I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Maturità 2015 Magazzino Automatico CONTROLLATO DA ARDUINO Basso Riccardo 5°A Elettronica I.I.S. BASSO RICCARDO L.Einaudi - Scarpa MAGAZZINO AUTOMATICO 1! di 59 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Sommario 1. Introduzione Pag. 5 2. Spiegazione del progetto Pag. 5 3. Introduzione alla meccanica Pag. 6 3.1 Numerazione scaffali Pag. 7 3.2 Disegni in AutoCAD Pag. 8 Pag. 9 4. L’Hardware e il Software 4.1 Arduino Uno Pag. 9 4.2 Arduino Mega 2560 Pag. 9 4.3 Arduino Pag. 10 Pag. 11 5. L'Elettronica 5.1 Comunicazione Seriale UART Pag. 11 - 12 - 13 5.2 Bus RS485 Pag. 14 Adattatore Bus RS485 Pag. 15 5.2.1.1 Pag. 15 Fotocellule a infrarosso Pag. 16 5.3.1 Trasmettitore e Ricevitore Pag. 16 - 17 5.3.2 Master Pag. 18 5.3.3 Lista Componenti Pag. 18 H-Bridge per Motori Pag. 19 - 20 5.4.1 Master Pag. 21 5.4.1 Lista Componenti Pag. 21 6. Motore DC Pag. 22 7. Asse X Pag. 23 5.2.1 5.3 5.4 MAX 485 7.1 Meccanica Generale Pag. 23 7.2 Elettronica Asse X Pag. 23 7.2.1 Schema a blocchi Pag. 23 7.2.2 Schemi Pag. 24 - 25 7.2.3 Master Pag. 26 Pag. 26 7.2.4 Lista Componenti BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 2 I.I.S. EINAUDI - SCARPA 8. Asse Y 10. 11. Pag. 27 8.1 Meccanica Generale Pag. 27 8.2 Elettronica Pag. 27 8.3 9. MATURITA’ 2015 8.2.1 Schema a blocchi Pag. 27 8.2.2 Schemi Pag. 28 8.2.3 Master Pag. 29 8.2.4 Lista Componenti Pag. 29 Comunicazione tra gli assi Pag. 30 8.3.1 Schemi Pag. 30 - 31 8.3.2 Master Pag. 32 8.3.3 Lista Componenti Pag. 32 Pag. 33 Asse Z 9.1 Meccanica Generale Pag. 33 9.2 Elettronica Pag. 33 9.2.1 Schema a blocchi Pag. 33 9.2.2 Schemi Pag. 33 - 34 9.2.3 Master Pag. 35 9.2.4 Lista Componenti Pag. 35 Pag. 36 Nastro Trasportatore 10.1 Meccanica Generale Pag. 36 10.2 Elettronica Pag. 36 10.2.1 Schema a blocchi Pag. 37 10.2.2 Lista Componenti Pag. 37 Pag. 38 Pag. 38 Centraline di Comando 11.1 Centralina Principale 11.1.1 Tastierino e Display Pag. 38 - 39 - 40 11.1.2 Funzioni Tastierino Pag. 42 11.1.3 Master Pag. 41 11.1.4 Lista Componenti Pag. 40 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO 3! di 59 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA 11.2 12. 13. MATURITA’ 2015 Centralina Secondaria Pag. 43 11.2.1 Schemi Pag. 43 - 44 11.2.2 Master Pag. 44 11.2.3 Lista Componenti Pag. 44 Pag. 45 Alimentatore 12V - 4A 12.1 Schema a blocchi Pag. 45 12.2 Trasformatore Pag. 45 12.3 Ponte a diodi Pag. 46 - 47 12.4 Il Filtro Pag. 47 - 48 12.5 Regolatore di Tensione Pag. 48 12.6 Spiegazione de circuito Pag. 49 12.7 Master Pag. 50 12.8 Lista Componenti Pag. 50 Pag. 51 Collegamenti con le materie 13.1 Inglese Pag. 51 13.2 Elettronica Pag. 52 - 53 13.3 T.P.S.e.e Pag. 54 - 55 - 56 13.4 Matematica Pag. 57 - 58 - 59 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 4 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 INTRODUZIONE Questo progetto, dopo tante ricerche, è stato pensato per poter dare un’idea di un magazzino automatico. Un sistema che viene utilizzato in grandi aziende e che facilita l’operazione che un tecnico dovrebbe fare manualmente, velocizzandola. Un progetto che è stato iniziato agli inizi di Novembre 2014, pensando prima di tutto a come potesse essere strutturato e, secondariamente a tutta l’elettronica e la meccanica. Questo progetto viene pensato come se si dovesse fare un prototipo di un vero e proprio magazzino automatico, quindi verranno spiegate e descritte tutte le singole piccolezze di un progetto che può essere un vero “utensile” per facilitare la vita di certe persone e la velocità di mercato. La velocità di un magazzino automatico è molto più alta di quella di un operaio, in quanto appena il computer rileva l’ordine di un certo prodotto, lo preleva immediatamente, senza dover controllare la sua localizzazione, perché è controllato dal sistema stesso che memorizza la posizione di tutti i prodotti. SPIEGAZIONE DEL PROGETTO Di seguito riportiamo di come avviene il funzionamento del magazzino automatico. Il progetto sarà controllato interamente da microcontrollori già costruiti: Arduino; Ne serviranno 5. La centralina principale (primo Arduino Mega 2560) servirà per gestire gli ordini da effettuare, questa sarà collegata ad una centralina secondaria (secondo Arduino Mega2560) che servirà per gestire la visualizzazione a display dello stato dell’ordine. Le due centraline comunicano tramite una trasmissione Bus e andranno a gestire (tramite Arduino Uno) i vari assi del magazzino (X, Y, Z). Quando la centralina principale riceve un ordine (possibilità di effettuare quattro ordini con quattro prodotti), invia alla centralina secondaria l’ordine con il codice dello scaffale dove è situato il materiale da prelevare e questa invia i comandi ai motori per poter eseguire l’ordine. Quando ogni asse ha finito il proprio compito viene avviata la manovra di prelevamento del materiale, quando anch’essa sarà terminata allora le due centraline comunicano e faranno partire la manovra successiva. Il carrello arriverà, poi, alla stazione di carico-scarico, attivando il nastro trasportatore quando l’operazione sarà finita. Sulla sezione display verrà visualizzato il codice del prodotto e la quantità da prelevare con un simbolo se si tratta di scarico e un altro se si tratta di carico. A operazioni concluse si premerà un pulsante di “fine operazione” e il carrello porterà il bancale sulla posizione iniziale. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO 5! di !59 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 INTRODUZIONE ALLA MECCANICA In questo progetto, è presente una parte molto importante di meccanica. Per poter realizzare la meccanica, in modo tale che tutta la struttura si ben solida e che tutti i meccanismi funzionino perfettamente abbiamo utilizzato del legno per la base principale, e le varie scaffalature, mentre per ingranaggi, passacavi e meccanica vera e propria (come ruote, binari ecc.), materiali in plastica o ferro (o acciaio). Abbiamo utilizzato vari utensili, utili per poter modificare al meglio la struttura e la meccanica. Utensili utilizzati: -Avvitatore; -Trapano a colonna; -Cacciaviti vari; -Sega Elettrica; -Martello; -Sega a mano; Il progetto è formato da tre assi su cui si muove il carrello: -Asse X: Asse che si muoverà sulla base principale in orizzontale per poter raggiungere la giusta posizione degli scaffali; -Asse Y: Asse che si muoverà in verticale per poter consentire all’Asse Z di andare a prelevare il materiale sulle scaffalature; -Asse Z: Asse in grado di muoversi avanti e indietro per prelevare il materiale richiesto. Gli scaffali sono in tutto 24; Ci saranno 6 colonne e 4 righe sullo scaffale. Poi c’è la postazione “Nastro”, in cui il carrello arriva e deposita il materiale prelevato in precedenza. Quest’ultimo avrà il compito di portare in una posizione di “scarico” tutto il materiale, e sarà formato da un nastro che gira attorno a due perni, grazie ad un motore DC. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 6 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Numerazione scaffali Come abbiamo precisato, gli scaffali sono 24. Quindi avremo 6 posizioni totali per l’Asse X, 4 posizioni per l’Asse Y, 2 posizioni per l’Asse Z e una posizione per il Nastro. Asse X avremmo 6 posizioni in quanto ci sono 6 colonne di postazioni merce. Asse Y avremmo 4 posizioni in quanto ci sono 4 righe di postazione merce. Asse Z avremmo 2 posizioni in quanto l’asse farà un movimento per prelevare il materiale e un movimento per tornare in condizione normale. Il nastro ha una sola, quella di arrivo merce. Di seguito c’è lo schema rappresentativo della scaffalatura. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO 7! di 59 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Disegni in AutoCAD VISTA LATERALE DEL MAGAZZINO VISTA DAVANTI DEL MAGAZZINO BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 8 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 L’HARWARE E IL SOFTWARE In questo progetto si è deciso di utilizzare un certo tipo di microcontrollore per pilotare il tutto: “Arduino”. Più in dettaglio “Arduino Uno” e “Arduino Mega2560”. Mentre per il Software, ovviamente, utilizziamo “Arduino”, un programma utile per caricare i programmi nel proprio Hardware. Arduino Uno La Arduino Uno è una scheda basata sul microcontrollore Atmega328. Dispone di 14 digitali pin di ingresso-uscita (di cui 6 possono essere utilizzate come uscite PWM ), 6 ingressi analogici, quarzo da 16 MHz, una connessione USB, un jack di alimentazione e un pulsante di reset. Esso contiene tutto il necessario per supportare il microcontrollore: collegandola a un computer con un cavo USB o alimentarla con un adattatore o batteria AC -DC. Le caratteristiche principali sono le seguenti: -Microcontrollore: Atmega 328 -Tensione di Lavoro: 5V -Pin Digitali I/O: 14 (Di cui 6 utilizzabili come uscite PWM) -Pin Analogici: 6 -Corrente dei Pin I/O: 30mA -Corrente del Pin 3,3V: 50mA - Velocità di Clock: 16MHz Arduino Mega2560 L'Arduino Mega 2560 è una scheda di sviluppo basata sul microcontrollore ATmega2560. Questa scheda ha 54 Pin I/O (14 dei quali possono essere utilizzati come uscite PWM), 16 ingressi analogici, 4 UART, un quarzo da 16MHz, una connessione USB, connettore jack per alimentazione esterna e pulsante di reset. Sulla scheda c'è tutto l'occorrente per supportare il microcontrollore: basta semplicemente connetterla ad un pc attraverso un cavo USB per cominciare da subito. Le caratteristiche principali sono le seguenti: -Microcontrollore: Atmega 2560 -Tensione di Lavoro: 5V -Pin Digitali I/O: 54 (Di cui 15 utilizzabili come PWM). -Pin Analogici: 16 -Corrente dei Pin I/O: 40mA -Corrente del Pin 3,3V: 50mA - Velocità di Clock: 16MHz BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 9 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Arduino Il Software Arduino ci permetterà di programmare le nostre piattaforme che poi svilupperanno il progetto. Arduino è un compilatore che utilizza come linguaggio il “C”, ma con le sue librerie e funzioni. Esistono delle librerie già scritte che ci permettono di semplificare i nostri programmi, altre invece bisogna compilarle. Ogni piattaforma ha il suo microcontrollore, ma tutte si programmano tramite lo stesso software e lo stesso linguaggio. Ci sono delle funzioni base, necessarie, per far compilare un programma correttamente: - voidSetup () {….} è la prima funzione che richiama Arduino nel compilare il programma. Serve per dichiarare le nostre variabili, lo stato dei pin o per eventuali comunicazioni seriali. - voidLoop () {….} è la funzione che esegue ciclicamente il nostro programma. Poi ci sono delle cose importanti da tener conto della sintassi: - Il punto e virgola (;) deve essere inserito alla fine di ogni istruzione per separarle dalle altre istruzioni, se si omette, il compilatore darà errore nella compilazione. - Le parentesi graffe ( {} ) definiscono l'inizio e la fine di un blocco di istruzioni e funzioni. Ad una parentesi che si apre deve corrisponderne la chiusura. Lo sbilanciamento delle parentesi è spesso motivo di criticità del codice di un programma sostanzioso, quindi errore di compilazione del codice scritto. - I commenti: Possono essere fatti in due modi: a) Blocco di Commenti: Un blocco di commenti inizia con /* e termina con i simboli */ /* Tra questi simboli posso commentare il codice che sviluppo senza che in fase di compilazione venga occupata memoria. Questi commenti vengono ignorati.*/ b) Linea di Commento: Quando si vuole commentare solo una linea si utilizza: // Le linee singole di commento vengono spesso usate dopo un'istruzione per fornire più informazioni relativamente a quanto serva all’istruzione per poterlo ricordare anche in seguito. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 10 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 L’ELETTRONICA In questo capitolo si tratterà tutto ciò che riguarda l’elettronica. Innanzitutto bisogna dire che tutti i circuiti che verranno assemblati sono costruiti da macchine, mentre le saldature e la disposizione componenti è eseguita da una persona, quindi saranno basette autocostruite. Per realizzarle ci saranno utili due software: Per disegnare i circuiti elettrici OrcadCapture, mentre per lo sbroglio OrcadLayout. Tutti i componenti utilizzati sono componenti molto frequenti e facili da reperire, con basso costo. Ora andiamo a descrivere ogni singolo circuito nei prossimi sottocapitoli. Comunicazione Seriale UART Descriviamo di seguito i concetti di UART. UART è acronimo di Universal Asynchronous Receiver-Transmitter e si riferisce ad un modulo elettronico in grado di comunicare in modo asincrono con un altro modulo sia trasmettendo che ricevendo dei dati. Per "asincrono” si intende la caratteristica di non avere alcuna sincronizzazione, fra i due moduli, ovvero nessun segnale particolare che tenga i moduli sincronizzati fra loro. Sia definito un dispositivo A e un dispositivo B collegati fra loro semplicemente da due fili elettrici come in figura qui sotto: A A La freccia che va da A verso B rappresenta il nostro “Filo A” mentre quello che va da B ad A rappresenta il “Filo B”. Ipotizziamo inizialmente che il dispositivo A abbia il ruolo di "trasmettitore" (ovvero abbia dei dati da trasmettere) verso B che farà invece da "ricevitore". Questi dati sono per esempio il frutto di un'elaborazione di A, oppure la raccolta dall'esterno di informazioni da sensori, ecc... in pratica qualunque informazione digitale. Uno di questi fili (filo A) fa da riferimento per l'altro (normalmente viene chiamato "massa"), mentre l'altro (filo B) viene posto (dal dispositivo A) ad una tensione, ovvero ad un voltaggio, che può avere due valori: 0 oppure una certa tensione predeterminata, che dipende da come è fatto il circuito stesso. La comunicazione seriale consiste nell'alternare i valori di tensione sul filo B da parte del dispositivo A (trasmettitore), in modo che il dispositivo B (ricevitore) li percepisca, e seguendo i valori e le loro alternanze sia in grado di decodificare le informazioni trasmesse. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 11 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Ovviamente questa alternanza viene effettuata secondo una tempistica precisa, che dipende da un cosiddetto clock: sia A che B integrano un clock che scandisce il tempo alla comunicazione, ed in pratica la durata di ogni singolo "bit" è pari al reciproco di questo clock. Questo clock nelle UART si esprime come "baud rate". Ogni "scatto" del clock permette al circuito trasmittente di spedire sul filo B il bit successivo. Il protocollo della UART è fra i più semplici ed è costituito dalle seguenti fasi: 1) si definisce una velocità di trasmissione / ricezione dei dati (baud rate); 2) si spezza la stringa di bit da trasmettere in stringhe molto corte; 3) si fascia ogni pacchetto con un ulteriore bit iniziale, detto bit di start, e con uno finale, detto bit di stop. Parametri di comunicazione: 1) 1 bit di start (che c'è sempre ed è uno solo); 2) "bit di dati" (ovvero vengono inviati per ogni pacchetto i bit di dati "utili", più ovviamente quelli del protocollo); 3) un solo bit di stop; 4) nessuna parità, ovvero il bit di parità è assente. Ogni "pacchetto" sarà lungo pertanto: 1 + n°bit + 1 e porta n°bit bit di informazione. Nell'analisi della comunicazione partiamo dal bit di start. Il bit di start permette al ricevitore (B) di "capire" quando iniziano ad arrivare dei dati, rispetto ad una situazione "di riposo" (idle) della linea, che viene mantenuta ad un livello costante. Per default questo livello è “1". Il bit di start non è altro che un primo bit a 0: è un bit che fa da "contrasto" al valore costante “1" della linea. In pratica, per iniziare la trasmissione, A pone a 0 la linea per un tempo pari al reciproco del baud rate, mentre B si accorge di ciò perchè sta continuamente osservando la linea proprio per vedere quando il voltaggio sulla stessa passa da un certo valore a "0". A questo punto, il trasmettitore A può inviare, uno ad uno, ad una cadenza dettata dal baud rate, gli n°bit della parola; questo significa che a cadenza regolare imposta sul filo B il valore del bit corrispondente, e, mantenendo tale valore sulla linea, attende un tempo. Terminati gli n°bit, il trasmettitore imposta il "bit di stop": è semplicemente un bit fisso, aggiuntivo, e rovesciato rispetto al bit di start, ovvero nel nostro caso posto a "1". B vede solo la linea costituita dal filo A e filo B, e misura continuamente il valore della tensione del filo B rispetto al filo A (che fa da riferimento). Per quanto detto sopra, in condizioni di attesa continua a misurare una tensione presente, pertanto un livello logico “1". Ad un certo punto B vede cambiare lo stato della linea da 1 a 0: cosa significa? Significa che stanno arrivando dei dati e il cambiamento è dovuto proprio al bit di start. “B” è interessato a capire lo stato della linea nei vari punti "centrali" dei bit trasmessi, pertanto: 1) B attende il valore del bit 1; BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 12 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 2) per n° volte, B attende la durata di un bit e rileva lo stato della linea; 3) ogni rilevazione corrisponde ad uno dei bit di dati utili trasmessi; 4) terminato l'ultimo bit il ricevitore B attende un altro bit e si rimette in attesa di un cambio di stato. Il ciclo continua senza sosta. Vediamo ora quali possono essere alcuni problemi legati a questa trasmissione asincrona. Innanzitutto, come dice la parola stessa, la modalità di ricetrasmissione dei dati è "asincrona" in quanto i due dispositivi non condividono un'unica fonte di riferimento per le temporizzazioni, ma: 1)devono mettersi d'accordo prima su che clock (baud rate) usare; 2)l'intero processo si basa di fatto su due clock che possono risultare all'atto pratico leggermente diversi. Cosa succede nel caso in cui il clock del ricevitore sia diverso da quello del trasmettitore? Nel caso di differenze notevoli non è possibile alcuna comunicazione, in quanto le letture del ricevitore sono completamente scoordinate, ma nel caso di differenze limitate ci possono essere dei problemi soprattutto quando i dati vengono inviati senza interruzione fra i pacchetti. Perchè i clock, pur nominalmente uguali, potrebbero essere diversi? Per motivi fisici, legati alla generazione e alla stabilità dei clock stessi. I clock sono quasi sempre derivati da oscillatori al quarzo che oscillano ad una frequenza che dipende dalle loro caratteristiche fisiche. La soluzione più semplice consiste nel mettere due quarzi identici sia nel trasmettitore che nel ricevitore, ma in molte situazioni ciò non è sufficiente. Per prima cosa c'è una tolleranza nella produzione dei quarzi ma questo è ininfluente per quanto riguarda l’UART. Se A e B hanno due quarzi nominalmente uguali, ma A e B vengono mantenuti a temperature diverse, i rispettivi clock avranno delle differenze. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 13 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Bus RS 485 Il bus RS485 è molto usato in ambito industriale, in quanto prevede una trasmissione differenziale, ovvero gli stati logici dei bit non corrispondono più a 5 v e GND, ma ad una differenza positiva o negativa della tensione tra due conduttori. In caso di differenza di tensione positiva, si verifica lo stato logico 1; in caso di differenza negativa, 0. Questo si traduce in un enorme vantaggio, perché non importa il livello della tensione che per via dei disturbi può anche essere sfalsata. La distanza massima raggiungibile infatti è 400-600 m, estendibile fino a 1200m, utilizzando un cavo a coppie ritorte (twistato). Il cavo twistato è più immune ai disturbi, in quanto composto da diverse spire alternate (cioè il cavo A passa prima sopra poi sotto al cavo B), e i disturbi elettromagnetici agiscono allo stesso modo sui due conduttori. In un cavo normale bipolare, i disturbi elettromagnetici agiscono maggiormente sul conduttore più esterno. Nell’immagine possiamo vedere varie configurazioni di un bus. Nella prima immagine in alto a sinistra abbiamo una comunicazione con un solo filo ossia quello portante una certa tensione. In quella appena sotto abbiamo anche il filo 2 che è in comune ai due ossia GND (0V). Nella terza è la nostra configurazione ossia i due fili “intrecciati” per deviare il problema del disturbo in un solo filo. Il bus RS485 permette l’interfacciamento di più dispositivi, di cui solo uno trasmettitore, sulla stessa linea bus. Questo permette di realizzare reti di dispositivi anche abbastanza complesse, a basso costo, in quanto è sufficiente aggiungere alla porta UART del microcontrollore un modulo aggiuntivo. La quantità massima di dispositivi sulla stessa linea è 32, per via dell’assorbimento di corrente di ognuno di essi, ma utilizzando circuiti integrati a basso assorbimento è possibile estendere questo limite. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 14 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Adattatore Bus RS 485 Abbiamo spiegato nel paragrafo precedente che per poter usare la comunicazione seriale abbiamo bisogno di un adattatore, infatti, in questo capitolo andremmo a trattare e come costruire il nostro adattatore seriare. Il circuito sarà formato principalmente dall’integrato MAX485, poi abbiamo 3 jumper per poter selezionare la combinazione giusta per le varie comunicazioni, in quanto non sono tutte uguali nei vari schemi elettrici. Le tre resistenze servono a bilanciare le linee (A e B): -La R1 di pull-up tiene il segnale della linea A alto per evitare problemi durante le fasi in cui non ci sono trasmettitori collegati e per ogni rete RS485 ce ne deve essere solo una attiva; -la R2 di pull-down tiene il segnale della linea B basso, in una rete RS485 ce ne deve essere solo una attiva; -la R3 è la resistenza di terminazione e per le reti corte a basso baud-rate (9600 bps) si può anche non attivare, ma se il baud-rate aumenta (o anche la lunghezza della linea), si attiva quella del primo e dell’ultimo modulo della rete. Il circuito sottostante sarà integrato nei circuiti che andranno a comporre le basette inserite sopra ogni Arduino Uno e Mega. MAX485 L’integrato MAX485 fa parte della scheda di interfaccia bus e si occupa dell’adattamento sei segnali in logica TTL entranti in segnali a logica RS485 e viceversa. Nel dettaglio si occupa di effettuare le necessarie negazioni per garantire le caratteristiche differenziali della linea RS485 e i livelli logici TTL associati utilizzati nel resto della scheda. L’integrato, in figura sottostante, è dotato di un trasmettitore e un ricevitore le cui attivazioni sono controllabili tramite due terminali: - RE: a livello basso attiva l’unità ricevente dell’integrato; - DE: a livello alto attiva l’unità trasmittente sul bus. Le principali caratteristiche: - Tensione di alimentazione 5V (max 12V); - Supporto per bus RS485 fino a 32 dispositivi; - Autolimitazione corrente in caso di cortocircuito. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 15 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Fotocellule a infrarosso Per poter far in modo che il magazzino possa fermarsi ad una determinata e precisa posizione sono necessari dei sensori. Ho scelto di utilizzare le fotocellule a infrarosso recuperate da delle vecchie stampanti. Sono già compresi in un unico blocco trasmettitore e ricevitore. Successivamente andremo a descrivere separatamente il trasmettitore e il ricevitore e il loro funzionamento. Trasmettitore e Ricevitore Sia trasmettitore che ricevitore sono integrati in un unico case ma separati da due reparti diversi, come segue: Come vediamo da una parte è presente il trasmettitore (TX) e dall’altra il ricevitore (RX). Infatti, il trasmettitore trasmette una luce nel piccolo spazio bianco fino al ricevitore, quindi un raggio continuo, quando si presenterà un ostacolo tra TX e RX allora il raggio sarà interrotto. Per la parte del trasmettitore non c’è niente da dire in quanto è un semplice led che emette luce verso il ricevitore. Sarà posta una resistenza in serie al led di protezione per la corrente. Per il ricevitore, invece, è più complesso. Parliamo di un semplice transistor BJT, ma senza il terminale di BASE; Questo perché sulla base sarà presente il flusso luminoso che arriva dal led trasmittente. Il transistor è in grado di essere interdetto, quindi in conduzione, quando è presente della luce sulla base che sarà poi una corrente che innesca il transistor. Quindi in presenza di luce il transistor conduce grazie alla corrente di base e alla tensione BC (base-collettore). Il terminale di emettitore sarà l’uscita del nostro sensore, dove sarà prelevata la tensione o segnale di uscita. Di seguito proponiamo il circuito che è stato progettato per questo sensore: BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 16 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Quando il trasmettitore emette luce questa viene captata dalla base del transistor ossia del ricevitore quindi sul collettore del ricevitore (in uscita) è presente un livello basso (L). Questo livello è minore del livello che si presenta sul piedino non invertente dell’operazionale, per questo essendo V+>V- allora in uscita dell’operazionale si ha un livello alto (H). Il transistor funziona da inverter ossia se in ingresso (sulla base) è presente un livello basso, in uscita (collettore) avrò un livello alto e viceversa. Per questo motivo ora avremmo un livello alto sulla base quindi il transistor conduce. Conducendo il diodo led si accende. Quando invece è presente un ostacolo sul sensore, il transistor (ricevitore) non conduce e quindi sul piedino invertente dell’operazionale si presenta un livello alto (H) che è maggiore del livello sul piedino non invertente dell’operazionale. In uscita dell’operazionale quindi abbiamo un livello basso (L). Sulla base del transistor si presenta un livello basso (L) quindi non conduce, di conseguenza il diodo led in uscita (collettore) si spegne. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 17 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Elenco Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Resistenza 1/4 Watt, valori: 1kΩ(44), 10kΩ (33) 77 2 Condensatore poliestere, valore: 100nF 22 3 Sensore (TX & RX) infrarosso a forcella 11 4 Diodo Led bianco alta luminosità 11 5 Integrato LM393 11 6 Zoccolo per integrato, 4+4pin 11 7 Transistor BC337, configurazione NPN (8) 8 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 18 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 H-Bridge Motori Si vuole descrivere il funzionamento del sistema scelto per il pilotaggio dei nostri motori in DC. Abbiamo progettato degli H-BRIDGE non integrati (come esistono in commercio) con dei relè 12V DC e transistor. Di seguito sarà riportato lo schema con relativa spiegazione del suo funzionamento. Partendo dal connettore di alimentazione J1 troviamo subito un ramo con R1 e LED1, questo led sarà sempre acceso nel momento che tutto il circuito è alimentato (sopra è rappresentato solo uno schema dei 4 motori necessari, il led si riferisce a tutto il sistema completo di 4 H-BRIDGE), se il led è spento ciò significa che non arriva tensione al sistema. Per il dimensionamento di R1 si è utilizzata la legge di Ohm: , avendo però il led a cui cadono circa 2V e assorbe una corrente di circa 10mA la formula sarà: Dopo di che, troviamo un fusibile da 500mA, questo ci sarà utile per la protezione del vero sistema H-BRIDGE per non incorrere a cortocircuiti, che saranno protetti da questo fusibile. Si è scelto 500mA in quanto il motore più grosso sotto sforzo assorbe quasi 600mA. Dopo il fusibile c’è un altro ramo con un led sempre rosso, questo per vedere che arriva tensione al sistema H-BRIDGE. Qui abbiamo inserito una resistenza più piccola di 1k perché si voleva che il led fosse più visibile degli altri. Troviamo due pulsanti nel sistema e grazie a questi, si potrà andare a manovrare la direzione dei motori manualmente: sono stati inseriti perché in fase di montaggio sono stati utili per sistemare le posizioni di carrello e scaffali nel modo migliore e ottimale. Passiamo ora al vero funzionamento: Quando nel connettore J3, che deriva da due Pin dell’Arduino di comando, arriva un comando per il Q1, questo conduce e porta tensione al diodo D1 che, a sua volta, alimenta un rele’ che sarà in grado di commutare per alimentare in un verso il motore DC. Il transistor Q2 è interdetto e non conduce, quindi non fa commutare il relè 2 e un pin del motore va verso massa. Se su J3 si attiva l’altro Pin allora il ciclo si rovescia e il motore cambia verso. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 19 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Perché sono stati utilizzati i relè: se applichiamo una tensione costante ad un motore in DC e poi gliela togliamo bruscamente dopo un tempo T, il motore avrà una piccola inerzia, ossia compie altri giri attorno al suo asse. Questo fenomeno in questo progetto non deve assolutamente verificarsi perché un motore deve fermarsi in una precisissima posizione e non avere margini di errore (il sistema si sfaserebbe tutto). Il relè è in grado di mettere in corto i due poli del motore in modo simultaneo ed evitare il verificarsi dell’inerzia, comportandosi così anche da freno motore. Perché si è inserita la resistenza da 39k : quando l’Arduino invia un segnale ad un transistor, quindi farà girare il motore in un certo verso, abbiamo detto che l’altro è interdetto. Proprio per il transistor interdetto serve la resistenza (R8, R10) da 39k verso massa che tiene il transistor a massa per evitare che intercorrono tensioni nel transistor e lo portino in conduzione. Abbiamo detto che sono presenti 4 H-BRIDGE. Uno di questi serve per comandare un motore molto piccolo per l’asse Z che avrebbe una tensione di lavoro pari a 3V che per noi sono tanti considerando il lavoro che deve svolgere. Perciò abbiamo inserito un circuito che ci fornisce in uscita 1,5V. Classico circuito di un regolatore di tensione variabile grazie all’integrato LM317. Abbiamo una tensione di ingresso di 12V e una Vout=1,5V. C1 (in) e C2 (out) sono condensatori per l’eliminazione dei disturbi che possono arrivare al sistema. Rappresentazione 3D del PCB BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 20 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Resistenza 1/4 Watt, valori: 1kΩ(12), 10kΩ (16), 39kΩ (8), 220Ω (1) 37 2 Trimmer lineare monogiro, montaggio orizzontale, valore 4,7kΩ (1) 1 3 Condensatore elettrolitico, voltaggio: 50V, valore: 10uF (2) 2 4 Diodo 1N4007 (8) 8 5 Diodo led bianco alta luminosità (8) 8 6 Diodo led rosso (5) 5 7 Transistor BC337, configurazione NPN (8) 8 8 Relè 12V, singolo scambio (8) 8 9 Integrato tipo TO-220, LM317 (1) 1 10 Pulsante da circuito stampato (8) 8 11 Fusibile 350mA (5) 5 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 21 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 MOTORE DC Il motore in corrente continua è costituito principalmente da due parti: - Statore; - Rotore. STATORE: parte fissa del motore che crea un campo magnetico costante; ROTORE: parte mobile del motore che include le spire. Perchè il motore si muove? Il principio base del motore elettrico è quello di una spira percorsa da corrente e immersa in un campo magnetico costante e per la legge di Faraday “un conduttore di lunghezza L e percorso da una corrente I, immerso in un campo magnetico B è sottoposto ad una forza pari a: f=L*I*B”. Il tipo di motore utilizzato da noi è il motore in corrente continua a magneti permanenti. questo tipo di motore presenta sullo statore due magneti permanenti e non necessita di circuiti di eccitazione. Caratteristiche: - Può sviluppare una forte coppia a basse velocità; - Ha un comportamento reversibile: non assorbe solo corrente ma può generarla. si collega un altro motore all’albero e il primo diventa come una dinamo; - Può funzionare anche come freno. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 22 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 ASSE X Come abbiamo visto ci sono 3 assi più il nastro. Andremmo ora a descrivere il primo asse ossia l’asse X in tutti i suoi dettagli. Meccanica Generale Abbiamo bisogno non solo di elettronica per il progetto ma di molta meccanica e ogni asse ha la sua nello specifico. Questo asse avrà come parte principale un motore in DC che fa girare una cinghia di plastica. Abbiamo preso un motore DC (12V) e ci abbiamo adattato un perno dentato per una cinghia di plastica recuperata da una vecchia stampante e avrà la funzione di portare avanti e indietro un unico carrello che sostiene poi tutti gli altri due assi (Y-Z). Questa cinghia che gira grazie al motore è poi attaccata su un punto preciso del carrello per farlo muovere. Il carrello si muoverà su due binari (uno per lato) e per fare questo abbiamo fatto quattro fori nei 4 lati del carrello, dove sono state inserite delle viti che sosteranno dei cilindretti di plastica per far si che il carrello scivoli bene sui binari. Il sistema di movimento molto facile e “veloce” da montare e la lunghezza totale del movimento per l’asse X è di circa 50-55cm. Elettronica Asse X Di elettronica non c’è più quasi niente da dire ma solo da fare un riassunto per ogni asse e capire per ogni asse cosa serve. Schemi a blocchi MOTORE ALIMENTAZIONE ARDUINO UNO RS 485 A - B RS485 FOTOCELLULE I segnali “A - B RS485” sono comuni a tutti i microcontrollori dotati di adattatore seriale con RS485. L’alimentazione proviene da quella generale che alimenta tutte le schede: 12V DC. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 23 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Schemi Per l’asse X ci sarà utile un ARDUINO UNO, un H-BRIDGE e 7 fotocellule a infrarosso. - ARDUINO UNO: Sarà utile per la programmazione e il controllo di tutti i movimenti che questo asse sarà in grado di compiere. Sopra all’Arduino sarà impegnata un circuito elettrico composto da vari componenti. Schema Arduino Uno: Sono stati scelti delle uscite per pilotare i vari sensori e motori (PWM). In più sono presenti i Pin TX, RX e CT che servono per la comunicazione seriale tramite il BUS RS485. Si utilizzerà l’uscita 5V dell’Arduino per alimentare il MAX485 e GND sarà comune sia quella dell’Arduino sia al circuito che monterà sopra di esso. Schema del circuito montato sopra ad Arduino: Si vede che è presente il circuito per l’adattatore seriale RS285 (spiegato nel paragrafo sopra). Abbiamo aggiunto un piccolo circuitino formato da un fusibile di protezione per eventuali cortocircuiti, una resistenza e un led. Ovviamente la resistenza è stata dimensionata per la protezione del diodo led con la legge di Ohm. Questo led ci segnalerà la presenza tensione in tutto il circuito. Per il MAX485 bisogna specificare che i jumper non devono essere inseriti per la comunicazione. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 24 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA - MATURITA’ 2015 FOTOCELLULE A INFRAROSSO: Qui sono rappresentati in 7 sensori a infrarosso utilizzati nell’asse x. Uno di questi è situato nella posizione 0 ossia posizione di riposo o di partenza/arrivo e sarà anche in grado di scaricare il materiale nel nastro trasportatore. Gli altri 6 sensori sono impiegati per poter fermare il carrello esattamente nelle posizioni della scaffalatura. Quando le fotocellule sono a riposo è come se il segnale fosse collegato a massa quindi risultano un circuito chiuso proprio verso massa. La fotocellula F7 funziona all’inverso, nel senso che rimane molto più aperta che chiusa. In poche parole quando il magazzino è a riposo questa fotocellula è come se fosse un circuito aperto perché il carrello le è davanti. Mentre le altre saranno come un circuito chiuso ma quando il carrello inizierà a muoversi allora passando davanti alle singole fotocellule queste diventeranno come un circuito aperto e non appena il carrello si sposterà da essa ritornerà come un circuito chiuso. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 25 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Resistenza 1/4 Watt, valori: 1kΩ(1), 120Ω (3) 4 2 Jumper, 3x2 3 3 Integrato MAX485 1 4 Zoccolo per integrato, 4+4 pin 1 5 Diodo led bianco alta luminosità 1 6 Diodo led giallo 1 7 Fusibile 350mA 1 8 Porta fusibile 1 9 Connettore a vite 2poli, passo 2,5mm 4 10 Connettore a vite 10 poli, passo 2,5mm 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 26 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 ASSE Y In realtà cambia poco dall’asse X (precedente), ma sono stati utilizzati dei componenti e un motore diverso. Meccanica Generale Si è recuperato un binario di una stampante per fare il sistema di movimento dell’asse che è poi sostenuto dal carrello dell’asse X. In questo binario è presente una cinghia di plastica che gira grazie ad un motorino DC comandato a 12V e si muoverà grazie ad un perno dentato fissato sul motore. È stato importante fissare un sistema di bloccaggio per il binario perché essendo alto circa 35-40cm deve essere molto stabile per non incorrere ad errori nel movimento. Si è fissata una barra di ferro tra il punto più alto del binario e sul carrello dell’asse X. Elettronica Asse Y Potremmo dire che l’elettronica è uguale all’asse X, ma qualche variazione è presente, soprattutto perché in questo asse sono presenti 4 fotocellule infrarosso, un led e un buzzer di segnalazione di carrello in movimento (che riguarda tutto il magazzino ma per comodità è stato inserito in questo asse). Abbiamo creato un circuito stampato posizionato sul carrello dell’asse X che servirà per la comunicazione tra gli assie i connettori flat. Questo circuito conterrà anche il circuito per la segnalazione del led e buzzer. Precisiamo che il microcontrollore ARDUINO di questo asse è stato impiegato anche per l’asse Z viste le molte uscite per poter pilotare il necessario. Schemi a blocchi ALIMENTAZIONE MOTORE ARDUINO UNO RS 485 A - B RS485 FOTOCELLULE I segnali “A - B RS485” sono comuni a tutti i microcontrollori dotati di adattatore seriale con RS485. L’alimentazione proviene da quella generale che alimenta tutte le schede: 12V DC. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 27 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Schemi - ARDUINO UNO: Schema Arduino Uno: In questo schema bisogna precisare che saranno presenti solo i collegamenti per l’asse Y. Quelli per l’asse Z saranno presenti nel paragrafo successivo. A destra il circuito per l’adattatore seriale e a sinistra i pin dell’Arduino Uno che comanda l’asse Y e Z. - FOTOCELLULE INFRAROSSO: Come ogni asse, queste sono le fotocellule a infrarosso per l’asse Y. Sono 4, una per riga del magazzino. Quando il carrello sarà arrivato nella posizione dell’asse X giusta allora il carrello verticale che già si stava alzando arriverà davanti al sensore della riga selezionata tramite l’ordine e quando si fermerà allora si azionerà anche l’asse Z. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 28 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Resistenza 1/4 Watt, valori: 1kΩ(1), 120Ω (3) 4 2 Jumper, 3x2 3 3 Integrato MAX485 1 4 Zoccolo per integrato, 4+4 pin 1 5 Diodo led bianco alta luminosità 1 6 Diodo led giallo 1 7 Fusibile 350mA 1 8 Porta fusibile 1 9 Connettore a vite 2poli, passo 2,5mm 4 10 Connettore a vite 10 poli, passo 2,5mm 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 29 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Comunicazione tra gli assi Abbiamo creato un circuito posizionato sopra il carrello per poter fare il collegamento tra i vari assi con gli opportuni connettori utilizzati. Inoltre, è stato inserito un circuito con l’NE555 per l’attivazione di un segnale ottico (led) e un segnalatore acustico (buzzer) quando il magazzino sarà in movimento. Schema a blocchi del circuito: SCHEDA H-BRIDGE - CONNETTORE A VITE MOTORE Y SENSORI Y CONNETTORE SMD FLAT ASSE Z - CIRCUITO NE555 - MOTORE Z - FINE CORSA BUZZER LED Schema comunicazione assi Schemi Tipo connettore: 28 pin per flat plastico recuperato da stampante. Il connettore arriva direttamente dalla scheda degli H-BRIDGE e porta i segnali per le fotocellule e i comandi dei motori di asse Y e Z. Alcuni segnali arrivano direttamente dalla scheda degli H-BRIDGE (come l’alimentazione e i comandi dei motori) mentre altri passano solo per quella scheda, ma arrivano dagli Arduino (come il comando per il led e buzzer oppure i segnali per le fotocellule ad infrarosso). L’alimentazione è comune alla scheda degli HBRIDGE ma non alle schede di Arduino. Mentre il connettore a destra è quello a vite che porta i segnali alle fotocellule dell’asse Y e i comandi per il motore Y, e il comando del led posizionato sopra al carrello. Tipo connettore: a vite 10 pin. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 30 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Tipo connettore: SMD per flag plastico recuperato da stampante. Porta i segnali all’asse Z e il pilotaggio per il suo motore. I comandi arrivano dagli Arduino tranne il comando del motore che arriva dalla scheda degli H-BRIDGE. L’NE555 ci produrrà un lampeggio del led e un suono che varia per il buzzer. Abbiamo dimensionato il circuito per una configurazione da astabile dove il comando arriva dall’Arduino uno. Se questo invia a CL un comando positivo allora il transistor condurrà e il 555 inizierà a lavorare, altrimenti non andrà in conduzione il transistor e tutto rimane a riposo. Dimensionamento: R1: protezione led R5: tenere a massa il transistor quando non conduce R2//R3: perché non esiste una R=5k. Le formule sono già complete dei dati, ma sono state dimensionate le resistenze per ottenere TH=0,3sec e TL=0,15sec. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 31 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Resistenza 1/4 Watt, valori: 10kΩ(3), 39kΩ (1), 1kΩ (1) 5 2 Switch integrato 1 3 Integrato NE555 1 4 Zoccolo per integrato, 4+4 pin 1 5 Buzzer acustico 1 6 Transistor Bc337, configurazione NPN 1 7 Condensatore elettrolitico, 22uF, voltaggio: 50V 1 8 Condensatore poliestere, 100nF 1 9 Connettore a vite 8 poli, passo 2,5mm 1 10 Connettore flat 28pin 1 11 Connettore SMD flat 23pin 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 32 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 ASSE Z Meccanica Generale La meccanica è molto semplice ossia che sul carrello dell’asse y è presente un contenitore di plastica con un sistema di movimento per il motore. È stato recuperato un pezzo da una vecchia stampante con un motorino già presente con tensione di lavoro a 1,5V. Su questo pezzo è stata fissata una L di alluminio che funge da “forca” per prelevare i bancali nelle varie postazioni. Elettronica Asse Z Schema a blocchi H-BRIDGE ALIMENTAZIONE MOTORE Z ARDUINO UNO RS 485 FINECORSA L’elettronica comprende: - Scheda Arduino Uno; - Scheda H-BRIDGE; - Scheda connettore finecorsa e motore. Schemi NC1: contatto normalmente chiuso del primo finecorsa; NC2: contatto normalmente chiuso del secondo finecorsa; IN-A MOTORE: ingresso A o comando A del motore; IN-B MOTORE: ingresso B o comando B del motore; CL: comando del led di segnalazione magazzino in movimento; CT: segnale RS485; TX: segnale del trasmettitore RS485; RX segnale del ricevitore RS485. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 33 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Come abbiamo detto il motorino per far andare dentro e fuori l’asse Z è alimentato a 1,5V quindi ci è stato necessario inserire un piccolo circuito che ci regolasse la tensione da 12V a 1,5V ed è il seguente. Per il funzionamento dell’H-BRIDGE è analogo a tutti gli altri assi. A seconda della provenienza del segnale, esso girerà in un senso anzichè nell’altro. L’asse Z presenta un circuito stampato banale costituito da due connettori. Uno, il più grande è un connettore SMD recuperato da una vecchia stampante con il suo flat di fili, e questo comunicherà con il circuito intermedio di comunicazione tra assi; Mentre l’altro connettore, il più piccolo, è un connettore a vite di 8 pin e da questo escono le varie uscite per i finecorsa e i segnali del motore. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 34 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Connettore a vite 8 poli, passo 2,5mm 1 2 Connettore SMD flat 23pin 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 35 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 NASTRO TRASPORTATORE Meccanica Generale Il meccanismo di funzionamento di questo nastro è la meccanica più complessa di tutto il progetto. Per poterlo costruire abbiamo recuperato dei pezzi da delle vecchie stampanti e dei pezzi di alluminio. Per prima cosa abbiamo costruito due pezzi di alluminio a forma di L per il sostegno anche se poi risulterà sospeso dalla base. Sono state necessarie poi due barre di ferro della lunghezza di circa 5cm per poter tenere il nastro che è formato da un foglio di cartavetrata. Sui perni di ferro sono stati inseriti dei cilindri di gomma semidura per far scorrere bene il nastro, ma in modo che non scivoli troppo. Infine, i due perni con dei supportini in plastica sono stati fissati alla base di legno dietrostante al nastro. Nella staffa a L è stato fissato il motore a 12V che permetterà il movimento del nastro. Questo movimento è permesso grazie a due ingranaggi, uno più piccolo fissato sul perno del motore mentre uno più grande fissato sul perno del nastro. Elettronica Nastro È presente solo l’H-BBRIDGE per il comando dei motori che arrivano poi da un Arduino Mega. Sarà poi presente un sensore a infrarossi ma non ha un circuito di condizionamento in quanto viene pilotato direttamente dall’Arduino: un’uscita piloterà un led a infrarosso con una frequenza di 38kHz, questo perchè se noi facessimo emettere luce al diodo in modo continuo la luce solare o ambiente potrebbe creare problemi. Poi ci sarà un ingresso dell’Arduino che capta il segnale ricevuto dal sensore e sarà in grado di effettuare le appropriate funzioni. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 36 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Schema a blocchi ALIMENTAZIONE ARDUINO MEGA H-BRIDGE MOTORE NASTRO L’Arduino invia i dati all’H-BRIDGE del nastro trasportatore e nel momento adatto quest’ultimo darà in consenso al motore per poter andare avanti, quindi portare il bancale in posizione di scarico o indietro, quindi in posizione di carico. Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Led emettitore a infrarosso 1 2 Sensore ricevitore a infrarosso 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 37 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 CENTRALINE DI COMANDO In questo progetto sono presenti due centraline (Arduino Mega 2560) che comanderanno il tutto. Le altre non sono meno importanti, ma tutti i dati partono da queste due, nonostante siano presenti i programmi più sostanziosi per il controllo di tutto il sistema. Centralina Principale Questa centralina principale ha il compito di comandare una tastiera di 12 pulsanti e un display LCD 20x4. Da qui partiranno tutte le informazioni che poi saranno visualizzate nel display. Sarà possibile, tramite tastierino, andare a fare tutti i movimenti che poi saranno a sua volta visualizzati nell’LCD. Oltre ad avere il controllo del display e del tastierino, questa centralina avrà il compito di comunicare, tramite il BUS, tutte informazioni alla centralina secondaria che poi darà il comando a tutti gli altri microcontrollori. Andiamo ad esaminare come è costituita questa parte e il suo funzionamento. Tastierino e Display LCD Il tastierino è composto da 12 pulsanti (NO: normalmente aperti), che ci consentiranno di agire per far fare al progetto i suoi movimenti. Abbiamo applicato un display LCD 20x4 dopo aver studiato il progetto a carta e capito che sarebbero servite tali colonne e tali righe. Il display avrà un trimmer collegato per poter variare il contrasto per la luminosità. Rappresentazione dello schema riferito al display LCD. Si nota il trimmer collegato tra i vari Pin del display per variare il contrasto luminoso. I pin nominati da un numero rosso andranno poi a collegarsi con il microcontrollore. Dati LCD: Alimentazione: +5V Tabella riferimento Pin del displayLCD BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 38 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Piedinatura del connettore che sarà collegato all’Arduino Mega: Il connettore è di tipo a vaschetta di 26pin con l’apposita piattina sempre di 26 fili. Schema dei 12 pulsanti NO. Quando viene premuto il pulsante viene chiuso il circuito su di esso e viene inviato un impulso al microcontrollore. Sopra è riportato lo schema elettrico di come è collegato il nostro Arduino Mega. È presente un connettore chiamato “Seriale” che sarà necessario per far comunicare questo Arduino Mega con l’altro Arduino Mega. Infine il connettore che abbiamo già riportato nella pagina precedente per potersi collegare e portare i segnali al display LCD e ai 12 pulsanti. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 39 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Come in ogni circuito che abbiamo fatto, anche in questo è presente quello di protezione e di alimentazione: J4: 5V OUT (collegato all’Arduino) J5: 12V IN (dall’esterno) J6: 12V OUT (dopo il fusibile) Il led segnala la presenza tensione nel circuito. Alcune immagini in 3D, ricavate dal software, dei circuiti stampati per questa sezione: Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Diodo Led rosso 1 2 Resistenza 1/4 Watt, Valore: 1kΩ 1 3 Fusibile 350mA (1) con portafusibile da circuito stampato (1) 2 4 Connettore a vaschetta 26 pin 2 5 Connettore a vite 2 poli passo 2,5 mm (3), connettore a vite 4 poli passo 2,5 mm (1) 4 6 Pulsanti (NO) da circuito stampato 12 7 Trimmer monogiro orizzontale, Valore: 4,7kΩ 1 8 Display alfanumerico LCD, 20x4 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 40 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Arduino Controller Master Tastierino e Display LCD BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 41 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Funzioni da Tastierino Tramite tastierino è possibile navigare in un menù. Andiamo ora ad analizzare proprio questo menù e come poterci navigare dentro. MENU’ PRINCIPALE NUOVO ORDINE NUOVO ORDINE Si digita il codice corrispondente allo scaffale da prelevare il materiale desiderato. DIGITARE CODICE Viene visualizzato un riepilogo del codice selezionato con relativa descrizione con richiesta di conferma. Se si avesse sbagliato basta premere ESC. Viene chiesto di selezionare la quantità da prelevare. Viene visualizzata la quantità massima disponibile del prodotto. Confermare Prodotto? Codice: X Descrizione Prodotto Quantità: X Quantità Disponibile: X Con un riepilogo di prodotto, codice e quantità viene chiesta conferma per il proseguo. È presente l’opzione selezione di più ordini in successione. Questo è possibile premendo OK dopo questa domanda. Se premo ESC allora il sistema inizia la sua funzione. - Conferma Prodotto X Prodotto nr. X Codice Prodotto: X Quantità: X Ordinare altri Prodotti? Avvio Sistema BASSO RICCARDO Ripetizione Ciclo MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 42 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Centralina Secondaria Questa centralina avrà il compito di prelevare le informazioni eseguite dall’utente sul tastierino e farle eseguire. Tutti gli ordini, le modifiche e gli errori passano per questa centralina. È stato utilizzato un altro Arduino Mega in quanto il primo per il Centralino principale il programma è molto sostanzioso e non si voleva caricarlo di ulteriore flusso di programma. Dispone di un MAX485 per la comunicazione seriale con i motori e fotocellule. Mentre viene utilizzata la UART per la comunicazione con il tastierino. Schemi Lo schema sopra riportato rappresenta i collegamenti effettuati per questo microcontrollore. Presenta un connettore J7 per collegare i due fili del motore che muove il nastro trasportatore. Abbiamo poi la classica alimentazione dei 5V (presente nello schema sottostante), il connettore J9 serve per comandare la fotocellula del nastro trasportatore, J3 verrà collegato con la UART del microcontrollore della centralina principale. Mentre J8 serve per la comunicazione dei microcontrollori dei motori per i vari assi. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 43 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Nello schema a fianco abbiamo l’adattatore seriale del MAX 485. Presente anche i connettori di alimentazione del circuito con relativo fusibile da 500mA di protezione e il diodo led per la segnalazione della presenza tensione. Master Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Diodo Led rosso 1 2 Resistenza 1/4 Watt, Valore: 1kΩ 2 3 Fusibile 350mA (1) con portafusibile da circuito stampato (1) 2 4 Jumper 3x2 3 5 Connettore a vite 2 poli passo 2,5 mm 4 6 Diodo Led giallo 1 7 Resistenza 1/4 Watt, Valore: 120Ω 3 8 Integrato MAX485 1 9 Zoccolo per integrato, 4+4pin 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 44 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 ALIMENTATORE 12V - 4A Il progetto sarà alimentato da una singola tensione continua 12V e da una corrente costante di 4A. In realtà tutto il sistema non assorbirà 4° ma è stata fatta una prevenzione per poi non trovarci in casi in cui possano servire più Ampere. Avremmo quindi il nostro alimentatore composto principalmente da 4 stadi: - Trasformatore; - Ponte a diodi; - Filtro capacitivo; - Regolatore di tensione fisso. Schema a blocchi TRASFORMATORE PONTE A DIODI FILTRO REGOLATORE Tensione di rete: 230V AC 50Hz Tensione di uscita: 12V DC Corrente di uscita: 4A Il Trasformatore Il trasformatore è un dispositivo elettronico che si basa sul campo magnetico. È formato da due avvolgimenti di spire metalliche e in base al numero di spire tra avvolgimento primario e avvolgimento secondario da origine al rapporto per il dimensionamento del trasformatore. Sul primario solitamente si ha una tensione di 230V AC (se si parla di tensione di rete 50Hz), mentre sul secondario bisogna dimensionarlo o meglio sceglierlo in base alle necessità. Noi prenderemo un trasformatore con le seguenti caratteristiche: - Tensione: 18V - Corrente: 5A - Potenza: 90VA BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 45 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Ponte a Diodi Descriviamo ora il raddrizzatore a doppia semionda che è costituito da un ponte di diodi (Ponte di Graetz) come riporta la figura: Nella semionda positiva (quindi quella che presenta valori positivi di V2M) abbiamo che i diodi D1 e D3 sono polarizzati direttamente ed entrano in conduzione mentre i diodi D2 e D4 non conducono e per questo la tensione sul carico sarà uguale alla tensione sul secondario del trasformatore. Nella semionda negativa il comportamento dei diodi si inverte e per tanto la tensione sul carico sarà uguale ma con segno opposto rispetto a quella del secondario del trasformatore. Nell’immagine soprariportata sono presenti 4 grafici: - in alto a sinistra: andamento nel tempo del segnale dopo il trasformatore quindi la tensione del secondario. - In basso a sinistra: andamento nel tempo delle semionde positive dopo il raddrizzatore a doppia semionda con valore massimo uguale a quello della tensione ai capi del secondario del trasformatore. A1 e A2 sono le aree della semionda positiva e sono state contrassegnate perché sono utili per capire quanto vale la tensione dopo il raddrizzatore: BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 46 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 - In alto a destra: rappresentazione della tensione del secondario (serve per riferimento del grafico successivo) - In basso a destra: possiamo vedere le semionde positive. La cosa che si vuole dimostrare è che i diodi tolgono una certa tensione che poi in uscita del ponte non c’è. Visto che abbiamo utilizzato un ponte a doppia semionda la tensione da togliere sarà 0.7V*2=1,4V questo perché il ponte a singola semionda toglie 0,7V ma a doppia bisogna raddoppiare. Alla fine si avrà che: VL=V2M - 1,4V Il Filtro Ora che sono state tagliate le semionde negative bisogna filtrare il segnale per livellarlo e ottenere una tensione lineare e stabile. Si usa quindi un condensatore di filtro: C=4700uF. Questo valore è stato scelto perché per normalità si scelgono 1000uF per ogni Ampere ci corrente, noi abbiamo 4 Ampere quindi prendiamo il valore commerciale di condensatore elettrolitico di 4700uF. Con la prima immagine sottostante indichiamo con il diodo che funge da ponte raddrizzatore, mentre il condensatore è il nostro filtro e la RL è il carico. Quando il diodo conduce allora il condensatore si carica accumulando cariche che poi rilascerà per alimentare il circuito. Mentre quando i diodi non conducono il condensatore rilascia le cariche e provvede ad alimentare il circuito. Quello di figura sottostante rappresenta l’andamento nel tempo della carica e scarica del condensatore. - VM: Valore massimo positivo di tensione; - - VM: Valore massimo negativo di tensione; - VC: Tensione del condensatore; - VCmin: Valore minimo a cui arriva la tensione del condensatore; - VCmax: Valore massimo a cui arriva la tensione del condensatore. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 47 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Il condensatore inizia a scaricarsi sul carico RL con un andamento esponenziale caratterizzato da una costante di tempo. E’ ovvio che tale scarica sarà tanto più lenta quanto maggiore è la costante di tempo . La scarica prosegue per tutto il tempo in cui la V2 sarà inferiore alla VC , ma non appena la V2 , tornando ad aumentare, supererà il valore di VC il diodo ritornerà a condurre ricaricando nuovamente il condensatore. Possiamo definire allora l’ondulazione residua ossia il RIPPLE: L’ondulazione residua è proprio quell’andamento di carica-scarica del condensatore che livella in maniera non perfetta la tensione uscente dal diodo. Regolatore di Tensione Abbiamo bisogno ora di una tensione stabilizzata e fissa di 12V. Utilizziamo quindi un regolatore di tensione fisso 7812. Il circuito è il seguente: C3 e C4: filtri per disturbi e per livellare meglio la tensione di ingresso e di uscita dallo stabilizzatore di tensione. Vin: tensione in uscita dal ponte del condensatore di filtro. Vout: tensione di uscita dello stabilizzatore. È stato aggiunto un transistor PNP per aumentare la portata in corrente. E’ stato utilizzato un PNP perché lavoriamo per tensioni positive e non negative. La resistenza R5 serve di polarizzazione del transistor perché su di essa passerà una minima corrente così come nel 7812 perché quasi tutta la corrente passerà per il transistor per far lavorare a carichi grossi il transistor e non sollecitare a sforzi l’integrato 7812. La resistenza è stata dimensionata conoscendo l’hFE del transistor, la corrente di base del transistor e la tensione VEB sempre del transistor. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 48 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Spiegazione dello schema totale dell’alimentatore Questo sopra è lo schema completo fino all’uscita stabilizzata in tensione di 12V. Il diodo led D3 si accenderà quando sarà presente la tensione e ogni blocco è stato prima spigato nel dettaglio quindi ora non c’è niente da aggiungere tranne un circuito aggiuntivo che è il seguente: E’ stato utilizzato un relè a doppio scambio per poter comandare le due uscite presenti. Quando è presente la tensione l’uscita del connettore J2 è attiva e questa sarà sempre attiva perché sarà l’uscita che andrà a comandare le schede di controllo. Mentre l’uscita del connettore J3 è sempre attiva ma è possibile interromperla premendo il pulsante di emergenza (quello normalmente chiuso), in questo modo il relè si dissecita e non porterà più tensione all’uscita. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 49 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Master Lista Componenti N° DESCRIZIONE MATERIALE QTA’ 1 Diodo Led rosso 5 2 Resistenza 1/4 Watt, Valore: 820Ω 5 3 Fusibile 5A 3 4 Portafusibile da circuito stampato 3 5 Connettore a vite 2 poli passo 3,5 mm 5 6 Connettore a vite 3 poli passo 3,5 mm 1 7 Resistenza 5W, valore: 100Ω 1 8 Transistor di potenza TIP29, configurazione PNP 1 9 Relè doppio scambio 1 10 Condensatore elettrolitico , voltaggio 50V, valore 4700uF 1 11 Condensatore elettrolitico, voltaggio 50V, valore 1000uF 2 12 Condensatore poliestere, valore: 100nF 1 13 Condensatore elettrolitico, valore: 330nF 1 14 Ponte a diodi 1 15 Integrato tipo TO220, regolatore di tensione 78L12 1 BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 50 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 COLLEGAMENTO CON LE MATERIE INGLESE This project is based on automation, which is a process that reduces the work of the human person, and it is controlled by man through electronic system such as computers. Now a days electronic is very important to help people every day also with small things, for example automated system are based on electronic. In my project, i use both wired and programmable electronics. I control the computer and send this data to the electronics wired that will run the automation; Microcontroller are used to control system function. If there are errors on automation we require the presence of the human person to fix it. But the presence of human person is indispensable, because if there are mistakes they can correct them. This is a possible block diagram for an automated control system: HUMAN PERSON COMPUTER MICROCONTROLLER AUTOMATED SYSTEM The feedback is sending data and often errors from a device to another. In our case the feedback is sent from the microcontroller to the computer. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di !59 51 I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 ELETTRONICA Nel progetto è stato utilizzato l’integrato NE555, che serve per generare delle forme d’onda. Ci è servito per pilotare un buzzer e un led che entravano in funzione solo quando il magazzino era in fase lavoro. Durante l’anno scolastico è stato affrontato l’argomento dei generatori di forme d’onda tramite vari dispositivo, tra questi anche l’NE555. Con questo tipo di integrato si possono generare onde del tipo: - Onda quadra con DC%=50%; - Onda quadra con DC%<50%; - Onda quadra con regolazione del DC%; Esistono però due configurazioni: ASTABILE e MONOSTABILE. - ASTABILE: il 555 funziona da oscillatore e non ha bisogno di clock esterni. - MONOSTABILE: il 555 si attiva solo se all’ingresso (pin2) riceve un impulso di clock e riconosce i fronti di discesa. Onda quadra con DC%=50% -> ASTABILE Genera un onda quadra di ampiezza A con DC=50% ciò significa che il tempo di salita TH corrisponderà al tempo di discesa TL. Il circuito è il seguente: Le formule: In questo caso le resistenze saranno di ugual valor perché il TH è uguale al TL. Quindi la formula per calcolare i tempi sarà: TH= TL= ln2*R2*C Mentre la formula per il periodo completo è: T= ln2*(R1+2*R2)*C Onda quadra con DC%<50% -> ASTABILE Genera un onda quadra con ampiezza A con DC<50% ciò significa che il tempo di salita TH non corrisponderà al tempo di discesa TL. Il circuito è il seguente: Andamento temporale: (nero: carica-scarica C rosso: segnale uscita). BASSO RICCARDO TH= ln2*(R1+R2)*C TL= ln2*R1*C MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 52 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Onda quadra con regolazione del DC%-> ASTABILE Il condensatore C si carica attraverso la resistenza R1 e il diodo D1, quindi il tempo di carica vale: TC= ln3*(R1+R’)*C Mentre la scarica avviene tramite R2 e D2, quindi il tempo di scarica vale: TS= ln2*(R1+R’’)*C Per il calcolo della frequenza avvaliamo di questa formula: f=1/(TC+TS) MONOSTABILE Grafico di Vc Grafico dell’OUT La presenza di C1 è utile per non incorrere a problemi nella durata dell’impulso. Visto che il pin 5 è un ingresso non utilizzato in questo caso, quindi si mette il condensatore da 100nF solitamente per proteggere il circuito da disturbi. Formule di progetto: T= ln3*R1*C R1=T/(ln3*C) La carica di C avviene attraverso la resistenza R1 e non arriva mai a Vcc ma si ferma al valore di Vc=(2/3)*Vcc. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 53 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 T.P.S.E Durante l’anno abbiamo affrontato l’argomento delle comunicazione seriali che sono state utilizzate in questo progetto per far comunicare le centraline. Prima di parlare di comunicazione seriale bisogna fare dei cenni ai dei concetti importanti per la trasmissione dati: - Seriale: se i dati sono trasmessi attraverso il link un bit alla volta; - Parallela: se i bit dei dati sono inviati tutti insieme ma servono tanti cavi (uno per bit); - Full duplex: se il sistema di comunicazione è in grado si ricevere e trasmettere contemporaneamente; - Half duplex: se il sistema di comunicazione non è in grado di trasmettere e ricevere allo stesso tempo; - Nella trasmissione dei dati si definisce la velocità di trasmissione come BAUD-RATE [bit/s]; Esistono, allora, due tipi di comunicazione seriale: ASINCRONA e SINCRONA. Nella comunicazione asincrona non è presente alcuno segnale di clock nella trasmissione del dato ma il clock viene generato dal ricevitore. Non appena si invia una serie bit, quindi dei dati, all’inizio e alla fine vengono aggiunti un bit chiamati “start” e “stop” che danno le informazioni al ricevitore. Un grosso vantaggio è che il clock tra trasmettitore e ricevitore è separato e quindi si possono inviare e riceve dati in momenti differenti. L: è la sigla per l’inizio del carattere H: è la sigla per la situazione di riposo, quindi senza segnale. Esistono dei circuiti che gestiscono la comunicazione seriale asincrona, si chiamano UART. E possibile anche che si verifichino degli errori e quindi bisogna rilevarli: un metodo è quello dei bit di parità: esso vale uno se il numero del bit con valore uno compreso il bit di parità è pari, vale 0 se è dispari. Se però ci sono più di un errore nella trasmissione allora questo metodo non va più bene. Un esempio di correzione di errore è questo: BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 54 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Criterio di selezione per i sistemi di comunicazione tra i dispositivi: - Ambiente di lavoro: possono essere ambienti troppo caldi, troppo freddi quindi un problema di temperatura, oppure luoghi ad alto rischio quindi serve un sistema più resistenze agli urti, oppure posti che sono facilmente infiammabili oppure per i disturbi elettromagnetici. - Tipo e lunghezza della linea: la lunghezza del tratto varia nella scelta del tipo di conduttore e dispositivo di connessione. - Dimensioni varie, modalità di cablaggio (se è in un luogo accessibile facilmente oppure no). - Numero di dispositivi collegabili. Per la comunicazione si usano dei mezzi di trasmissione che possono essere cavi o fibre ottiche. I cavi possono essere coassiali, a coppie twistate ecc. vengono suddivisi per il numero di conduttori, la sezione dei conduttori e altre caratteristiche. Solitamente vengono usati cavi con certificazione in grado di garantire ottime prestazioni anche con il tempo, se si usano cavi non certificati o di bassa qualità si ha il rischio che i dati possono viaggiare in modo errato. Mentre le fibre ottiche vengono usati per collegare i ripetitori. Sono immuni ai disturbi elettromagnetici e vengono utilizzate per lunghe tratte grazie alle loro caratteristiche, ma sono molto più costose dei cavi elettrici. La linea di trasmissione viene definita come una coppia di conduttori che trasportano il segnale. I conduttori come prima spiegato possono essere di vario tipo, scelti in base alle caratteristiche necessarie per garantire il corretto utilizzo. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 55 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Vari metodi di comunicazione seriale: Esistono ormai da anni vari metodi di comunicazione seriale che con gli anni si sono evoluti, alcuni andati persi e altri migliorati, come per esempio: - RS 232; - RS 485; RS 232 RS 485 Diffuso per i PC che ne possiedono sempre una Standard seriale più diffuso e utilizzato Limitato dalla connessione punto-punto Consente la connessione di più dispositivi Lavora su distanze limitate (15m) Lavora su lunghe distanze (>4km) Poco utilizzata nelle industrie Molto utilizzata nelle industrie Estremamente sensibile ai disturbi Possibilità di collegare 32 dispositivi Esistono la A, B e C che si differiscono per il diverso voltaggio di lavoro I segnali vengono trasmessi in tensioni quindi è utile che esista un equipotenziale tra tutte le linee collegate Presenta una linea sbilanciata con riferimento a massa Presenta una linea bilanciata non riferita a massa BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 56 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 MATEMATICA In molte formule ho riscontato una funzione matematica: il Logaritmo. Si dice logaritmo del numero “b” in base “a” quel numero “c” che dato come esponente ad a da' come risultato “b”: c= logab ⟺ ac = b E’ importante ricordare il logaritmo naturale ossia quel logaritmo che ha per base il numero naturale di Nepero: lne dove e vale 2,718… Se ora noi prendiamo la funzione logaritmica e la rappresentiamo vediamo che: Per disegnarla ci è servito fare lo studio di una funzione (argomento trattato anche durante l’anno scolastico): Dominio -> D: x>0 bisogna porre l’argomento del logaritmo maggiore di 0. Intersezione assi: x=1 -> y=0 ; y=0 -> x=1 Sempre dalla stessa funzione possiamo dimostrare la teoria del calcolo integrale: La funzione di fianco è una funzione continua e integrabile nell’intervallo [a;b]. Si definisce allora il METODO DELLA MEDIA INTEGRALE: Se f(x) è una funzione continua in un intervallo [a;b], esiste almeno un punto x dell’intervallo tale che: Geometricamente, se la funzione è positiva in [a;b], il teorema della media integrale esprime l’equivalenza fra un trapezoide, la cui area è: La relazione finale sarà quindi: BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 57 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 L’Integrale Indefinito La nozione fondamentale del calcolo integrale è quella di funzione primitiva di una funzione f (x). Tale nozione è in qualche modo speculare alla nozione di funzione derivata di f (x) : con funzione primitiva di una data funzione f (x) si intende una funzione F (x) che, se derivata, coincide con la funzione f (x) stessa. Sussiste la seguente definizione di primitiva: Sia f (x) definita nell’intervallo aperto (a,b). Se esiste una funzione F(x) continua in [a,b] e derivabile in (a,b) e tale che F‘(x)=f(x)∀x∈(a,b), la funzione F(x) sarà detta funzione primitiva di f (x). Definizione di Integrale Indefinito: Sia f (x) definita in (a,b) e si supponga che essa ammetta primitive. La totalità delle primitive di f (x) sarà indicata con il simbolo: che si legge “integrale indefinito di f (x) in dx”. La funzione f (x) sarà detta integrando. In base alle due proprietà delle primitive appena descritte si avrà, pertanto: dove F(x) è una qualsiasi primitiva di f (x). L’Integrale Definito Si chiama trapezoide una figura piana delimitata del grafico di una funzione f(x) continua in un intervallo chiuso , dall’asse delle ascisse e dalle rette parallele all’asse delle ordinate di equazioni x = a e x = b. Per calcolare l’area di un trapezoide occorre dividere l’intervallo in un certo numero n di parti uguali di ampiezza x= (b-a)/n e considerare il plurirettangolo inscritto ( costituito dagli insiemi dei rettangoli aventi per base Δx e per altezza rispettivamente m1, m2, …, mn, dove mi è il minimo valore assunto dalla funzione f(x) nell’ i – esimo intervallino) e il plurirettangolo circoscritto (costituito dai rettangoli aventi per base Δx e per altezza M1, M2, …, Mn, dove rappresenta il massimo valore assunto dalla funzione f(x) nell’ i-esimo intervallino). Indicate con sn e Sn rispettivamente le aree del plurirettangolo inscritto e di quello circoscritto, le successioni: s1, s2, …, sn e S1, S2, …, Sn Pertanto segue la definizione di INTEGRALE DEFINITO: Data una funzione f(x) continua in , si chiama integrale definito esteso all’intervallo [a, b] il valore comune del limite per n→+∞ delle due successioni sn, per difetto, e Sn, per eccesso: Il numero a si dice estremo inferiore , il numero b estremo superiore . La funzione f(x) è detta funzione integranda. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 58 ! I.I.S. EINAUDI - SCARPA MATURITA’ 2015 Possiamo quindi studiare il calcolo approssimato del calcolo delle aree con vari metodi studiati durante l’anno: Metodo dei rettangoli L’integrazione di f(x) è un modo per calcolare l’integrale definito, utilizziamo quindi il metodo dei rettangoli: Consideriamo una funzione f(x) continua in [a, b]; f(x)0 in [a, b]. Dividiamo [a, b] in n parti uguali dove xo=a, x1=a+h, …, xn=a+nh=b. Mentre y0=f(a), y1=f(x1), …, yn=f(xn)=f(b). Nell’immagine si vede che la funzione viene divisa in rettangoli con la stessa base, mentre l’altezza varia al variare della f(x). La parte colorata in rosso saranno le nostre y. La parte verde invece è il completamento del rettangolo formato dalla parte verde colorata e dalla parte verde a puntini. Ora calcoliamo l’errore commesso nel calcolo dell’area: En = Sn - Sn’ Metodo dei trapezi Il metodo dei rettangoli approssima il valore dell’integrale su un intervallo di ampiezza h con l’area di un trapezio di base h ed altezze date dal valore di f(x) agli estremi dell’intervallo. Il metodo dei trapezi è esatto se la funzione è o una costante o lineare in x, ne segue che l’errore è zero. Calcoliamo l’errore con la seguente formula: Dove M è il modulo della derivata seconda di f(x) in [a, b]. Metodo di Cavalieri-Simpson Consiste nell’approssimare il grafico di una funzione con archi di parabole. Ciascun arco è individuato da tre punti del grafico. Il valore approssimato dell’integrale si calcola la somma delle aree dei trapezoidi delimitati da tali archi. L’errore del calcolo lo si trova così: Dove M è il modulo della derivata quarta di f(x) in [a, b]. BASSO RICCARDO MAGAZZINO AUTOMATICO ! di 59 59 !