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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Konzept für eine Waage gesucht


Autor: Armin Gräwe (armin_graewe)
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Hallo Mikrokontroller-Gemeinde !

Ich bin Profi auf dem Elektroniksektor und semi-Profi Programmierer.
Trotzdem habe ich im Moment ein Projekt in der Planungsphase das etwas 
hängt .... Ich grübele seit Tagen über ein Konzept, aber der Durchbruch 
fehlt noch.
Daher mein Hilferuf an die Gemeinde.

Entwickelt werden soll eine Art Waage die auch bei starker Neigung noch 
sehr genau arbeitet.
Das Gewicht meldet eine Wägezelle, die Neigung ein 
flüssigkeitsgedämpfter Neigungssensor; ausserdem muss noch die Drehzahl 
einer Welle mittels Näherungssensor erfasst werden.
Die Daten sollen aufbereitet und per RS232 ausgegeben werden.
Verarbeitungsgeschwindigkeit ca. 2 Messungen pro Sekunde
Bau in Kleinstserie (Leiterplatte Handgefertigt)
Kosten unwichtig (darf also edel und teuer sein)
So weit eigentlich einfach, aber jetzt kommen die Haken :

Auflösung des Gewichts min. 16 Bit, besser 18 Bit
Signal von der Wägezelle 0-10 mV
Aufösung der Neigung min 12 Bit besser 14 Bit
Signal von Neigungssensor ca. 500 mV über den Nutzbereich
Auflösung der Drehzahl eher unkritisch.

Konzept 1 :
Wägezelle mit Instumentation-Amp verstärken und in einem Dual-Slope 
AD-Wandler ratiometrisch mit der Brückenspeisung verarbeiten.
Signal vom Neigungssensor genau so, aber mit fester Referenz.
Drehzahl mit Prozessor im Capture Interrupt mit 16 Bit Timer erfassen.
+ Geradliniges Konzept
+ simpler Prozessor z.B. 89S52
- Viel Aufwand
- bedingte Stabilität und Genauigkeit (Instumentation-Op-Amp)

FRAGE: Wer hat eine Idee für schöne A/D-Wandler 16-18 Bit
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Konzept 2 :
Es gibt von einigen Herstellern mittlerweile so genannte "Transducer 
Interface-Cips" die setzen das Signal der Wägezelle direkt in 3 
Pulsbreitenmodulierte Signale um. Null & Ref $ Mess
Muster läuft hier recht schön.
Um Neigung und Gewicht zu Digitalisieren benötigt man allerdings dann 2 
Timer Capture Eingänge mit mindestens 16 Bit Timer und der Oszillator 
muss Jitterarm sein.
Zusammen mit der Drehzahl müssen es dann schon 3 x 16 Bit Capture sein.

+ einfache Elektronik
+ gute Stabilität (der UTI kompensiert fast alles)
- aufwändiger Prozessor
- wer weis ob es in ein paar Jahren noch diesen UTI-Chip gibt ....

FRAGE: Wer kennt einen Prozessor mit min. 3 x 16 Bit Timer Capture 
Eingang ? (schön wäre ein DIL Gehäuse oder PLCC)
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Ich bin fit auf 8051 Derivate und ATtiny / ATmega Programmierung

Warum ist eigentlich der SAB80C517A nicht weiterentwickelt worden ...
Den liebe ich heiss und innig .... Capture, PWM und A/D ohne Ende ....

FRAGE: Oder hat jemand noch ein ganz anderes vielleicht viel schöneres 
Konzept ?
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Vielen Dank für Antworten im Voraus ...
Bin mal gespannt was so kommt ...
Gruß
Armin

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--
Es gibt 10 Sorten von Menschen.
Die einen verstehen Binärcode, die anderen nicht.

Autor: MaWin (Gast)
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A/D-Wandler von Analog Devices sollten nicht so schnell vom Maqrkt 
verschwinden, wie UTI.

Man könnte das Problem wohl auch durch 2 Wägezellen lösen, die um 90 
Grad verschränkt sind, ohne Neigungssensor:

   _
  \\  //
   \\//
    \/

Das innere Dreieck ist das zu wiegende,
die beiden schrägen äusseren Linien die Wägezellen.

Autor: Armin Gräwe (armin_graewe)
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Danke für den ersten Tip.

Hat Analog Devices denn auch A/D-Wandler im Dual slope Verfahren ?
Alle anderen sind nämlich zu unempfindlich, dann muss ich zuviel 
verstärken und die Stbilität sinkt weiter.

Der Tip mit den 2 Wägezellen ist auch gut, in diesem Fall aber leider 
mechanisch nicht zu realisieren.

Gruß
Armin

Autor: Anja (Gast)
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Armin Gräwe schrieb:
> Warum ist eigentlich der SAB80C517A nicht weiterentwickelt worden ...
> Den liebe ich heiss und innig .... Capture, PWM und A/D ohne Ende ....

Ganz einfach: die KFZ-Hersteller haben damals auf 16 Bit umgeschwenkt 
(SAB80C166). Heute müßtest Du einen 32-Bitter verwenden.

> FRAGE: Wer hat eine Idee für schöne A/D-Wandler 16-18 Bit
Ich verwende gerne den LTC2400. (24 Bit) bei 5V rauscharmer Referenz hat 
man etwa 20 uVpp = ca 3uVeff Rauschen.

> Auflösung des Gewichts min. 16 Bit, besser 18 Bit
> Signal von der Wägezelle 0-10 mV

Das wird hart: Stichworte Rauschen, Thermospannung

Gruß Anja

Autor: LuXXuS 909 (aichn)
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Anja schrieb:
>> FRAGE: Wer hat eine Idee für schöne A/D-Wandler 16-18 Bit
> Ich verwende gerne den LTC2400. (24 Bit) bei 5V rauscharmer Referenz hat
> man etwa 20 uVpp = ca 3uVeff Rauschen.

Also die LTCs benutze ich auch sehr gerne. Öfter auch mal die 24bitter. 
Kann ich nur empfehlen! Die SPI-Anbindung ist auch sehr einfach!

Autor: Anja (Gast)
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Hallo,

wobei in Armins Fall eine differentielle Ausführung LTC2412 (ggf. mit 
integriertem PGA LTC2486) aus der Serie wohl besser geeignet ist.

Gruß Anja

Autor: S. T. (cmdrkeen)
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messbar ist ja nur die Gewichtskraft ... bei Neigung misst man ja nur 
eine Kraft, die nicht in Richtung der Erdanziehung verläuft, mit einem 
Neigungssensor und einem unbeschleunigtem System sollte das mittels 
Vektorrechnung kein Problem darstellen.
mit einer Wägezelle sind somit auch nur Schräglagen unter 90° überhaupt 
messbar womit sich aber die Ungenauigkeiten von Wägezelle und 
Neigungssensor multiplizieren.

wikipedia leitete mich nach soemer.de  wo es neben wägezellen auch 
digitale messverstärker mit 19bit auflösung gibt.

Autor: Udo R. S. (Gast)
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Wobei sich die Frage stellt wie die Wägezellen überhaupt auf eine Kraft 
quer zur Messrichtung reagieren. Wenn die Mechanik das nicht hochgenau 
und fast ohne Reibung abfängt, dann hast Du von Deinen 16 - 18 Bit 
Genauigkeit! (nicht Auflösung) ganz schnell weniger als 8 Bit! Das 
Konzept mit 2 Zellen jeweils im genau rechten Winkel erscheint mir da 
viel gangbarer.

Autor: Gast 10 (Gast)
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Die ADuCs von Analog-Devices könnten füe die Aufgabe
interessant sein die haben auch ADCs mit, soweit ich weiß,
bis zu 24Bit Auflösung, einfach die unteren Bits weglassen.
Ggf. auch 2 ADuCs nehmen!
Der µC Kern der ADuCs ist ein 8051-Derivat.

Wenn die Mechanik nicht präzise genug arbeitet bzw. arbeiten
kann, nützt der ganze Elektronikaufwand nichts........

Autor: Waagenversteher (Gast)
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Wenn das Geld keine große Rolle spielt sollte man fertige Profiprodukte 
verwenden, bspw. das Soemer Modell LDU 68.1 (195,00 Euro). Auch auf den 
Neigungssensor sollte man verzichten, da Wägezellen exzentrische 
Belastungen nicht exakt in die einzelnen Kraftkomponenten zerlegen 
sondern ab gewissen Schrägstellungen Fehler erzeugen - also Fz ist dann 
nicht exakt Fz wie über die Winkelfunktion berechnet.
Besser ist - haben wir schon bei Müllfahrzeugen eingesetzt - eine 
zweiten Wägekanal zu benutzen, also eine exakt gleiche zweite Wägezelle 
einsetzen, die mit einem normierten Gewicht - bspw. 1 kg - belastet wird 
und unter gleichen Bedingungen Eingesetzt wird (Referenzwägezelle). 
Damit könnten wir beim Müllfahrzeug auch die unterschiedlichen 
Erdanziehungswerte ausgleichen ( Österreich 2000 m, Mexiko 3000 m )

Autor: Arc Net (arc)
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Armin Gräwe schrieb:
> Danke für den ersten Tip.
>
> Hat Analog Devices denn auch A/D-Wandler im Dual slope Verfahren ?

Es gibt keine guten Dual-Slope oder Multi-Slope-ADCs auf dem Markt. HP 
nutzt zwar sowas im 3458a, aber auch der wurde schon vor Ewigkeiten 
entwickelt. Auch in anderen (High-End-)Bereichen werden Delta-Sigma-ADCs 
verwendet (Isotech microK)

> Alle anderen sind nämlich zu unempfindlich, dann muss ich zuviel
> verstärken und die Stbilität sinkt weiter.

Zu unempfindlich?
Bei zwei Messungen pro Sekunde liefert schon ein AD7794 rauschfreie 
17-Bit
(41 nV RMS Noise, 270 nV p-p Noise).
Soll's noch rauschärmer werden AD7190 (falls man das drumherum passend 
hinbekommt)
8.5 nV RMS-Noise und 56 nV p-p Noise 20.5 Bit rauschfrei
Beide ADCs sind (u.a. auch) für genau soetwas ausgelegt.

Ebenfalls für solche Anwendungen geeignet sind die TDCs von Acam
http://www.acam.de/products/picostrain/ps081/

Autor: Waagenversteher (Gast)
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Der Richtige AD-Wandler für Ihre Anwendung ist der Burr-Brown ADS1220. 
Den haben wir tausendfach eingesetzt. Man kann diesen A/D-Wandler 
praktisch ohne Vorverstärker benutzen.

Autor: Armin Gräwe (armin_graewe)
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Hallo Mikrocontroller Gemeinde !

Zunächst herzlichen Dank für Eure Antworten.

Wie schon gesagt, das Konzept mit den 2 Zellen in 90 Grad kann ich 
leider nicht realisieren, da habe ich mechanische Vorgaben.

Sehr interessant finde ich aber den Vorschlag mit einer Referenzzelle 
statt des Neigungssensors.
Seeeeehr gute Idee !!!!
Da stellt sich dann nur die Frage nach dem praktischen Betrieb.
Zunächst müsste ja die Referenzzelle ohne Gewicht genullt werden und 
dann mit dem Gewicht beaufschlagt werden.
Das ist aber im praktischen Betrieb nicht möglich.
Man könnte Sie natürlich bei der Installation nullen, aber ob die 
Langzeitstabilität dann gewährleistet ist ???
Die Anlagen sind mobil und laufen unter sehr rauhen Bedingungen.
(Landwirtschaft, viel Staub und Dreck)
Dann müsste man die Referenzzelle mit Gewicht kapseln.

Zu den AD-Wandlern :
Besten Dank für die vielen Vorschläge.
Der Burr&Brown-ADS1230 gefällt mir sehr gut !
Der AD7794 ist natürlich absoult passend für meine Anwendung.
Da brauche ich echt nur einen Wandler für alles, egal ob ich 2 Zelllen 
oder einen Neigungssensor nehme.

@Waagenversteher:
Bohhhh, gleich mit Datenblatt und Printfoto ...
Da ist ja meine Entwicklung schon fertig :-)
Nomen est Omen :-)
Welchen Prozessor verwendest Du ?

Zu den Fertigmodulen :
Da habe ich auch schon mit geliebäugelt.
Die Preise sind völlig ok und es spart viel Arbeit.
Das dumme ist nur, die kommne alle schon fertig RS232 raus.
Dann müsste ich meherere serielle Schnittstellen realisieren, die Daten 
verarbeiten und wieder seriell ausgeben.
Ich bräuchte Fertigmodule mit SPI oder 3-Wire o.ä.

Gruß
Armin

Autor: Arc Net (arc)
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Waagenversteher schrieb:
> Der Richtige AD-Wandler für Ihre Anwendung ist der Burr-Brown ADS1220.
> Den haben wir tausendfach eingesetzt. Man kann diesen A/D-Wandler
> praktisch ohne Vorverstärker benutzen.

Schön das man auch in anderen Schaltungen mal ein paar X2Ys sieht :-)

@Armin
Statt des AD7190 kann man, wenn man keine DC sondern eine AC-Brücke 
aufbauen will, den fast identischen AD7195 nehmen.
Vorteil des oben genannten AD7794 gegenüber den gesamten TI/BB-Teilen 
ist vor allem die Möglichkeit zur internen Kalibrierung von Offset und 
Gain (allerdings nur bis Gain 64). Nach der Kalibrierung sind diese 
Fehler in der Größenordnung des Rauschens (somit nur abhängig von der 
bei der Kalibrierung verwendeten Updaterate/Gain!).

Autor: Rick Noname (rickstar)
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Hallo @all...

Apropo AD7195...
Ich habe zur zeit 2 stück bei mir liegen und werde demnächst ein layout 
mit eagle entwerfen.
Nur blöd ist halt das package :)
Es kann allerdings ein paar tage dauern, da ich noch anderes zu tun 
habe.
Vielleicht ist einer schneller ?

Meine anwendung besteht aus einer 6-Leiter wägezelle und das soll 
natürlich so genau wie möglich aufgelöst werden.

Der AD7195 gegenüber den AD7190 bietet halt noch einen vorteil mehr, 
nämlich die AC brücke.

Das bord hätte dann als input:
versorgungsspannung (vllt. zur iso von agnd und dgnd irgend ein 
adumxxxx)
CS (ATmel)
SCLK (ATmel)
DIN (ATmel)

+V (VS Analog)
+Sense (REF1 AD7590)
+Signal (AIN1 AD7590)
-Signal (AIN2 AD7590)
-Sense (REF2 AD7590)
-V (GND Analog)

und als output:
DOUT (ATmel)

So ein projekt wäre mal interessant!

Die wägezelle wäre zb.:
http://www.soemer.de/waegezellen/waegezelle-1042.html

mfg
rick

Autor: nefuas (Gast)
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sind mobil und laufen unter sehr rauhen Bedingungen.
(Landwirtschaft, viel Staub und Dreck)

...und da erwartest du 16-18bit Genauigkeit ?

...dreaming ?

Autor: Chris D. (Gast)
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> Warum ist eigentlich der SAB80C517A nicht weiterentwickelt worden ...
> Den liebe ich heiss und innig .... Capture, PWM und A/D ohne Ende ....

... Das frage ich mich auch.
Damit hab ich mal ne Miniserie von 3 BHKW-Steuerungen erstellt, anno 
1996... eine davon läuft immer noch :-)

Gruß
Chris

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