Tema N….. Anno: 1994 Indirizzo: Elettronica Industriale ITI
Tema di Elettronica Industriale - Progetto AMBRA
Una azienda automobilistica, nel corso dei test su pista di un nuovo tipo di motore, intende
monitorare in tempo reale la temperatura di funzionamento in otto punti del motore stesso.
A tal fine vengono impiegate delle termoresistenze, in cui la dipendenza della resistenza
elettrica dalla temperatura si può supporre data dalla seguente relazione:
R(T) = R{0) • (1 + a • T),
T
R(T)
R(0) = 100
a= 3,675 • 10-3 °C-1
con 0 < T < 400 °C dove:
Temperatura in gradi centigradi;
Resistenza elettrica a T °C;
Resistenza a 0 °C;
Costante di temperatura media nel range di impiego.
I punti del motore in cui si fa il rilevamento sono i seguenti:
1) Liquido di raffreddamento, con range 50 ... 200 °C;
2) Liquido lubrificante, con range 50 ... 250 °C;
3) Collettore di scarico, con range 200 ... 400 °C;
4) N° 5 punti localizzati sulla struttura metallica, con range 150 ...300 °C.
Un sistema basato su PC deve acquisire i dati di temperatura ogni 5 secondi con risoluzione
pari a 8 bit, deve visualizzarli su display alfanumerico e inviarli ad una stazione fìssa di
controllo posta ai margini della pista, a una distanza massima dal veicolo di 1 km.
Il candidato, formulate le necessario ipotesi aggiuntive:
a) elabori lo schema a blocchi dettagliato di un sistema di acquisizione dei dati adeguato
alle problematiche proposte, illustrando le soluzioni adottate e le interazioni fra i vari
componenti;
b) progetti, dimensionandola in almeno un caso, l'elettronica di interfacciamento dei
sensori;
c) rappresenti, nel modo che ritiene più opportuno, le procedure relative alla gestione
generale del sistema;
d) progetti e codifichi in un linguaggio di propria conoscenza, sulla base dell'hardware
proposto, la procedura di acquisizione di un valore di temperatura;
e) illustri un sistema idoneo al collegamento con la stazione di controllo.
Durata massima 6 ore, è consentito l'uso di manuali tecnici e di calcolatrici tascabili
non programmabili.
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Svolgimento
Comprensione del testo
Il testo specifica che i dati relativi alla temperatura devono essere acquisiti ogni 5 secondi.
Perciò la frase "intende monitorare in tempo reale..." non impone la ricostruzione del
segnale e il rispetto del teorema del campionamento.
Osserviamo che il problema non richiede che venga effettuato un controllo a catena chiusa
ma solo la rilevazione della temperatura.
Soluzione punto “a”
Il testo richiede di progettare e realizzare un sistema di acquisizione dati basato su PC e in
grado di trasmettere a un centro remoto i risultati dell’acquisizione. Si prospetta allora una
soluzione strutturata come in fig.1, dove il cuore del sistema è un microcontrollore della
serie ST6 (ST62E65).
Port B
T0
T1
C0
C1
P
O
R
T
A
T7
Display Alfanumerico
A/D
ST62E65
C7
Port C
Fig.1
TX
FX
RX
FX
CED
Max 1Km
I segnali da convertire hanno frequenze piuttosto basse: perciò si può evitare l’utilizzo del S.
Sample/Hold. È sufficiente utilizzare un convertitore A/D con tempo di conversione di
alcune decine di s, poiché le variazioni di temperatura sono sicuramente molto più lente
del tempo di conversione.
È necessario utilizzare unità di condizionamento distinte (C0, C1, ..C7) per evitare che i
disturbi generati dal motore possano alterare i segnali lungo il collegamento con i cavi: si
potrebbe anzi pensare di utilizzare cavi schermati che portino il segnale dal
trasduttore/amplificatore alla centralina. Per quando riguarda la trasmissione a distanza dei
dati, in commercio sono reperibili moduli che ricevono dati digitali e li trasmettono in FM
(blocco TX-FM), nonché moduli complementari di ricezione (blocco RX-FM). Il testo non
richiede che il CED possa trasmettere alla macchina: si può dunque scegliere una
trasmissione asincrona di tipo Simplex. Come sistema di visualizzazione si utilizza un
display alfanumerico interfacciato al microcontrollore e gestito da questo alla stregua di un
display di tipo normale.
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Dettaglio dei singoli blocchi:
1
T0, T1, ..T7
8 termoresistenze;
2
C0, C1, ..C7
8 circuiti di condizionamento, il singolo circuito è composto da
un convertitore temperatura/tensione, da un circuito traslatore e
da un filtro passa basso;
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ST62E65
microcontrollore ST62E65 le cui principali caratteristiche sono:
A) 21 input/output programmabili via software;
B) un Timer a 8 bit con prescaler programmabile da 7 bit;
C) un “autoreload Timer” con prescaler programmabile da 7 bit;
D) digital Watchdog;
E) un convertitore A/D ad 8 bit (70 s temp di conversione) con
fino a 13 input analogici multiplexati;
F) un’interfaccia SPI (Serial Peripherical Interface);
G) un interrupt non mascherabile interno (NMI);
H) lock up table in ROM;
I) ROM da 4 Kbyte;
J) RAM da 128 byte
K) EEPROM da 128 byte;
L) 5 differenti vettori di interrupt
M) on-chip clock oscillator
4
Display Alfanumerico sistema di visualizzazione che comprende display ed interfaccia
tra microcontrollre e display;
5
TX-FM
modulo trasmettitore FM con il quale si inviano i dati acquisiti al
centro di controllo CED, dotato del relativo modulo RX-FM
Soluzione punto “b” (progetto dei blocchi di condizionamento: C0, C1, … C7)
Progetto: condizionamento sensore T0 (temperatura del liquido di raffreddamento ..
range 50°C … 200°C)
Si suppone di disporre dell’alimentazione fornita dalla batteria dell’auto (12V); gli
amplificatori operazionali impiegati devono pertanto funzionare con l’alimentazione
singola.
Questa limitazione complica leggermente la fase di progetto, poiché non possono essere
impiegate le configurazioni invertenti.
In fig.2 lo schema a blocchi del circuito di condizionamento (C0) relativo al sensore T0
(temperatura del liquido di raffreddamento .. range 50°C … 200°C).
T0
Convertitore
Temperatura/Tension
e
Circuito
Traslatore (0V .. 5V)
Filtro
Passa-Basso
PA0 ST62E65
Fig.2
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In fig.3 lo schema elettrico del convertitore Temperatura/Tensione e circuito traslatore (0V
.. 5 V)
T0 (50°C .. 200 °C)
R3
R(T)
R2
R1
+ 12V
Vr
+ 12V
-
+
V+=+4V
+
V1
V2 ( 0V .. 5V)
R2
R3
Fig.3
Alla temperatura T0=50°C, applicando la relazione fornita dal testo, si ricava la resistenza
del sensore:
R(50°C)=118,375 
In corrispondenza di tale valore si vuole ottenere V2=0V.
Alla temperatura T=200°C si ricava la resistenza del sensore:
R(200°C)=173,5 
In corrispondenza di tale valore si vuole ottenere V2=5V. si pone R1=173,5 
V 1  (1 
V2
R (T )
) V 
R1
per T=50°C
V1=6,73V
per T= 200°C
V1=8V
R3
(V 1  .Vr )
R2
per T=50°C
V1=6,73V
V2=0V quindi Vr=6,73V
per T=200°C
V1=8V
V2=5V quindi
R3
5
5


 3,93
R 2 8  6,73 1,27
R3=3,9K R2=1K
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Progetto filtro Passa-Basso
Tra l’interfaccia hardware del sensore di temperatura (T0) ed il microcontrollore è buona
norma inserire un filtro passa-basso: dato che i segnali sono tutti in bassa frequenza, è
sufficiente un filtro passivo del primo ordine con frequenza di taglio di circa 20Hz (Fig.4)
R4
V2
PA0 ST62E65
C1
Fig. 4
Ft 
1
2R 4C1
R4 
1
2FtC1
si pone C1=1 F (poliestere)
si ricava R4=7,9K ( valore commerciale 8,2 K)
Soluzione punto “c”
Ogni 5 secondi devono essere visualizzati i dati relativi a tutti gli 8 sensori. Possiamo
utilizzare un display alfanumerico 20 x 2 che permette di visualizzare tutti i valori
contemporaneamente. La fig.5 riporta una possibile rappresentazione del display.
T0
T4
= x
= x
x
x
x
x
T1
T5
= x
= x
x
x
x
x
T2
T6
Fig.5
= x
= x
x
x
x
x
T3
T7
= x
= x
x
x
x
x
xxx= valore temperatura
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La gestione generale del sistema può essere efficacemente illustrata attraverso il diagramma
di flusso indicato in fig.6
Start
Inizio
subroutine
Inizializzazione
HW ST6
Selezione canale 0
Temp T0
Ritardo 5 secondi
Conv A/D T0
Subroutine
acquisizione
Memorizzazione
T0
Visualizzazione dati
tramite tabella di
conversione
Trasmissione dati
tramite TX-FM
Selezione canale 7
Temp T7
Conv A/D T7
Memorizzazione
T7
Fig. 6
Inizio
subroutine
Soluzione punto “d”
Tramite il set di istruzioni del ST6265 si codifica il diagramma di flusso di fig.6.
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