Controllo temperatura, umidità e luminosità all

Esercizio 9 – Controllo temperatura, umidità e luminosità all’interno di una serra
Si desidera controllare i valori di temperatura, umidità e luminosità all’interno di una serra.
I valori vengono rilevati ogni ora ed inviati al sistema di gestione dei dati.
Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura
nell’intervallo scelto:
I (0°C) = 273µA
I (50°C) = 323µA
Il trasduttore di umidità e quello di luminosità presentano rispettivamente le seguenti
caratteristiche:
I convertitori A/D a disposizione sono ad 8 bit ed ammettono una tensione in ingresso
compresa tra 0V e 5V.
Il candidato, fatte le ulteriori ipotesi ritenute necessarie,
1. rappresenti il sistema di acquisizione dati con uno schema a blocchi,
2. dimensioni i circuiti di condizionamento dei segnali provenienti dai trasduttori,
3. descriva l’interfaccia di acquisizione dati.
Infine, considerando che sia il controllo della temperatura che quello della luminosità è di
tipo ON/OFF con l’apertura della condotta dell’aria calda o l’accensione delle luci se la
temperatura o la luminosità scende al di sotto di un valore fissato, il candidato, fatte
eventuali ipotesi aggiuntive, descriva il sistema e illustri una soluzione usando un
linguaggio di sua conoscenza.
____________________________
Durata massima della prova: 6 ore.
È consentito l’uso di manuali tecnici e di calcolatrici non programmabili.
Non è consentito lasciare l’Istituto prima che siano trascorse 3 ore dalla dettatura del tema.
Punto 2 - Progetto circuiti di condizionamento
Condizionamento trasduttore di temperatura
Soluzione con l’amplificatore per strumentazione
Il trasduttore fornisce in uscita una corrente, è pertanto necessario utilizzare un convertitore
I/V seguito da un amplificatore che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo
0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280.
In fig. 1 è riportato lo schema elettrico del circuito contenente il convertitore I/V e
l’amplificatore differenziale per strumentazione INA111 (R=25KΩ).
Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura
nell’intervallo scelto:
I (0°C) = 273µA
I (50°C) = 323µA
Il circuito di Fig.1 lavora nel range di temperatura assegnato 0°C ÷ 50°C, la resistenza R1
(10 KΩ 1%) effettua la conversione I/V. L’amplificatore operazionale A0, configurato come
inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e l’amplificatore per strumentazione.
+ Vcc=12V
I0=1 µA/K
0°C
273µA
50°C
323µA
Vs0=10mV/K
R1
+
A0
+
Vco=0V÷ 5V
1
Vs0=2,73V÷ 3,23V
I0=1 µA/K
6
P24
12
CH0_A/D
INA111
RG
amplificatore per
strumentazione
8
Fig. 1
-
2
VR0=2,73V
Calcolo range tensione Vs (si pone R1=10 KΩ
Ω 1%)
T(°C)=0°C
T(°C)=50°C
7
3
CB280
T(K)= 273K T(K)= 323K 4
5
-12V
Vs0min=R1*Is=273*1*10-6*10*103=2,73 V
Vs0max=R1*Is=323*1*10-6*10*103=3,23 V
Affinché alla temperatura di 0°C corrisponda Vc0=0V si pone VR0=VS0min=2,73V
Calcolo guadagno G e RG dell’amplificatore per strumentazione INA111
VC 0 max
5
G=
=
= 10
Vs 0 max − Vs 0 Min 3,23 − 2,73
2R
2 • 25 ⋅ 10 3
RG =
=
= 5.556Ω
G −1
10 − 1
La resistenza RG viene realizzata con una resistenza fissa da 2,2 KΩ con in serie un trimmer da
4,7KΩ ( Fig.2)
Rx0 = 2,2KΩ
P0= 4,7 KΩ ( TRIMMER )
Fig.2
P0
Rx0
Deve risultare: Rx0 + P0/2 ≅ 5556Ω
Soluzione con l’amplificatore differenziale
Il trasduttore fornisce in uscita una corrente, è pertanto necessario utilizzare un convertitore
I/V seguito da un amplificatore che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo
0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280.
Nella Fig. 3 si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza
un amplificatore operazionale in configurazione differenziale.
Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura
nell’intervallo scelto:
I (0°C) = 273µA
I (50°C) = 323µA
La conversione corrente-tensione è realizzata con la resistenza R1.
L’amplificatore operazionale A0, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il
trasduttore e amplificatore operazionale in configurazione differenziale.
R3
Vcc=12V
Vr=2,73V
-
273µA
0°C
-
323µA
50°C
A1
A0
Vs=10mV/K
R1
R2
+
+
Vs=2,73V÷ 3,23V
Is=1 µA/K
Vo=0V÷5V
R2
R3
Fig. 3
Calcolo range tensione Vs (si pone R1=10 KΩ
Ω 0,1%)
T(°C)=0°C
T(°C)=50°C
T(K)= 273K T(K)= 323K Vs=R1*Is=273*1*10-6*10*103=2,73 V
Vs=R1*Is=323*1*10-6*10*103=3,23 V
Dimensionamento Vr, R3, R2
Vo =
R3
⋅ (Vs − Vr )
R2
a) T=0°C
Vs=2,73V V0=0V
b) T=50°C Vs=3,23V V0=5V
0=
R3
⋅ (2,73 − Vr ) si ricava
R2
5=
R3
⋅ (3,23 − 2,73)
R2
Vr=2,73V
R3=50 KΩ
Ω
R
5
= 3
0,5 R2
R2=5 KΩ
Ω
Condizionamento trasduttore di umidità
Soluzione con l’amplificatore per strumentazione
Il trasduttore fornisce in uscita una tensione, 1,5V ÷ 4V nel range 0% ÷ 100% (dati ricavati
dal grafico assegnato, riportato in Fig. 4), è pertanto necessario utilizzare un convertitore
V/V che condizioni il segnale affinché sia
incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal
convertitore interno del CB280.
Fig. 4
Nella Fig. 5 si propone uno schema di
condizionamento con offset di tensione che
utilizza un amplificatore per strumentazione
INA111 (R=25KΩ)..
L’amplificatore operazionale A0, configurato
come inseguitore, effettua la separazione tra il
trasduttore e l’amplificatore per strumentazione.
+ 12V
0% ÷ 100%
Trasduttore
di Umidità
+
A0
+
Vc1=0V÷ 5V
7
3
1
Vs1=1,5V÷ 4V
VU=1,5V÷ 4V
6
CB280
P25
12
CH1_A/D
INA111
RG
amplificatore per
strumentazione
8
Fig. 5
VR1=1,5V
2
4
5
-12V
Affinché all’umidità di 0% corrisponda Vc1=0V si pone VR1=VS1min=1,5V
Calcolo guadagno G e RG dell’amplificatore per strumentazione INA111
2R
2 • 25 ⋅ 10 3
RG =
=
= 50 KΩ
G −1
2 −1
VC1max
5
G=
=
=2
Vs1max − Vs1Min 4 − 1,5
La resistenza RG viene realizzata con una resistenza fissa da 22 KΩ con in serie un trimmer da
47KΩ ( Fig.2)
Rx1 = 22KΩ
Fig.6
P1
Rx1
P1= 47 KΩ ( TRIMMER )
Deve risultare: Rx1 + P1/2 ≅ 50KΩ
Soluzione con l’amplificatore differenziale
Il trasduttore fornisce in uscita una tensione, 1,5V ÷ 4V nel range 0% ÷ 100% (dati ricavati
dal grafico assegnato, riportato in Fig. 7), è pertanto necessario utilizzare un convertitore
V/V che condizioni il segnale affinché sia
incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal
convertitore interno del CB280.
Fig. 7
Nella Fig. 8 si propone
condizionamento con offset
utilizza un amplificatore
configurazione differenziale.
L’amplificatore operazionale
come inseguitore, effettua la
trasduttore e amplificatore
configurazione differenziale.
uno schema di
di tensione che
operazionale in
A0, configurato
separazione tra il
operazionale in
R3
Vr=1,5V
R2
0% ÷ 100%
Trasduttore
di Umidità
A1
A0
+
+
Vs1=1,5V÷ 4V
VU=1,5V÷ 4V
R2
Vo=0V÷5V
R3
Fig. 8
Dimensionamento Vr, R3, R2
Vo =
R3
⋅ (Vs − Vr )
R2
a) U=0%
Vs1=1,5V V0=0V
b) U=100°C Vs1=4V V0=5V
0=
R3
⋅ (1,5 − Vr ) si ricava
R2
5=
R3
⋅ (4 − 1,5)
R2
R3=50 KΩ
Ω
R
5
= 3
2,5 R2
R2=25 KΩ
Ω
Vr=1,5V
Condizionamento trasduttore di luminosità
Soluzione con l’amplificatore per strumentazione
Il
trasduttore
fornisce
in
resistenza
variabile (500KΩ ÷ 1KΩ) in funzione
dell’illuminamento (10 lux ÷ 1000 lux) (dati
ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 9),
è pertanto necessario utilizzare un convertitore
R/V che condizioni il segnale affinché sia incluso
nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal convertitore
interno del CB280.
Nella Fig. 10 si propone uno schema di
condizionamento con offset di tensione che
utilizza una struttura a ponte ed un amplificatore
per strumentazione INA111 (R=25KΩ)..
Fig. 9
+Vcc 12V
+ 12V
Rx
RLux
Vc2=0V÷ 5V
+
A
7
3
1
VAB
RL
12
P26
CH2_A/D
INA111
RG
B
6
CB280
amplificatore per
strumentazione
RL
8
-
2
Fig. 10
4
5
-12V
Dimensionamento ponte
Il testo non impone nessuna condizione, si tralascia il calcolo della resistenza di
linearizzazione e la massima corrente per RLux. Si pone RL=1,8MΩ ed Rx=RLux(10Lux).
Con questa configurazione con 10 lux di illuminamento il ponte risulta in equilibrio
(VAB=0V)
Calcolo range di VAB
a) Illuminamento =10Lux
RLux=500KΩ
b) Illuminamento
RLux=1KΩ
VAB =
=1000Lux
Vcc • RL
Vcc • RL
−
RL + RLux (1000) RL + Rx
10 Lux ÷ 100 Lux
VAB =
Rx=500KΩ
VAB=0V
12 • 1800 ⋅ 10 3
12 • 1800 ⋅ 10 3
−
= 2,6V
1800 ⋅ 10 3 + 1 ⋅ 10 3 1800 ⋅ 10 3 + 500 ⋅ 10 3
VAB=0V ÷ 2,6V
Calcolo guadagno G e RG dell’amplificatore per strumentazione INA111
G=
VC 2 max
5
=
= 1,923
VABMax − VABMin 2,6 − 0
RG =
2R
2 • 25 ⋅ 10 3
=
= 54,17 KΩ
G −1
1,923 − 1
La resistenza RG viene realizzata con una resistenza fissa da 22 KΩ con in serie un trimmer da
47KΩ ( Fig.11)
Rx0 = 22KΩ P0= 47 KΩ ( TRIMMER )
Fig.11
Il
trasduttore
Deve risultare: Rx2 + P2/2 ≅ 54,17KΩ
Rx2
P2
Soluzione con l’amplificatore differenziale
fornisce in resistenza variabile (500KΩ ÷ 1KΩ) in funzione
dell’illuminamento (10 lux ÷ 1000 lux) (dati
ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig.
12), è pertanto necessario utilizzare un
convertitore R/V che condizioni il segnale
affinché sia incluso nell’intervallo 0V÷5V
richiesto dal convertitore interno del CB280.
Nella Fig. 13 si propone uno schema di
condizionamento con offset di tensione che
utilizza un amplificatore operazionale in
configurazione differenziale.
L’amplificatore operazionale A0, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il
trasduttore e amplificatore operazionale in configurazione differenziale.
Fig. 12
R3
10 Lux
Vcc=+12V
Vr=6V
1000 Lux
R2
RLux
-
A1
A0
VRL
+
Vs2=6V÷ 11,97V
+
R2
R3
Fig. 13
RL
Vo=0V÷5V
Calcolo range di VRL (si pone RL=500K
Vcc • RL
RL + RLux
a) Illuminamento
=10Lux
RLux=500KΩ
RL=500KΩ
VRL=6V
b) Illuminamento
=1000Lux
RLux=1KΩ
RL=500KΩ
VRL=11,98
VRL =
10 Lux ÷ 100 Lux
VAB=6V ÷ 11,98V
Dimensionamento Vr, R3, R2
Vo =
R3
⋅ (Vs 2 − Vr )
R2
a) 10 Lux
Vs2=6V V0=0V
0=
R3
⋅ (6 − Vr ) si ricava Vr=6V
R2
b) 1000 Lux
Vs2=11,98V V0=5V
5=
R3
⋅ (11,98 − 6)
R2
R3=50 KΩ
R
5
= 3
11,97 − 6 R2
R2=60 KΩ