяжести платформы, иначе показания будут неверными
Во-вторых, катушка при использовании более 5 минут начинает греться, что снижает точность, поэтому весы надо калибровать примерно каждые 10 минут.
Расчет веса по данным датчика
Я сделал таблицу зависимости показаний датчика от груза., чтобы получить лучшее представление о взаимосвязи между напряженностью магнитного поля и весом груза. Я предполагал, что всё будет очень нелинейным. К моему удивлению это было не так.
Три линии на графике показывают данные, собранные за разное время (с учетом нагрева катушки). Некоторые различия между ними могут объясняться положением груза на платформе.
Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот
Линейный регулятор5 В1
U1
Драйвер питания и MOSFETTC44321
U2
Супервизор питанияMCP1301
U3
Датчик ХоллаSS49E1
U4
LCD-дисплейDOGM0811
IC1
ИС буфера, драйвераCD74HC141
IC2
DC/DC импульсный регуляторMAX17711
IC3
КомпараторLM311-N1
IC4
МК AVR 8-битATmega81
IC5
Операционный усилительLM358N1
Q1, Q2
MOSFET-транзисторIRL530N2
D1, D2
Диод Шоттки1N58222
С1
Конденсатор1000 пФ1
С2, С9, С10, С15, С25
Конденсатор0.1 мкФ5
С3, С5, С13
Электролитический конденсатор330 мкФ3
С4, С6, С8, С11, С14, С16-С19, С22-С24
Конденсатор1 мкФ12
С7, С12
Электролитический конденсатор22 мкФ2
С20
Электролитический конденсатор220 мкФ1
С21
Конденсатор10 мкФ1
С26
Электролитический конденсатор100 мкФ1
R1
Резистор5.6 кОм1
R2
Резистор0.010 Ом1
1 ВтR3
Резистор13 кОм1
R4
Резистор18 кОм1
R5
Резистор1.3 кОм1
R6
Резистор10 Ом1
R7
Переменный резистор10 кОм1
R8-R10
Резистор10 кОм3
R11
Резистор2.2 кОм1
R12
Резистор1.1 кОм1
S1
Тактовая кнопка1
L1
Катушка индуктивности22 мкГн1
L2
Катушка индуктивности0.82 мкГн1
G1-G4
Батарея питания1.5 В4
Блок питания12 В1
Добавить все
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- Levitate_Scale.rar (2 Кб)