PaJa-trb  >  Konstrukce  >  Digitální kuchyňská váha

paja@paja-trb.cz

Toto je můj ročníkový projekt na SPŠT a SOUT Třebíč, v roce 2003/2004.
A na SOČ 2003/2004 jsem skončil v krajském kole na 3. místě
Jedná se o kuchyňskou váhu s maximální váženou hmotností 2,5kg a přesností 10g. Překročení rozsahu je indikováno zvukovým signálem a LED diodou. Hmotnost je zobrazována na čtyř-místném LCD displeji. Váha dále obsahuje tlačítko pro vynulování vážené hmotnosti. Napájení je řešeno pomocí baterie, jejíž vybití pod nastavenou mez indikuje LED dioda. Poté je nutno baterii dobít, jinak dochází k poklesu napětí pod provozuschopnou úroveň a na displeji se objevuje chybný údaj o vážené hmotnosti. Aby nedocházelo vlivem zapomínání vypnutí váhy ke zbytečnému vybití baterie, tak se po 2 minutách nečinnosti (jen pokud není na váze žádné závaží) sama vypne.

Blokové schéma :


Rozbor blokového schématu :
Závaží na vážící plošině působící silou na čidlo, to se deformuje a zároveň se mění odpor 4 tenzometrů, které jsou na něm nalepeny. Tyto tenzometry jsou v můstkovém zapojení. Výstupní napětí z čidla je řádově v mV, proto je potřeba jej pro další zpracování zesílit, k tomu jsem využil přístrojový zesilovač AD620. Zesílení je nastaveno na hodnotu 150. Zesílený signál je již možno převést na digitální hodnotu pomocí 8-bitového sériového A/D převodníku TLC549. Jádrem celé váhy, kde se provádí převod naměřené hodnoty z A/D převodníku na správný údaj o hmotnosti zobrazovaný na 4-místný LCD displej je µ-procesor AT89C2051. V případě překročení hmotnosti se aktivuje indikace přetížení a na displeji se zobrazí ---- . Nulovací tlačítko slouží k vynulování aktuální hmotnosti, od které se bude odečítat, např.: položíme na váhu misku a vynulujeme, od teď se bude vážit jen to co na tuto misku umístíme. Pokud misku odděláme, tak se zobrazí ----, musíme znova vynulovat váhu, tentokrát bez zátěže. Váha je napájena z Ni-Cd baterie, která lze v případě potřeby dobít vyrobenou nabíječkou. Při dobíjení se odpojí napájení pro zbytek váhy. Váha se zapíná i vypíná tlačítkem On/Off (stiskem zapni / stiskem vypni). Aby nedocházelo ke zbytečnému vybíjení baterie, tak se po 2 minutách nečinnosti váha sama vypne, jen pokud na ní není žádné závaží. Indikace vybité baterie nás upozorňuje na to, že bychom měli váhu co nejdřív dobít, jinak dochází vlivem malého napájecího napětí k chybám vážení a na displeji se začnou zobrazovat chybné údaje o skutečné hmotnosti.


Schéma ovládací části


Schéma zobrazovací části


Podrobnější princip činnosti:
Z baterie je napájen přímo jen IO4, emitor tranzistoru T2, C11 a tlačítko On/Off. Protože je IO4 vyroben CMOS technologií je jeho odběr minimální a tím i klidový odběr celé váhy při vypnutém stavu. IO4 je zapojen jako T klopný obvod (dělička dvěma). C11 a R14 po připojení baterie nastaví výstup Q do log. H, tranzistor T1 je uzavřen, tím je přerušeno napájení do ostatní části obvodu. Po stisku tlačítka se na hodinový vstup CLK přivede log. H, obvod překlopí, tranzistory T1 a T2 se sepnou a tím se zapne napájení zbytku váhy. OZ3 je zapojen jako napěťový komparátor, který hlídá napětí baterie. Pokud klesne pod nastavenou mez trimrem P4, tak sepne tranzistor T3, který má ve svém kolektoru zapojenou indikační LED diodu a signalizuje nám slabou baterii. Pro ostatní obvody potřebujeme napětí +5V, které získáme ze stabilizátoru IO5, C12 - C14 slouží pouze k filtraci napětí. Tenzometrické čidlo snímající hmotnost je v můstkovém zapojení a na jeho výstupu je signál řádově v jednotkách mV. Tento signál je pro další zpracování příliš malý, proto je do obvodu zapojen integrovaný přístrojový zesilovač IO2, jeho zesílení je 150 a je dáno trimrem P3, který je nastaven na hodnotu 330. Zesílený signál je obvodem AD620 dále superponován na přivedené konstantní napětí (přibližně 1,0 V), to je získáno z několikanásobného napěťového děliče a impedančně odděleno operačním zesilovačem OZ2A. Takto zesílený signál je přiveden na vstup A/D převodníku IO3. Rozsah převodníku lze nastavit přivedením dvou referenčních hodnot na jeho vstupy REF+ (asi 2,7V) a REF- (asi 1,1V). Obě napětí jsou odvozena ze stejného napěťového děliče a impedančně oddělena přes OZ1. Velikost referenčních hodnot lze nastavit trimry P1 a P2, čímž určíme spodní a horní mez pro převodník. Podle výrobce převodníku musí být rozdíl mezi referenčními hodnotami vždy větší než 1V. Zesílený a převedený signál zpracovává procesor IO1 (více dále). Procesor je ve standardním zapojení, součástky C9 a R8 zajišťují po zapnutí reset procesoru, krystal Q1 ho taktuje frekvencí 24MHz. Výstup z procesoru jde přes čtyři 8-bitové posuvné registry IO6 - IO9, které budí segmenty LCD displeje DIS1. Společný vývod displeje je připojen přímo na port procesoru. Segmenty displeje je nutno budit střídavým signálem s frekvencí 20 až 150 Hz (změna stavu 40 až 300x/s). To znamená společný vývod nastavil do log. H a zobrazované segmenty vyslat v log. L a při příštím vysílání zase naopak. Pokud je překročena hmotnost 2,5kg (bez ohledu na případné vynulování), tak procesor sepne tranzistor T5 a spustí piezo-sirénku SIR a LED DSIR indikující přetížení. Po stisku nulovacího tlačítka NULA je uzemněn port P3.2 procesoru, což je vstup vnějšího přerušení a procesor si zapamatuje aktuální hmotnost na váze. Pokud není na váze umístěno žádné závaží a 2 minuty je v nečinnosti, tak sepne tranzistor T4, který přivede na vstup CLK obvodu IO4 log. H, ten se překlopí a přeruší tím napájení i pro procesor a ostatní součástky kromě IO4. Odběr váhy při provozu je asi 40mA.


Návrh desky plošných spojů - ovládání :

Horní strana - osazovák :


Spodní strana - osazovák :


Návrh plošného spoje ovládání (90 x 57 mm).

---

Návrh desky plošných spojů - zobrazení :

Horní strana - osazovák :


Návrh plošného spoje ovládání (104 x 56 mm).

---

Rozbor funkce programu :
Po resetu procesoru se provede nastavení (inicializace) hodnot a spustí se časovač 0, který určuje kdy se má vysílat na displej a časovač 1, který určuje kdy se má číst nová hodnota z A/D převodníku. Po nastavení se přečte hodnota z převodníku a začíná vlastní program. Nejprve se od přečtené hodnoty odečte hodnota ukládaná při nulování (momentálně 0) a porovná jestli není v záporných hodnotách, když je tak zobrazí na displeji ----. Pokud není tak zjistí jestli je na váze nulová hmotnost, když ano tak začne odpočítávat 2 minuty za které se, pokud nebude změněna nulová hmotnost, vypne. Nyní porovná hodnotu z A/D převodníku a zjistí jestli není překročena hmotnost 2,5kg, jinak zapne indikaci přetížení. Dále pomocí dělení zjistí počet tisíců, stovek, desítek a jednotek. Pokud je něčeho 0, tak porovná ostatní a přebytečné nuly na displeji nezobrazuje. Počet tisíců, stovek, desítek a jednotek je potřeba převést na kombinaci bitů, aby se na displeji zobrazilo požadované číslo. Údaj o hmotnosti je zpracován a připraven pro vysílání, proto program zjišťuje, jestli už nepřetekl časovač a nemá vysílat na displej, jinak porovná jestli už se nemá číst nová hodnota z A/D převodníku, pokud ne, tak porovnává zpět vysílání na displej...
Program má asi 300 řádků a můžete si ho zde stáhnout - je doplněn množstvím komentářů.

---

Schéma, konstrukce a popis nabíječky :
Jedná se jednoduché zapojení nabíječky pro Ni-Cd baterii. Toto zapojení sice není nejvhodnější, ale pro občasné nabití plně postačuje. Takto jednoduché zapojení jsem zvolil proto, aby se nabíječka vešla do krabičky pro adaptér U-KPZ3. Síťové napětí je přivedeno přes pojistku na transformátor se sekundárním napětí 12V. Toto napětí je usměrněno přes můstek M1, vyfiltrováno pomocí C1, C2 a přivedeno na regulovatelný stabilizátor napětí LM317T. Pomocí odporů R3 a R4 je nastaveno výstupní napětí na 11,5V podle vzorce U_out=1,25(1+R4/R3). Odporem R2 je nastaven konstantní nabíjecí proud na hodnotu 60mA podle vzorce I_out=1,25/R2. Takto nastavené napětí je vyfiltrováno pomocí C3, C4. LED dioda D1 slouží jen k indikaci, že je nabíječka v síti. Dioda D2 chrání stabilizátor před zničením zpětným proudem, pokud vypneme nabíječku dřív než odpojíme dobíjenou baterii. Na IO1 je vhodné umístit malý chladič. Ni-Cd baterie se má nabíjet asi 125% napětí baterie, což je v mém případě 12V a proudem přibližně 1/10 kapacity baterie, to je 60mA. Nabíjecí napětí jsem záměrně o trochu snížil, aby nedošlo k případnému poškození baterie.

Schéma zapojení nabíječky :


Návrh desky plošných spojů (48,5 x 75 mm) a rozmístění součástek :

---

Seznam použitých součástek :

C1 100n C2, C3 22p - 2x C4 - C8, C10, C12, C13, C15 - C19 100n - 13x C9 22M/16V C11, C14 10M/25V - 2x R1 1k8 R2 - R4, R6, R7, R9, R15, R18, R22 1k - 9x R16 1k SMD 1206 R5 560 R8 5k6 SMD 1206 R10 - R12 4k7 mini - 3x R13, R14, R17 10k - 3x R19 1k5 R20 1k2 R21 680 R23 390 P1, P2 PM19K001 - 2x P3 PM19E500 P4 PT-6VK005 DZ1 BZX83V056 DZ2 BZX83V033 T1 BC560 T2 BD140 T3 BC546 T4 BC556 T5 BC327 IO1 AT89C2051 IO2 AD620 IO3 TLC549 IO4 4013 IO5 78L05 IO6 - IO9 4094 - 4x OZ1, OZ2 LM358 - 2x OZ3 TL071 Q1 24MHz

DIS1 LCD3906 DSIR LED 3mm červená POD LED 3mm červená Tenzometrické čidlo DF2S-3/5kg NULA, ON/OFF P-0SRB - 2x SIR KPE242 BAT ARK500/2 CIDLO ARK500/2 - 2x CON1, CON2 MLW14G - 2x konektory PFL14 - 2x plochý vodič AWG28-14 (15cm) baterie B-8F600AA napájecí konektor K3716A rámeček na displej AR1950 Nabíječka : C1 1000M/25V C2, C4 100n - 2x C3 4M7/50V R1 1k5/2W R2 15/2W R3 220 R4 1k8 D1 LED 3mm zelená D2 1N4007 IO1 LM317T M1 B250C1500 TR1 TRHEI304-1x12 IN, OUT ARK500/2 - 2x POJ1 KS20-01 poj.držák trubičková pojistka 200mA krabička pro adaptér U-KZ3 napájecí konektor SCP-2009B kabel na připojení nabíječky k váze

Nakonec ještě pár fotek hotové a FUNKČNÍ váhy.




Tento návod je sice plně funkční, ale jde spíše o ukázku jakým způsobem lze podobnou váhu sestavit.
Případné konstruktéry by měla odradit relativně vysoká cena, která se vyšplhala asi přes 3500kč, vždyť jen samotné tenzometrické čidlo stálo 1800kč, a to jsem ještě pořídil celkem levně, jinak stojí čidla i 30000kč. Do celkové ceny ještě nepočítám mechanickou konstrukci, kterou jsem dělal "na koleně" na míru. V obchodě není problém digitální váhu koupit za 1000kč, a to ještě z větší citlivostí a rozsahem.
Pokud se však najde případný zájemce o stavbu, tak si může stáhnout dokumentaci, kde je vše co tady + krabička,...

---