AREA PROGETTO: GARDEN OF THINGS
A.S. 201472015 5B TPS
STUDENTI: Bentivegni, Crudeli, Spighi, Zucchini
GESTIONE SCHEDA TRAMITE PLC
Dobbiamo gestire tramite PLC un circuito stampato costituito da 3 circuiti di
condizionamento di 3 diversi sensori (umidità/luce/temperatura).
Abbiamo a disposizione un Siemens 1200 base, per cui possediamo solo 2
ingressi analogici, dovendo acquisire 3 segnali, abbiamo utilizzato l'ingresso
analogico IW64 dedicato al segnale di luce (soggetto a rapide variazioni) e gli
altri 2 segnali verranno acquisiti dallo stesso ingresso IW66 tramite una
temporizzazione svolta a livello software dal PLC all'integrato
CD4066(interruttore analogico), cosi facendo nell'ingresso IW66 si avranno
alternativamente il segnale di umidità e di temperatura.
Tramite il primo timer (TON1) si ha un ritardo di 5s( temporizzazione di
simulazione), in cui è attiva solamente l'uscita Q0.1 poiché negata (perciò
all'ingresso analogico IW66 si avrà il segnale di temperatura, come
evidenziato dal tag dell'uscita).
Dopo il ritardo, si attiva l'uscita Q0.0 riferita al segnale di umidità, si disattiva
Q0.1 e parte un nuovo ritardo di 5s, stabilito dal secondo timer(TON2) che
tramite la memoria M0.0 disattiverà il primo timer, facendo riprendere il ciclo
della temporizzazione di comando dell'interruttore analogico. La
temporizzazione reale, ovviamente sarà maggiore, infatti ipotizziamo
un'alternanza dei segnali ogni minuto, affinché ci sia un aggiornamento dello
stato del segnale un numero ridotto di volte per alleggerire, così, la raccolta e
la gestione dei dati, compito riservato ad una altro gruppo di lavoro. Inoltre le
variazioni delle grandezze fisiche avvengono lentamente e l'eccessivo
aggiornamento continuo dello stato risulterebbe inutile.
I segnali analogici devono essere sottoposti ad una procedura standard:
devono essere normalizzati (blocco NORM_X) e portati in scala (blocco
SCALE_X).
Nel blocco NORM_X dobbiamo impostare il numero di quanti, per fare ciò ci
serviamo della formula della risoluzione 0.36 mV/quanto, ricavato sapendo
che Risoluzione = Tensione/Quanti e che la V MAX = 10V e il valore massimo
di quanti = 27648 per la versione di PLC adottata. Dal collaudo dei circuiti di
condizionamento acquisiamo le variazioni di tensione e con le formule sopra
riportate stabiliamo il numero di quanti per il valore min e il valore MAX,
ottenendo dal programma la massima sensibilità alle variazioni.
Infine con il blocco SCALE_X riportiamo i valori in scala con i valori limite
stabiliti nella progettazione del sistema.
Il segnale di luminosità, come già detto, ha un ingresso analogico dedicato in
quanto le sue variazioni sono più veloci rispetto alle altre 2. Dal collaudo del
circuito del sensore di luminosità (fotoresistenza) abbiamo ricavato i seguenti
dati:
Luxmin= 20Lux
0,18 V Luxmax=5500Lux
10V
Abbiamo stabilito i valori limite nell'ambiente in cui agisce il nostro sensore e
abbiamo riscontrato i corrispondenti valori di tensione dal collaudo.
Con la formula precedente abbiamo ricavato il valore dei quanti per
ottimizzare la sensibilità. Abbiamo inserito, inoltre, un blocco che esegue il
logaritmo naturale perché i valori del segnale si presentino linearizzati in
scala logaritmica.
In questo caso avremo nella memoria MD104 dei valori compresi tra 3 e 8.6
La gestione del segnale di umidità avviene con la temporizzazione visionata
nel primo ramo di programma.
Quando il contatto Q0.0 è attivo l'interruttore analogico porta all'ingresso
IW66 il segnale in uscita dal circuito di condizionamento del sensore di
umidità (Honeywell 4000) e viene elaborato dai blocchi NORM_X e SCALE_X
. Con il collaudo del circuito abbiamo ricavato i seguenti dati:
Rh min = 20% → 2.74V Rh MAX = 100% → 7.54V
Con la formula precedente abbiamo ricavato il valore dei quanti per
ottimizzare la sensibilità.
Quando, invece, il contatto Q0.1 é attivo l'interruttore analogico porta
all'ingresso IW66 il segnale in uscita dal circuito di condizionamento del
sensore di temperatura (AD590) e viene gestito nello stesso modo mostrato
precedentemente.
Con il collaudo del circuito abbiamo ricavato i seguenti dati:
Tmin = 0°C → 0V TMAX = 50°C → 10V
Essendo i valori delle tensioni 0V e 10V abbiamo usato i valori limite dei
quanti che sono, come già detto, 0 e 27648.
il valore dei segnali viene registrato in delle memorie ( es. MD120), memorie
di tipo Word, cioè formate da 4 byte, ovvero da 32 bit, ed è per questo che il
numero della memoria è sempre un multiplo di 4.
Oltre all'acquisizione, potremmo, grazie ai blocchi di comparazione,
impostare delle soglie di umidità, di luminosità e di temperatura che se
superate abiliteranno delle uscite, le quali attiveranno degli attuatori per
regolare i diversi parametri del nostro ambiente (es. se vogliamo che nel
nostro ambiente si accenda la caldaia quando la temperatura è inferiore ai
10°C o attivare gli irrigatori quando il livello di umidità è inferiore al 50%)
SENSORE DI LUMINOSITA'
CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO:
COMPONENTI:
Fotoresistenza (FTR) - È un particolare tipo di resistenza variabile, il cui
valore varia in base all'intensità luminosa. In particolare un aumento della
luminosità produce una diminuzione del valore della FTR.
Resistenza ( R ) - È la resistenza del partitore la cui caduta di tensione
rappresenta la tensione in ingresso all' LM741.
LM741 - È un OP-AMP (amplificatore operazionale) che funziona da
inseguitore di tensione ovvero la tensione in ingresso al suo piedino non
invertente (+) non è amplificata, e perciò la tensione d'uscita risulta uguale
a quella in ingresso. Questa applicazione dell'LM741 permette di avere in
uscita un'amplificazione di corrente (e perciò anche di potenza), ma
soprattutto permette di disaccoppiare il carico rispetto al resto del circuito.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO:
Il circuito è realizzato con il semplice principio del partitore di tensione, in
modo che una variazione della luminosità produca a sua volta una variazione
della tensione in ingresso all'inseguitore e una conseguente variazione della
tensione in uscita. Per esempio se la luminosità aumenta, il valore della FTR
diminuisce, ed essendo un partitore di tensione, questa diminuzione si
ripercuote con un aumento della caduta di tensione sulla resistenza R. In
questo modo aumentando la tensione all'ingresso non invertente dell' LM741,
che funziona da inseguitore di tensione e quindi disaccoppia il carico (PLC)
dal circuito , l'uscita assume un valore uguale al segnale di ingresso. Infatti:
Esempio:
STUDIO DEL CIRCUITO:
Per comprendere il funzionamento del circuito, abbiamo rilevato i valori di
tensione in uscita al circuito in relazione alle variazioni di luminosità,
attraverso il Luxometro(*), e abbiamo realizzato un grafico che evidenzia
l'andamento logaritmico naturale (perchè nella programmazione del PLC è
possibile inserire solamente il blocco del logaritmo naturale) delle variazioni di
luce rispetto alle variazioni della tensione di uscita. Tuttavia abbiamo
linearizzato il grafico in modo da comprendere meglio il funzionamento del
circuito.
(*)Per effettuare la misura, rilevando i valori di tensione in uscita al nostro
circuito in relazione a quelli di luminosità, abbiamo utilizzato il luxometro. Il
luxmetro è lo strumento di misura della luminosità. È composto da una parte
fissa e una mobile che contiene il sensore vero e proprio costituito
generalmente da un trasduttore (cella fotovoltaica o altre celle fotoelettriche).
Quest' ultimo sotto l'effetto dell'energia luminosa reagisce provocando una
corrente elettrica (effetto fotoelettrico) che viene rilevata da un galvanometro,
un dispositivo che traduce la corrente elettrica in un momento magnetico, la
cui scala è tarata in lux.
Il luxmetro viene utilizzato per la verifica dei livelli di illuminamento degli
ambienti e sui luoghi di lavoro.
SENSORE DI TEMPERATURA
Lo schema elettrico rappresentato è stato usato da noi per l’acquisizione
della temperatura all’interno di una serra.
Il circuito rappresentato è un trasduttore di temperatura, esso viene utilizzato
per convertire una temperatura in ingresso con una tensione in uscita, per
fare ciò viene utilizzato un sensore: L' AD590.
Esso è realizzato in materiale semiconduttore e produce una tensione
proporzionale alla temperatura (espressa in kelvin).
Questo dispositivo a due terminali, viene usato per tensioni di alimentazione
compresi tra 4 e 30V e genera una corrente di 1 uA/K.
L’AD590 viene largamente impiegato anche per misure che superano i 150°C.
Oltre le semplici misure di temperatura l’AD590 viene anche impiegato per la
compensazione di temperatura, correzione di componenti discreti,
polarizzazione proporzionale alla
temperatura assoluta, rilevamento
di
liquidi e nell’anemometria.
Con questo trasduttore normalmente avremmo questa relazione tra tensione
e temperatura:
0°C(273K) = 2,73 V ;
2,93 V ;
20°C(293K) =
Queste tensioni si ottengono dal AD590 attraverso la seguente relazione:
I=1*T[uA]. T è espresso in Kelvin quindi: I= 1*273uA=273uA.
La tensione che entra nel morsetto + del differenziale è 2,73 V e si ricava dal
prodotto tra la corrente trovata e le resistenze poste sotto l'AD590 che sono
rispettivamente uguali a (8,2k e 2 Kohm), approssimabili in totale a 10kohm.
Quindi V+=10kohm*273uA
Bisogna quindi eliminare l’offset offset, per questo motivo nel nostro circuito
abbiamo un amplificatore differenziale ad alimentazione singola che ha
appunto la funzione di avere a 0° C 0 V.
CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO:
Con Av (R2/R1)=20 e Vo=0 Vo=Vi(1+R2/R1)-V2*R2/R1
Vi(R1+R2/R1)=Vr(R2/R1)
Vr=Vi(1+R1/R2)=2,73(1+1/20)= 2,886 V
Abbiamo ricavato attraverso le caratteristiche del differenziale,dalla Vo,la Vr
che è la tensione che va dal morsetto – e annulla l’offset (2.89 V).
SENSORE DI UMIDITA’
La serie HIH-4000 Honeywell fornisce strumentazione di qualità delle
prestazioni di rilevamento dell'umidità relativa ad un prezzo competitivo. Il
sensore in questione è costituito da polimeri termoindurenti tagliati a laser,
elementi sensibili capacitivi con condizionamento del segnale integrato. La
costruzione multistrato dell'elemento sensibile offre un'ottima resistenza alla
maggior parte dei rischi di applicazione come il bagnato, la polvere, lo sporco,
oli e prodotti chimici ambientali più comuni.
CARATTERISTCHE
Tempo di risposta rapido
Chimicamente resistente
Range RH:
Precisione RH:
Package:
Tipo di uscita:
Tensione MAX alimentazione:
Tensione MIN alimentazione:
Corrente alimentazione:
Temperatura MAX lavoro:
Temperatura MIN lavoro:
0% - 100%
3.5%
SIP 3
Analogica
5.8 [V]
4 [V]
200 μA
+85 [°C]
-40 [°C]
POTENZIALI APPLICAZIONI
Impianti di refrigerazione
Equipaggiamento HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning)
Attrezzature mediche
Essiccazione
Metrologia
CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO:
Questo è lo schema elettrico del circuito di condizionamento del sensore di
umidità usato , esso fornisce un segnale in uscita proporzionale all’umidità
relativa. Con un carico da 100KΩ si ottiene una tensione di 1,37V per RH
20% e 3,77V per RH 100%. L’amplificatore in configurazione non invertente
isola il sensore e amplifica di 2 volte il segnale, per cui in uscita troviamo una
tensione che varia da 2,74V a 7,54V. Non si è proceduto ad eliminare la
tensione di offset in quanto tale operazione si esegue via software con il
PLC. Il segnale di uscita viene multiplexato insieme al segnale di temperatura
prima di applicarlo all’ingresso analogico del PLC che accetta all’ingresso
segnali con Vmax=10V.
Nota il sensore viene alimentato a 5V come da specifiche, mentre
l’operazionale è alimentato con tensione singola 12V-GND ottenuti on-board
da un LM7812.
Questo sensore capacitivo è costituito da un polimero sensibile all'umidità su
un supporto vetroso, che giace tra due strati metallici. L'assorbimento di
acqua da parte del polimero fa variare la sua costante dielettrica e quindi la
capacità del condensatore, essa risulta quindi proporzionale alla umidità,
senza alcuna dipendenza dalla pressione atmosferica (costituendo in tal
modo un condensatore con il polimero come dielettrico).In generale per i
La capacità
sensori di capacità vale la seguente formula:
C= ε S/d
cambia a seconda del dielettrico, cambia anche a seconda della superficie
delle armature del sensore(S) e della distanza tra le armature(d).
Vantaggi dei sensori capacitivi sono anche: nessuna manutenzione e
possibilità di misure sotto 0°C.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO SENSORE
Il sensore di umidità è costituito da un trasduttore a polimeri igroscopici.
Queste sostanze modificano la costante dielettrica in funzione delle variazioni
della pressione parziale
di vapore d’acqua contenuto nell’ambiente e, quindi, delle variazioni di
umidità relativa.
L’elemento trasduttore fa parte di un circuito elettronico che in uscita fornisce
un segnale
proporzionale all’umidità relativa.
Il corpo del trasduttore è inserito all’interno di un contenitore cilindrico in cui la
circolazione dell’aria è garantita da opportune aperture; tale struttura è in
grado di proteggere efficacemente il trasduttore dalla polvere, gocce d’acqua
e altri agenti esterni.
GRAFICI FUNZIONAMENTO:
In questo grafico sono rappresentate le zone in cui lavora il sensore, notiamo
come il sensore possa sempre raggiungere il suo massimo valore solo ad
una temperatura compresa tra 0 e 50°C.
La parte “rigata” indica le zone che il sensore non può raggiungere a causa
della bassa o elevata temperatura, vediamo come ci siano problemi quando
si ha una temperatura <0 e >50°C.
Questo grafico rappresenta le temperature a cui possono essere stoccati i
sensori di umidità, vediamo come si iniziano ad aver problemi per il
stoccaggio a partire da una temperatura a partire dai 50°C.
Questo grafico rappresenta la tensione di uscita in relazione dell’umidità
relativa, possiamo infatti vedere come la tensione di uscita si avvicini molto
alla linearità che sarebbe la situazione ideale per il sensore.
Questo schema rappresenta invece il funzionamento della tensione d’uscita
avendo una tensione di 5V con una temperatura di 0 e 70°C, si può notare
come la tensione sia più lineare a 0°C.
DIMENSIONI:
TIPICA APPLICAZIONE:
CD4066B(AMUX)
Il CD4066B è un multiplexer per segnali analogici/digitali, cioè un dispositivo
capace di selezionare un singolo segnale elettrico fra diversi segnali in
ingresso in base al valore degli ingressi di selezione.
Nel nostro circuito ha quindi il compito di selezionare uno alla volta i segnali
provenienti dai trasduttori di temperatura e umidità in modo da farli arrivare
ad uno dei 2 ingressi analogici del PLC( Siemens Simatic S7-1200); questi
ultimi sono il motivo principale per cui viene utilizzato un AMUX,
considerando i 3 segnali da controllare e, appunto, i soli 2 ingressi analogici a
disposizione.
L'uscita del multiplexer sarà collegata con AI1.
Gli ingressi di selezione S0 e S1 sono comandati dal PLC, che determinerà i
tempi di commutazione da un segnale all'altro; si tratta di tempi abbastanza
lunghi, ossia di qualche minuto, non ci sono esigenze di velocità di
commutazione visto che è difficile che segnali di temperatura e umidità
subiscano brusche variazioni in breve tempo.
Contrario è invece il comportamento del segnale di luminosità, che infatti
sceglie un percorso diverso.
Infatti, il segnale proveniente dal trasduttore di luminosità raggiungerà
direttamente il PLC, attraverso l'ingresso analogico AI0, senza passare dall'
AMUX.
Sopra è rappresenta la piedinatura dell'integrato.
Si notano i 4 interruttori bilaterali (pin 1-2/3-4/8-9/10-11) ed i 4 segnali di
selezione (pin 5-6-12-13), mentre i pin 14 e 7 verranno rispettivamente
collegati a +Vcc (+12V) e a massa.
Nel circuito utilizzeremo ovviamente solo due interruttori bilaterali, ossia i pin
1-2/3-4 sui quali corrisponderanno rispettivamente i segnali di temperatura e
umidità.
Di conseguenza verranno utilizzati solo due dei segnali di selezione che, da
come evidenziato dalla figura, risulteranno i pin 5/13 (sono comandati a +12
V) .
Il principio di funzionamento si può quindi riassumere nella seguente
maniera: quando il pin 13 sarà a 1 ed il 5 a 0, verrà selezionato il segnale di
temperatura; quando, alternativamente, il pin 5 sarà a 1 ed il 13 a 0, verrà
selezionato il segnale di umidità.
Entrambi le uscite sono collegate ad una resistenza da 10KΩ, perché ci sarà
sempre e solo una uscita attiva, la cui caduta Vo corrisponderà alla tensione
sull’ingresso AI1 del PLC.
Ricordo che la VoMAX potrà essere non più di 10 V, considerando che il valore
massimo che si può dare in ingresso al PLC è, appunto, 10 V.
AMPLIFICATORI RAIL TO RAIL
L'amplificatore Rail to rail è un particolare tipo di amplificatore operazionale
che abbiamo utilizzato in tutti e 3 i circuiti di condizionamento per la sua
caratteristica di riuscire a fornire in uscita (circa) le tensioni delle sue 2
alimentazioni, ovvero con attenuazioni trascurabili. La piedinatura di questo
amplificatore è la stessa del 741 a differenza del pin 8 che implementa lo
shutdown mode.
REALIZZAZIONE DEI MASTER
Abbiamo deciso di separare l'intero circuito in 2 stampati e di posizionarne
uno sopra l'altro tramite 4 distanziatori. Il circuito sottostante è quella che
gestisce il segnale di luminosità e l'AMUX, mentre il circuito nella parte sopra
gestisce i segnali di temperatura e di umidità.
1) Circuito Fotoresistenza + AMUX
Lo schema elettrico di questa parte del circuito è:
Questo è il master del circuito “fotoresistenza + AMUX”:
Che ha la seguente visione tridimensionale:
I componenti utilizzati sono quelli elencati nella seguente net list:
2) Circuito AD590 + Honeywell 4000
Lo schema circuitale dell'altra parte del circuito è:
Il master di questo circuito è:
Questa è la sua visione tridimensionale:
Ed infine questa è la sua lista componenti:
ASPETTO FINALE
Ecco come si presenta il prodotto al termine della sua realizzazione:
