DOMOTICA

ITIS “Galileo Galilei”
Reg. Rapalline, 32
Albenga (SV)
Area di progetto
DOMOTICA
Può una casa essere intelligente?
No!
però la domotica...
ITIS “Galileo Galilei” Albenga
Corso:
Elettronica e Telecomunicazioni
classe: 5B
Gli insegnanti
Cirio Giovanni
Bianco Ferdinando
Gli alunni
Bagnasco Manuel
Baudino Luca
Calcagno Luca
Cappellino Fabio
Chiapale Patrizio
Fiandaca Andrea
Forgione Fabio
Martino Stefano
Messina Davide
Murgia Matteo
Penasso Francesco
Trunzo Gabriele
Viola Fabrizio
Zhou Qi
-2-
Elenco componenti:
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N°
2
1
4
1
5
2
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
2
9
8
3
1
3
2
1
2
1
1
4
1
Nome
Resistenze da 68Ω
Resistenza da 220Ω
Resistenze da 330Ω
Resistenza da 470Ω
Resistenze da 1kΩ
Resistenze da 3.3kΩ
Resistenza da 3.9kΩ
Resistenza da 4.7kΩ
Resistenza da 5.6kΩ
Resistenza da 10kΩ
Resistenza da 15kΩ
Resistenza da 18kΩ
Resistenza da 27kΩ
Resistenza da 29kΩ
Resistenze da 47kΩ
Trimmer da 10kΩ
Trimmer da 22kΩ
FotoResistenza da 22kΩ al buio
Condensatore da 10nF
Condensatore da 100nF
Condensatori da 100μF
Diodi 1N4007
LED
LM311
LM35
μA741
BC108
BD137
2N1711
Porta not 7404
Relè da 5V
Relè da 12V
Zener da 4,7V
-3-
Introduzione
L’idea della casa è nata dalla collaborazione dei professori con l’impegno
degli studenti della 5B.
Il nostro obiettivo è quello di progettare e realizzare una casa
indipendente o quasi dall’uomo, in cui tutto è automatico o controllato da
un computer.
Per esempio l’impianto di illuminazione è regolato da un sensore
crepuscolare che fornisce la sua risposta al computer che comanda il
circuito di accensione della luce;
ma non si ferma a qui, attraverso un linguaggio di programmazione si
possono pilotare dal PC anche altri utilizzatori, per esempio la lavatrice,
la sveglia ecc.
Inoltre questa casa è dotata di un sistema a pannelli solari che può
permettere di risparmiare economicamente e che ricarica un accumulatore
di tensione che entra in funzione in caso di assenza della rete elettrica.
Sono presenti anche un efficiente sistema d’allarme, di irrigazione del
giardino, e di riscaldamento, naturalmente tutti completamente
automatizzati in cui l’intervento umano si limita alla semplice
manutenzione e controllo dell’impianto.
Questi sono i principi sui quali saranno progettate le case
prossimamente…ma siamo veramente sicuri di voler delle abitazioni
tecnologicamente avanzate?
La nostra risposta è certamente positiva perché se le macchine servono
per aiutare l’uomo, risparmiandogli operazioni ripetitive e noiose, allora
sono più che benvenute.
Di seguito sono spiegati dettagliatamente tutti i circuiti usati per il
controllo.
-4-
Schema a blocchi del progetto
-5-
Luci ed elettrodomestici:
Schema di funzionamento della porta parallela
COMANDO LUCI ED ELETTRODOMESTICI
° Il programma deve comandare 4 linee (D0..D3) per attivare gli elettrodomestici
(E0..E3) con determinati tempi di funzionamento (scaldabagno, calderina del
riscaldamento, sveglia, pompa di irrigazione).
° Dall’esterno, il sensore crepuscolare (luci giardino) dovrà fornire al PC un segnale
Cr sulla porta di stato al pin S3 che indichi la situazione notturna: il PC invia un
segnale LG sul pin D4 per l’accensione delle lampade del giardino solo se l’ora è
compresa tra o1 e o2 (per esempio o1: 18.00 e o2: 02.00).
° Tenere conto del monitoraggio dei consumi. La somma del carico totale istantaneo
deve essere calcolata per via hardware, un solo segnale deve essere prodotto e letto
dal PC. Tale segnale (Ct) deve essere 0 se il carico è inferiore a 3kW, deve essere 1 se
il carico è superiore. Tale stato deve essere letto da un ingresso della porta di stato S4
e visualizzato sullo schermo tramite una spia rossa lampeggiante
-6-
IRRIGAZIONE PRATO
° La sonda di umidità e il circuito di interfaccia devono inviare al PC un segnale Um
alto se il terreno è secco, basso se il terreno è umido. Um deve essere letto sul pin S5.
° Il programma, se Um vale 0 non deve avviare la pompa di irrigazione, altrimenti,
secondo fasce orarie stabilite via via dall'utente deve avviarla.
PANNELLO FOTOVOLTAICO
° Il programma deve semplicemente monitorare lo stato di carica della batteria. Sul
pin S6 si leggerà il segnale Pf , Pf deve valere 1 se la batteria ha una tensione
superiore al valore Vs stabilito dall'hardware di interfaccia. Lo stato di Pf deve essere
visualizzato sullo schermo.
TEMPERATURA/CALDAIA
°Il software deve rilevare la temperatura interna a intervalli di un minuto leggendola
dalla porta di stato in binario.
°Impostiamo la Temperatura di intervento (comunque configurabile) a 20° C. Se la
temperatura misurata è inferiore a 20° C e non siamo in una situazione di ferie
(impostata dall'utente) si deve attivare la caldaia (E1 dal pin D1).
Nota: La caldaia deve essere attivata anche nell'intervallo precedente la fine della
situazione ferie.
ALLARME
° Il programma deve poterne leggere lo stato sul pin S7. Se il livello è alto si deve
inviare tramite modem un messaggio di e-mail ad un numero stabilito e deve
visualizzare una spia di allarme
sullo schermo.
Analisi dei singoli componenti del circuito crepuscolare:
•
•
•
La resistenza Rv che si trova nel circuito di base del transistor è una
resistenza variabile detta trimmer. In pratica si tratta di una resistenza il cui
valore può essere regolato (tramite cacciavite) tra zero e il massimo valore
indicato sulla resistenza. Il trimmer è stato inserito per poter regolare in modo
preciso la chiusura del relè in base alla luminosità.
La resistenza R serve per proteggere il transistor nel caso si porti il trimmer a
zero,se così fosse entrerebbe nella base del transistor una corrente elevata che
potrebbe daneggiarla.
Il relè può funzionare con diverse tensioni tramite i due circuiti separati,quello
di comando e quello di utilizzazione; l’importante è che il circuito di comando
invii alla bobina la giusta corrente e che il carico collegato risulti adeguato
all’uscita del relè.
-7-
Esistono diversi tipi di relè tra i quali il deviatore che noi useremo.
I terminali sono indicati con: NA (normalmente aperto) cioè i contatti si
chiudono solo quando il relè si eccita, NC (normalmente chiuso) ovvero i
contatti si aprono solo quando il relè si eccita. Noi useremo il contatto NA.
•
Il diodo polarizzato inversamente è collegato in parallelo alla bobina del relè
per evitare pericolosi carichi induttivi che potrebbero daneggiare il transistor.
•
Il condensatore, in parallelo al relè evita la vibrazione dei contatti dello stesso
quando la tensione applicata alla bobina è inferiore a quella di lavoro e quindi non
sufficiente ad eccitarlo
Schema elettrico del circuito crepuscolare:
Circuito stampato lato rame:
-8-
Componenti:
Fr: Fotoresistenza da 22Kohm al buio
Rv: Trimmer da 22Kohm
R: 1Kohm
Rl: 330Ohm
D1: 1N4007
D2: Led verde
C: 100uF
T: BC108
Relè: da 5V
Linee di allarme:
(Bagnasco Manuel, Murgia Matteo, Chiapale Patrizio)
Il circuito si compone di un contatto di tipo NA o NC che rileva l'apertura o la
chiusura , da una linea che porta tale stato al circuito di rilevazione composto da una
porta logica, il bilanciamento della linea è ottenuto inserendo in parallelo al contatto
NA o in serie a quello NC, un resistore R2 da 3,3 K ohm. Questo, insieme con altro
resistore R1 = 3,3 K ohm fa sì che in condizioni di normale funzionamento la
tensione sulla linea LNA valga VLNA = V+CENTR /2 = 6V.
Questa tensione viene sentita dal comparatore a finestra, costituito dal partitore R3
R4 R5 e dai due comparatori di tensione LM 311; esso porta la sua uscita a livello
basso ogni volta che la tensione di ingresso VLNA scende al di sotto di una soglia
inferiore VT – o sale al di sopra di una soglia superiore VT +.
Essendo nominalmente V+ centr = 12 V e le resistenze uguali fra di loro, si ha VT – = 4
V e VT + = 8 saV. Se per un tentativo di effrazione o di manomissione delle linea la
tensione VLNA viene portata al potenziale di massa (chiusura del contatto NA o
cortocircuito fra i due conduttori della linea) oppure a quello di alimentazione
(apertura del contatto NC o taglio del cavo della linea), il comparatore scatta portando
l’uscita a livello basso e attivando così il segnale LINEA. Più precisamente per
provocare la commutazione è sufficiente che la tensione VLNA esca dal campo 4 – 8
Volt.
I due diodi D1 e D2 presenti nel circuito servono per impedire al segnale d’ingresso
di uscire dalla fascia 0 – 12 Volt mentre i condensatori C1 C2 C3 hanno il compito di
filtrare eventuali disturbi provenienti dall’alimentazione o dalla linea.
-9-
Schema elettrico:
Circuito stampato:
Elenco componenti:
•
•
•
•
•
•
•
•
2
D3
D1
D2
1
C1
C2
R1
LM311
LED
1N4007
1N4007
PortaNot 7404
10nF
100nF
3.3kΩ
- 10 -
•
•
•
•
•
•
•
•
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
Rled
3.3kΩ
15kΩ
15kΩ
15kΩ
30kΩ
1kΩ
1kΩ
470Ω
Controllo della temperatura
Il sensore di temperatura LM35:
Il circuito integrato LM35 è un trasduttore di temperatura di precisione, che fornisce
una tensione d’uscita linearmente proporzionale alla temperatura espressa in gradi
Celsius. Questo sensore ha il vantaggio rispetto ai sensori di temperatura calibrati in
gradi Kelvin, di non dover sottrarre una tensione costante dalla sua uscita per ottenere
una scala di tensione conveniente in gradi Centigradi.
LM35 non richiede una calibrazione esterna e può essere applicato facilmente nello
stesso modo degli altri circuiti integrati di temperatura.
Questo sensore è progettato per lavorare in un range di temperatura che va dai -55°C
ai +150°C, può essere usato con singola alimentazione o con più alimentazione, e la
tensione di alimentazione varia da 4 a 30 Volt; il dispositivo assorbe solo 60μA
dall’alimentazione, e fornisce linearmente in uscita una tensione di 10mV/°C.
- 11 -
Caratteristiche del trasduttore:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Calibrazione diretta in gradi Centigradi
Precisione garantita di 0.5°C (a +25°C)
range di temperatura da -55°C a 150°C
tensione di alimentazione da 4V a 30V
bassa impedenza di uscita (0.1Ω ad 1mA)
uscita lineare in tensione uguale a 10mA
meno di 60μA di corrente assorbita
meno surriscaldamento, 0.08°C all’aria
non linearità ± 0.25°C
tensione di uscita da -1V a 6V
Schema elettrico:
Dobbiamo dimensionare il circuito di condizionamento in modo da ottenere una
tensione Vout compresa nel range di 0V a 4V quando la temperatura varia
nell’intervallo da 0°C a 40°C.
Per T=0°C sappiamo che il sensore non fornisce alcuna tensione,
Vs=0V,
di conseguenza
Vo=(1+(R2+Rp)/R1)*Vs
=>
Vo=0V
Per T=40°C si desidera avere Vo=4V, quando T=40°C la sonda genera:
Vs=0.4V
Vo=(1+(R2+Rp)/R1)*Vs
1+((R2+Rp)/R1)=10
=>
(R2+Rp)/R1=9
e posto
- 12 -
R1=5.6kΩ, si ha:
R2+Rp=50,4kΩ
R2+Rp=47kΩ + 10kΩ (Trimmer).
Circuito stampato:
Elenco componenti:
• HB1 LM35
• U1
uA741
• R1
5.6kΩ
• R2
47kΩ
• Rp
10kΩ Trimmer
Sensore di temperatura AD590:
Il trasduttore di temperatura AD590, è realizzato con materiale semiconduttore e
fornisce una intensità di corrente proporzionale alla temperatura, espressa in gradi
Kelvin. Alla base del funzionamento di tale dispositivo è che la tensione prelevata ai
capi di una giunzione polarizzata direttamente varia di circa -2.3mV/°K in un ampio
range di temperatura.. L’integrato AD590 è un trasduttore a due terminali che per
tensioni di alimentazione comprese nel range 4 ÷ 30 V genera una intensità di
corrente Is=1μA/°K con una linearità di ±0.8°C.
Nelle applicazioni pratiche si pone il problema di convertire il segnale d’uscita
dell’AD590 in tensione ed è necessario adattare il segnale alle specifiche dei
convertitori A/D. La conversione corrente/tensione, è affidata ad un amplificatore
operazionale che, per le sue caratteristiche, oltre a non caricare il segnale prodotto dal
trasduttore, lo amplifica. Questi circuiti si chiamano Circuiti di condizionamento che
permettono di fissare il valore dell’offset ed il fattore di scala in relazione alle
caratteristiche del convertitore A/D.
- 13 -
Applicazione tipica:
Dobbiamo dimensionare il circuito seguente in modo da ottenere una tensione Vout
compresa nel range di 0V a 4V quando la temperatura varia nell’intervallo da 0°C a
40°C.
Per T=0°C il sensore fornisce una corrente I=273uA, si desidera avere Vo = 0V.
Calcoliamo la serie (R3+R1) in modo che vi scorra una corrente di 273uA, nel nodo
A si può scrivere
Io + If = I
273uA + If = 273uA
quindi If=0A e allora
Vo = If(R4+R2)=0V
ottenendo
(R3+R1)=(Val-0)/(273*10^-6)= 12/(0.273*10^-3)= 43.96*10^3Ω (44k Ω)
- 14 -
R3+R1 = 33kΩ + 22kΩ (Trimmer)
Per T=40°C si desidera avere Vo = 4V, quando T=40°C la sonda genera:
I=273u+40u= 313uA
si ottiene
If=I-Io=313u-273u=40uA
Perciò
Vo=(R4+R2)*If
R4+R2=100kΩ
R4+R2=58kΩ+47kΩ (Trimmer)
Per dimensionare R mettiamo a 0 tutti gli ingressi
R=(R4+R2)//(R3+R1)=(100k+47k)*(33k+22k)/(100k+47k+33k+22k)= 40kΩ
Elenco componenti:
• R1
22kΩ Trimmer
• R2
47kΩ Trimmer
• R3
33kΩ
• R4
56kΩ
• R
40kΩ
• IDC AD590
• U1
uA741
• Val Da 4 a 30 Volt
Trigger di Schmitt:
Dobbiamo dimensionare il circuito in modo che l’uscita scatti a +Vsat e a –Vsat alle
tensioni di soglie programmate per l’accensione e lo spegnimento del riscaldamento.
In definitiva il circuito deve comandare l’accensione del riscaldamento quando la
temperatura dell’ambiente è inferiore a 12°C e deve comandare lo spegnimento
dell’impianto quando la temperatura supera i 20°C.
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Schema elettrico:
Vh = (2Vsat/(n+1))
0.73=(2*11/(n+1))
22/0.73=n+1
n=29
R1=29*R2
R1=1kΩ
R2=29kΩ
Vh=(n/(1+n))*Vref+(1/(1+n))*Vsat
3.26=(29/30)*Vref+(11/30)
Vref=3V
Vth=3.16V
Vtl=2.7V
Legenda:
Vh=Ampiezza dell’isteresi
Vc=Tensione centrale
Vref=Tensione di riferimento
Vth=Tensione di soglia superiore
Vtl=Tensione di soglia inferiore
Simulazione del circuito:
- 16 -
Elenco componenti:
• 1
µA741
• 1T
BD137
• 1
Lampadina da 12V
• R
1kΩ
• R1
29kΩ
• R2
1kΩ
Impianto di alimentazione:
specifiche:
Il circuito deve attivare un deviatore a due vie per fornire energia o dalla rete fissa o
dalla batteria all’impianto domestico.
La batteria da 12 Volts viene caricata da un pannello solare la cui relazione lux-volt è
riportata di seguito.
Curva lux-Volts a vuoto
25
20
15
10
5
75
0
90
0
10
50
12
00
13
50
15
00
16
50
18
00
19
50
60
0
0
30
0
45
0
0
6,75
8,4
9,67
10,18
10,87
11,34
11,74
12,22
12,86
13,3
18,46
19,75
20,9
15
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1000
1500
2000
0
Volts
Volts
lux
lux
Funzionamento del circuito
Il pannello solare è collegato alla batteria e due diodi D1 e D2 (1N4007) sono posti sui
morsetti positivi della rete e della batteria, onde evitare danni causati da un’eventuale
inversione della corrente; altri due diodi D3 e D4 sono collegati in parallelo alle
bobine, per evitare che il circuito venga danneggiato dai picchi di tensione generati
dalle stesse nella fase di diseccitazione.
Un partitore di tensione costituito da due resistenze da 10[kΩ] e 47[kΩ] regola la
soglia al di sotto della quale un comparatore (costituito da un A.O. LM-741) fornisce
- 17 -
un’uscita pari a -Vsat, cioè 0 Volt; se la batteria ha una carica sufficiente l’operazionale
fornirà un’uscita a livello alto, cioè la tensione della batteria, che farà passare il
transistor in stato di saturazione, andando così ad eccitare la bobina. Se l’uscita è
bassa, il transistor rimane interdetto e l’impianto domestico è automaticamente
alimentato dalla rete fissa.
Il condensatore C1 serve per fornire una migliore deviazione, immediata e senza
interruzioni.
Schema elettrico:
Circuito stampato:
- 18 -
Componenti:
•
•
•
•
•
•
•
2 relè da 12 [V]
1 A.O. LM-311
3 diodi led
4 diodi 1N-4007
1 condensatore da 100[uF]
1 transistor BC-108
4 resistenze da 330 [Ω], 10 [kΩ], 47 [kΩ] e 18 [kΩ]
Controllo irrigazione del giardino:
I benefici di un impianto di irrigazione interrato sono indiscutibili. Razionalizzazione
e costanza nelle innaffiature, renderanno il nostro giardino più bello e vitale e
automaticamente susciterà in noi una passione arcaica per il verde. Non
dimentichiamoci che questo impianto ci aiuterà nei momenti in cui saremo fuori casa,
magari in vacanza.
L'importante è quale impianto sia più adatto alle nostre esigenze, vediamo quali
possono essere le differenti varianti di impianto:
- Per giardini oltre i 200 mq - Impianto interrato con minimo 6 zone;
- Per giardini da 50 a 200 mq - Impianto interrato con massimo 2 zone;
- Per giardini e terrazze non oltre 100 mq - Impianto fuori terra con una sola zona
programmabile;
- Per balconi, piccole terrazze e ambienti chiusi - Sistema per irrigare fino a 40 giorni
di autonomia.
La progettazione:
Bisogna misurare e disegnare il giardino in pianta. Successivamente, aiutandoci con
un compasso ubichiamo sulla carta le proiezioni degli irrigatori a scomparsa
disegnando anche il centro che sarà appunto l'ubicazione dell'irrigatore. Ricordiamoci
inoltre che alcuni irrigatori sono a getto regolabile da 0° a 360° gradi.
Programmazione degli irrigatori:
La batteria di valvole è l'insieme delle elettro-valvole di apertura e di chiusura dei
circuiti idrici.
Adesso che il nostro impianto è pronto, dedichiamo un pò di spazio per i
programmatori. Questi funzionano a tensioni predefinite in base alle diverse esigenze.
Vi sono vari tipi a 2-4-6 zone a secondo appunto della grandezza del giardino, sono il
- 19 -
cuore dell'impianto, aprono e chiudono le elettrovalvole tante volte quante le abbiamo
programmate. Sono associate ad un apparecchio chiamato rain sensor (sensore di
pioggia) che evita inutili sprechi d'acqua sospendendo l’apertura degli irrigatori in
caso di pioggia.
Schema elettrico:
Funzionamento:
Quando, nel punto INPC, giunge il segnale di abilitazione della pompa , il transistor
T1 passa in saturazione eccitando il relè RL1, che spostando il contatto in S1 fa
partire la pompa P; ma se il sensore di pioggia si bagna crea un cortocircuito ai punti
AB, T2 passa allora in saturazione eccitando RL2, il contatto S2 si apre spegnendo la
pompa.
Dimensionamento:
Rc = 7 / 100m = 0.07 K = 70 Ohm; inseriamo una resistenza con valore commerciale
68 Ohm
Rb1 = 4.3 / 1m = 4.3; inseriamo una resistenza con valore commerciale 3.9 K
Rb2 = 4.7 K
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Circuito stampato lato rame:
Elenco componenti:
• 2RC 68Ω
• RB1 3.9kΩ
• RB2 4.7k Ω
• 2 D 1N4007
• 2 Relè da 12V
• 2T
2N1711
- 21 -