Tesina Esame di Stato 2015

Tesina Esame di Stato 2015
Lorenzo Zucchini, classe 5aB
Cesena, Giugno 2015
Il seguente lavoro si propone di analizzare il circuito realizzato per il progetto
“Garden of Things”, articolazione Garibaldi, illustrando le tecniche di
progettazione, i metodi e i passaggi che hanno contribuito significativamente
al completamento del sistema.
L’analisi si servirà di elementi teorici delle materie elettronica, T.P.S. e
sistemi.
Obiettivo del progetto e funzionamento generale
Lo scopo del prodotto è automatizzare il rilevamento di tre valori ambientali
all’interno di una serra, e inviare i dati a un PLC Siemens S7-1200. I valori di
luminosità, temperatura e umidità relativa vengono acquisiti, condizionati
dalle due schede e inviati al PLC per la lettura. La parte informatica,
sviluppata dalle classi dell’indirizzo informatico, si occupa di interagire
tramite un ponte radio al computer e al database online.
1
Analisi dei trasduttori e caratteristiche
Fotoresistenza
Il trasduttore scelto per l’acquisizione dei valori di luminosità è una comune
fotoresistenza, di facile reperibilità, basso costo ma
precisione sufficiente. La caratteristica in uscita non
è lineare, bensì logaritmica; a livello di
condizionamento hardware ciò non costituisce un
problema, la curva sarà rettificata via software dal
PLC. La variazione di resistenza è inversamente
proporzionale a quella di luminosità. Al buio la
resistenza è nell’ordine dei MΩ, mentre alla massima esposizione scende a
100-200Ω.
AD590
Il traduttore AD590 è largamente conosciuto e utilizzato per rilevazioni
domestiche che non richiedano un range di temperature particolarmente
ampio. Idealmente, si tratta di un generatore di corrente che fornisce 1μA/K.
La caratteristica è fortemente lineare, e l’errore di
rilevazione è minimo, nell’ordine dei decimi di
grado. Il sensore fornisce 298,2μA a 25°C,
mentre il range si estende da -55 a 150°C.
Honeywell HIH-4000
Il sensore capacitivo HIH-4000 è in grado di assicurare una rilevazione precisa
e una semplicità d’uso elevata. La tensione di
alimentazione a +5V permette una risposta proporzionale
e lineare, che va da circa 0,75 a 3,9V.
2
Circuiti di condizionamento e dimensionamento
Condizionamento LDR
La fotoresistenza è inserita in un partitore di tensione il quale, all’ingresso di
U2, fornisce una tensione proporzionale alla luminosità. Infatti, più la
luminosità rilevata è alta più la resistenza è piccola, creando una minore
caduta di tensione su LDR. La tensione in ingresso segue la formula
L’amplificatore di tipo Rail-to-rail è in configurazione buffer non invertente, il
segnale trasmesso direttamente all’ingresso A0.0 del dispositivo
programmabile, per poi essere elaborato via software.
Dal collaudo abbiamo rilevato che:
LUXmin 20 Lux 0,18V
LUXmax 5500Lux 10V
3
Condizionamento °C
Il sensore, come spiegato precedentemente, fornisce una corrente
proporzionale alla temperatura espressa in kelvin. Ciò significa che a 0 °C è
capace di fornire una corrente pari a 2,73μA. L’op-amp tuttavia amplifica
tensioni, perciò usando opportunamente le resistenze collegate al piedino Vdel trasduttore dobbiamo ottenere una tensione. Sappiamo che la relazione
temperatura/corrente è
, e la legge di Ohm
sull’ingresso V+ vale
. Infatti, dimensionando la serie a
10kΩ si ottiene
. Grazie alle resistenze la tensione in
ingresso è nell’ordine dei volt, nel campo di variazione accettato
dall’amplificatore. Tuttavia, a 0 °C la tensione è 2,73V; è presente un offset
dovuto al rilevamento dell’AD590, tarato sui gradi Kelvin e non Celsius.
L’eliminazione dell’offset è affidata all’op-amp in configurazione
differenziale. Al piedino V- si applica una tensione pari all’offset, che viene
sottratta alla tensione in ingresso regolando così la misurazione a 0°C=0V.
Tmin 0°C 0V
Tmax 50°C 10V
4
Condizionamento RH
Il sensore capacitivo di umidità è l’unico elemento alimentato a 5V, il che ha
richiesto l’inserimento di un LM7805 nel circuito.
Il sensore, già provvisto di un circuito di condizionamento interno, varia la sua
capacità proporzionalmente alla umidità rilevata. E’ stato sufficiente
amplificarlo di 2 volte con un op-amp in configurazione non invertente a
guadagno Av=2. E’ presente un offset, poichè con umidità del 20% la Vout è
2,74, mentre con umidità del 100% la tensione sale a 7,54. La regolazione
dell’offset in questo caso avviene tramite il PLC via software; infatti, a
differenza del AD590, la tensione in ingresso non può in nessun caso scendere
a un valore minore a 0, causando un errore di lettura del sensore.
RHmin 20% 2,74V
RHmax 100% 7,54V
5
Multiplexing dei segnali analogici
I segnali di temperatura e umidità vengono multiplexati dall’integrato
CD4066B, un AMUX in grado di gestire fino a 4 segnali. Questo processo è
necessario a causa del numero di entrate analogiche del PLC, pari a 2,
inferiore al numero di segnali che interessano il progetto.
Il multiplexing viene gestito tramite le uscite Q0.0 e Q0.1 del PLC, che
alternano una tensione di comando degli switch interni al AMUX,
“scegliendo” un segnale alla volta. Uno dei vantaggi di questo procedimento è
quello di poter regolare la frequenza di lettura dei segnali, e il tempo di lettura.
La frequenza di lettura non costituisce un problema, infatti entrambi i segnali
difficilmente variano significativamente nell’arco di qualche minuto. Il
sensore di luminosità al contrario è collegato in modo diretto, per gestire
meglio gli attuatori di oscuramento/illuminazione all’alba e al tramonto,
oppure in caso di tempo nuvoloso.
L’integrato è alimentato a 12V/GND, utilizza perciò l’alimentazione
proveniente dal LM7812 presente nella stessa scheda.
6
Lista componenti e assegnazione impronte
Scheda 1, LDR+AMUX
Nella prima scheda sono presenti:
○ 7 connettori al PLC, 2 alla fotoresistenza, 4 alla 2a scheda
○ Integrato stabilizzatore di tensione LM7812
○ AMUX CD4066B
○ Op-Amp R.t.R.
○ 2 resistori (10k e 12k)
○ 2 condensatori in poliestere (10nF)
Ai connettori sono state assegnate le impronte standard “BORNIER”, alle
resistenze “R3” per far corrispondere la distanza dei pin con quella reale, ai
condensatori “C2”, al LM7812 l’impronta “TO-220V”, mentre agli integrati
Dual In Parallel le impronte “DIP”.
7
Scheda 2, RH+°C
Nella seconda scheda sono presenti:
○ 4 connettori alla 1a scheda, 6 ai sensori AD590 e HIH4000
○ Integrato stabilizzatore di tensione LM7805
○ 2 Op-Amp R.t.R.
○ 3 trimmer (20k)
○ 2 condensatori in poliestere (10nF)
○ 7 resistori
L’assegnazione delle impronte della seconda scheda vede le stesse
associazioni della prima, tranne per i trimmer, i quali non avendo un’impronta
di default nelle librerie di KiCad, sono stati creati ad hoc durante l’esecuzione
del PCB.
8
Schema concettuale costruttivo delle schede
Il circuito è stato diviso e costruito su due schede, disposte in asse
verticalmente, una sopra l’altra.
Il fissaggio è assicurato da 4 distanziali metallici esagonali, imbullonati ai fori,
anch’essi ovviamente disposti in asse e previsti già nel corso dell’elaborazione
del PCB.
Questa soluzione permette vari vantaggi, fra i quali:
◦ minore spazio occupato dal sistema
◦ semplicità costruttiva e concettuale
◦ intercambiabilità di eventuali componenti danneggiati
◦ PCB a singola faccia anzichè a doppia faccia
◦ suddivisione logica dei circuiti
Al fine di rendere reale il vantaggio in semplicità e chiarezza, è stato
necessario rendere più simmetrici possibili i due PCB.
I connettori sono stati montati in asse, specialmente quelli che permettono la
connessione intercircuitale (RH e °C), e sono stati disposti in modo da evitare
intrecciamento di fili.
Come si può notare dallo schema l’ordine delle connessioni è elevato, i
connettori sono suddivisi in base alla destinazione dei
fili.
9
Realizzazione circuito stampato
Scheda 1, LDR+AMUX
10
Scheda 2, RH+°C
11
Completamento progetto e considerazioni finali
Il progetto, dopo la saldatura dei componenti e il montaggio, si presenta in tal
modo:
12
Come si nota le due schede impilate verticalmente permettono di risparmiare
spazio nella scatola di montaggio, e l’insieme risulta semplice e di chiara
comprensione.
Ovviamente la scheda 2, quella provvista di trimmer per la regolazione dei
condizionamenti, è stata inserita sopra in modo da permettere una
manutenzione immediata senza intervenire in altro modo. Il 7812 ha avuto
bisogno di un’aletta di raffreddamento, poichè come carico vede tutto il
sistema e anche l’alimentazione delle uscite del PLC. Il vantaggio di usare più
amplificatori singoli anzichè un solo integrato contenente più amplificatori
consiste nell’intercambiabilità maggiore in caso di rottura, con costi minori,
senza dover sostituire tutti il gruppo amplificatore; inoltre lo schema ha tratto
vantaggio in fase di sbroglio, avendo 3 piccoli integrati separati anzichè un
solo integrato con numerosi pin (vedi LM348).
I due singoli stampati sono illustrati nella foto a seguire; da notare l’effettiva
somiglianza dei due circuiti, entrambi forniti dello stabilizzatore di tensione,
degli operazionali, e dei connettori come da progetto. I fori di montaggio sono
stati realizzati prima dell’inserimento dei componenti, appena dopo lo
stampaggio del PCB.
13