Impianto civile di una casa
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- Antonino Fontana
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1 Modolo Nicola Vettorel Denis BET ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE I.T.I.S. TESINA ESAME DI STATO A.S. 0/0
2 Indice Introduzione Pag. Schema a blocchi Pag. Schema elettrico circuito intero Pag. Sensore temperatura Pag. Componenti elettrici Pag. Trasduttore di temperatura AD90 Pag. Stabilizzatore di tensione LM6 Pag. 6 Amplificatori operazionali TL0TL0 Pag. 7 Schema elettrico sensore temperatura Pag. 7 PIC F0 Pag. Display LCD Pag. 9 ICD Pag. 9 Software sensore di temperatura Pag. 0 Antifurto Pag. Componenti elettrici Pag. Schema elettrico antifurto Pag. Descrizione sensori Reed Pag. Software antifurto Pag. Luci crepuscolari Pag. 6 Descrizione fotoresistenza Pag. 6 Componenti elettrici Pag. 7 Schema elettrico led crepuscolari Pag. 7 Eventuali miglioramenti Pag. Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
3 Introduzione In questo progetto si è voluto realizzare un impianto civile di una casa gestito grazie al microprocessore PICf0. Le funzionalità della nostra abitazione sono molteplici: è presente un sistema di antifurto collegato alle finestre e alla porta per prevenire eventuali intrusioni, un termometro che tiene sotto controllo la temperatura e che superato un certo valore (6 C) innesca una ventola per raffreddare l ambiente e delle luci crepuscolari (all esterno della casa) che si accendono in assenza di luce. Schema a blocchi Attivazione Antifurto Display Reed Reed Led Stato Sensori Reed PIC F0 Reed Buzzer Reed Sensore Di Temperatura Ventola Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
4 Impianto civile di una casa Schema elettrico circuito intero Sensore Reed R7 [Kohm] R [Kohm] R9 [Kohm] R0 [Kohm] Sensore Reed Sensore Reed Sensore Reed Sensore Reed V D7 D R R R 0 [ohm] 0 [ohm] 0 [ohm] SW DIP D9 D9 V SW R 0[Kohm] TL0 U0A V Q R0 [Kohm] BC7 Relé Ventola N D V R [Kohm] D6 R [Kohm] R6 0[ohm] SW V R R R 0[ohm] 0[ohm] 0[ohm] V C [mf] R 70[ohm] SW 0[Kohm] R MCLR RE RE RE0 RA RA RA RA RA RA0 RB7 RB6 RB RB RB RB RB RB0 RC7 RC6 RC RC RC RC RC RC0 RD7 RD6 RD RD RD RD RD RD0 OSC OSC VDD VSS VDD VSS PICF0 C [mf] D R7 0[ohm] D R 0[ohm] D R9 0[ohm] D R0 R 0[ohm] 0[ohm] D V TL0 UA V 0K U LM6.0V/SO R VAR R.6K AD90 CAN V V U [Kohm] Q BC7 R N D.[Kohm] R MMBTA R6 QA V R.K TL0 UB R VAR K TRIMMER TL0 UA Relé Buzzer Sirena LS R VAR K TRIMMER TL0 UA TL0 UB 0K R6 R7 0K R 0K R 0K E R/W RS VEE GND GND LCD DB0 DB DB DB DB DB DB6 DB7 Display tech 6B K R TL0 UC 0K R D0 DIODE Z.7V Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
5 Specifiche progetto )Sensore di temperatura è stato realizzato un circuito in grado di trasformare una temperatura variabile da 0 C a 0 C in una tensione proporzionale variabile da 0V a V,che veniva poi convertita dal pic in valore decimale e visualizzata sul display LCD. Per semplicità non abbiamo tenuto conto delle temperature negative.la realizzazione di questo progetto è avvenuto mediante l utilizzo del sensore di temperatura AD90. La nostra abitazione è stata inoltre dotata di un sistema di condizionamento ottenuto mediante l utilizzo di una ventola. Infatti, quando la temperatura supera un certo valore (nel nostro caso abbiamo lo abbiamo impostato a C), la ventola pilotata da un relè (in quanto la corrente assorbita è di 0mA e l uscita del pic arriva solo a poche decine di ma) si accende. Per accendere la ventola abbiamo impostato due soglie (una minima di C e una massima di 6 C) per evitare che la ventola si accenda e si spenga velocemente se la temperatura oscilla intorno ai C. Quindi quando la ventola supera i 6 C si accende e rimane accesa finché la temperatura non scende sotto i C. Componenti elettrici trasduttore di temperatura AD90; stabilizzatore di tensione a V LM6; amplificatori operazionali TL0; amplificatori operazionali TL0; trimmer da kω; trimmer da 0kΩ; resistenza da,6kω; resistenza da,kω; morsettiere; pacco resistivo da otto resistori da 0kΩ; zoccolo da 6 pin; zoccoli da pin; zoccolo da pin per LM6; HARDWARE Trasduttore di temperatura AD90 Il trasduttore di temperatura AD90 è realizzato in materiale semiconduttore e produce all uscita una corrente proporzionale alla temperatura (espressa in Kelvin).Il trasduttore è un dispositivo analogico capace di trasformare una grandezza fisica, la temperatura, in una variazione di una grandezza elettrica, la corrente. Esso è un dispositivo a due terminali e per tensioni di alimentazione nel range 0 V genera una corrente di µa/k, con una non linearità di ±0. C. La temperatura viene trasformata in corrente secondo questa legge: I= T[µA]dove:T è la temperatura generica espressa in [ K] Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
6 Esso sfrutta la legge della variazione della tensione ai capi di una giunzione Pn che varia di,mv ogni grado centigrado. Questa variazione di tensione viene poi trasformata in una variazione di corrente. Il trasduttore AD90 ha tre piedini: il primo, indicato con V, è l'alimentazione (V / 0V), il secondo, indicato con V è l'uscita del segnale in corrente, il terzo, indicato con CAN, va collegato a massa. Per convertire la corrente in tensione viene inserita nel circuito una resistenza da 0kΩ che, per ottenere una precisione maggiore e stata sostituita da una resistenza da,kω e da un trimmer da kω. Con questa resistenza si ottiene una tensione che varia di 0mV/ K. Questo componente fornisce una corrente in uscita Is, direttamente proporzionale alla temperatura assoluta T. La sensibilità S= ma/ K, ovvero la corrente di uscita dell AD90, aumenta di ma per ogni incremento di temperatura di K. Di conseguenza la relazione ingresso/uscita (temperatura/corrente) è: Is=ST Da cui è possibile calcolare i valori di corrente forniti in corrispondenza di ciascuna temperatura. Il range di funzionamento è l intervallo di valori che può assumere la grandezza da tradurre (nel nostro caso la temperatura) affinché sia garantito il corretto funzionamento del trasduttore. La tensione di alimentazione deve essere compresa nel range: Vcc= V 0V Stabilizzatore di tensione LM6.0V Questo circuito è uno stabilizzatore di precisione di tensione e viene utilizzato per generare una V REF stabile di V. Ha tre piedini: il primo, indicato con, è il punto posto a V della tensione di riferimento; il secondo, indicato con, deve essere collegato a massa; il terzo, chiamato ADJ serve per aggiustare la tensione di riferimento. Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag. 6
7 Caratteristiche Basso coefficiente di temperatura Ampio funzionamento in corrente (00uA 0mA) / % tolleranza iniziale senza collegamenti Garantita la stabilità termica Amplificatori operazionali TL0 e TL0 Il TL0 e il TL0sono amplificatori operazionali. I due componenti svolgono le stesse funzioni ma mentre il TL0 contiene solo due operazionali, il TL0 né contiene quattro. Gli integrati (TL0/) non assorbono corrente in ingresso perché hanno un'elevata resistenza di ingresso (0⁹ Ω) e perciò sono utilizzati come inseguitori di tensione. Essi sono presenti nel circuito per evitare che il circuito di generazione della VREF e di conversione della corrente del trasduttore vengano caricati. L'inseguitore è un particolare caso dell'amplificatore non invertente in cui R IN =, R OUT = 0 e Av=. La resistenza di ingresso è infinita (0⁹) perché è un integrato a JFET. Av è unitario perché:av= R R = 0 Schema elettrico U CAN AD90 V V R.K TL0 UA UA TL0 R 0K R 0K R 0K R VAR K TRIMMER R VAR K TRIMMER 0 9 TL0 UC D0 DIODE Z.7V U LM6.0V/SO R.6K R VAR 0K 6 7 UB TL0 6 7 TL0 UB R7 0K R6 0K R 0K Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag. 7
8 PIC F0 Il PIC F0 è un microcontrollore ed è l elemento più importante di tutto il circuito, infatti è grazie a questo componente che vengono gestite tutte le funzioni del sistema. I micro controllori sono contenuti nella quasi totalità delle apparecchiature elettroniche ed elettrodomestici. La loro capacità di calcolo è limitata perché di solito eseguono lo stesso programma per tutta la durata del loro funzionamento, ma hanno la caratteristica di essere progettati per ottenere la massima autosufficienza funzionale ed ottimizzare il rapporto prezzoprestazioni per una specifica applicazione, a differenza, ad esempio dei microprocessori impiegati nei personal computer, adatti per un uso più generale. Un microcontrollore è un sistema a microprocessore completo, integrato in un solo chip. Essi comprenderanno una CPU, un certo quantitativo di memoria RAM e memoria ROM e una serie di interfacce di I/O standard. Le periferiche integrate sono la vera forza di questi dispositivi. Si possono avere convertitori ADC, convertitori DAC multicanale, timer, I/O seriali, comparatori, PWM. Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
9 Display LCD Il display LCD che viene utilizzato è un 6. I pin che caratterizzano il display sono i seguenti: Pin_: è chiamato Vss che è la massa. Pin_: è chiamato Vdd ed è il pin di alimentazione di V. Pin_: è chiamato Vo e viene connesso alla resistenza variabile che definisce il contrasto del display. Pin_6: è il pin RS da cui dipende il display per avere istruzioni o dati. Pin_7: è il pin R/W che controlla quando il display sta inviando o ricevendo. Pin_: il pin di enable (abilitazione). Pin_96: sono i pin della linea bus chiamati DB0DB7. Il PIC utilizza questi bit per mandare i dati da scrivere sul Display. Da notare: nel nostro caso il diplay LCD non invierà mai dati al PIC e quindi il pin R/W sarà sempre basso, cioè in posizione di scrittura dati. ICD Per l interfacciamento tra il PC e il microcontrollore non abbiamo utilizzato la porta seriale ma un emulatore ICD che ha la funzione di programmare il PIC interfacciando il microcontrollore con il pc. Vantaggi e limiti di tale sistema di sviluppo si riscontrano sulla procedura di debug dove è necessario poter impostare dei breakpoint all interno del codice e visionare variabiliin corrispondenza degli stessi. Il limite fondamentale di ICD sta proprio nel ridotto numero di breakpoint impostabili all avvio del firmware sotto debug. Nel dettaglio, quando il programmatore fissa un breakpoint nel codice tramite l interfaccia grafica di MPLAB IDE, l indirizzo dell istruzione a cui punta il breakpoint è salvato all interno di speciali registri di debug del PIC target. Una volta avviato il debug tramite un apposito pulsante di Run, l esecuzione del firmware parte dall indirizzo zero della memoria programma per bloccarsi all indirizzo dell istruzione successiva a quella salvata nel registro di breakpoint. Una volta che il firmware si inchioda nell esecuzione, Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag. 9
10 l ICD comunica con MPLAB inviando lo status del breakpoint e MPLAB risponde a ICD richiedendo una serie di informazioni sul PIC target, come il contenuto dei registri e lo stato della CPU. Pregi: possibilità di analizzare il proprio codice e ricercare errori e sviste di programmazione inevitabili soprattutto quando il firmware inizia a diventare complesso e strutturato su più file; eseguire il firmware in modalità step by step per analizzare possibili cicli infiniti o salti condizionati mancanti; Limitazioni: possibilità di impostare solo (tipicamente) breakpoint per volta (dipende dal PIC specifico), anche se questa non rappresenta tutto sommato una limitazione stringente in quanto è possibile modificare la posizione del breakpoint a debug avviato; RB6 e RB7 sono usati dall ICD per la comunicazione seriale con il PIC target e non possono essere utilizzati per scopi diversi da questo; SOFTWARE L uscita del nostro sensore di temperatura, che varia tra 0V e V, è collegata direttamente ad un ingresso analogico del pic (nel nostro caso RA).Grazie al convertitore analogico digitale presente all interno del pic, possiamo trasformare la nostra tensione variabile in un numero. ADCON0bits.GO = ; //Avvio conversione while(adcon0bits.done == ); //Attendere fine ADCH = ADRESH; Finita la conversione, il valore della temperatura verrà salvata all interno della variabile ADCH. Il valore di ADCH è però un valore esadecimale che deve essere convertito in valore decimale e salvato all interno di un altra variabile (convers). convers = (ADCH /.6)0; //Calcolo cifre conversione temperatura = convers; Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag. 0
11 Per visualizzare la nostra temperatura sul display si utilizza la seguente parte di codice. stringa[0]='t'; stringa[0]=''; //carattere terminatore stringa[]='e'; stringa[]=dec; //carattere terminatore stringa[]='m'; stringa[]='p'; stringa[]='e'; stringa[]=uni; stringa[]=(); stringa[]='c'; stringa[]='r'; stringa[]=' '; //carattere terminatore stringa[6]='a'; stringa[7]='t'; stringa[]='.'; stringa[9]='='; //prima riga DDRAM SetDDRamAddr(0x0); Delay0KTCYx(); ScriviStringaXLCD(stringa); La variabile Dec=ADCH/0 mentre la variabile Uni=ADCH. Nella stringa[] viene stampato () che in codice ASCII corrisponde ai gradi ( ). Il display LCD è munito di due righe e quindi noi possiamo decidere su quale scrivere con il comando: SetDDRamAddr(0x0); Se noi mettiamo tra parentesi 0x0 (come in questo caso), il messaggio viene stampato sulla prima riga; viceversa se scriviamo (0xC0) il contenuto della stringa viene visualizzato sulla seconda riga del display. Per quanto riguardo l azionamento della ventola,invece, basta effettuare un semplice controllo con il comando if e vedere quando la nostra variabile temperatura supera i valori di soglia da noi impostati. if (temperatura >= 0x00A) { //0x00AH = 6 decimale LATEbits.LATE=; } if (temperatura <= 0x00) { //0x00H = decimale LATEbits.LATE=0; } Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
12 )Antifurto L antifurto è stato realizzato mediante dei sensori reed collegati da una parte alla finestra o alla porta e dall altra ad un ingresso del pic. Quando la finestra o la porta sono chiuse il contatto è chiuso facendo cosi passare la corrente; viceversa quando si apre il contatto non circola più corrente. Quando non c è più il contatto (e quindi c è stata un effrazione) il PIC accende il corrispondente della porta o finestra aperta (simulando così un allarme) e attiva un buzzer pilotato da un relè (in quanto la corrente in uscita dal pic è inferiore rispetto a quella assorbita dal buzzer). Da notare che il buzzer e l accensione dei led si attivano solo se l antifurto è attivato con il relativo interruttore. Abbiamo inoltre aggiunto un pulsante che ci permette di chiudere il buzzer. Componenti elettrici sensori reed led verdi resistenze da 0 [ohm] 7 resistenze da [Kohm] push button transistor BC7 diodo N relè V buzzer V integrato TL0 PICF0 Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
13 Schema elettrico SW R 0[Kohm] R 70[ohm] V D C [mf] R0 [Kohm] Q BC7 N Relé Sirena Buzzer V V V U0A TL MCLR RE RE RE0 RA RA RA RA RA RA0 RB7 RB6 RB RB RB RB RB RB0 6 RC7 RC6 RC RC RC 7 RC 6 RC RC0 RD7 RD6 RD RD RD RD RD RD0 OSC OSC D R7 0[ohm] D R 0[ohm] D R9 0[ohm] D R0 0[ohm] D R 0[ohm] Sensore Reed SW V VDD VSS VDD VSS PICF0 Sensore Reed Sensore Reed [Kohm] R R6 0[ohm] C [mf] Sensore Reed D6 Sensore Reed R7 [Kohm] R [Kohm] R9 [Kohm] R0 [Kohm] R [Kohm] Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
14 DESCRIZIONE SENSORI SENSORI REED Il contatto Reed è un interruttore a lamina (normalmente aperto) che si chiude in presenza di un campo magnetico. Nella forma più semplice è costituito da due lamine, realizzate con materiale ferromagnetico (una lega di ferronichel), parzialmente sovrapposte e separate tra loro di qualche decimo di millimetro. I contatti Reed presentano significativi vantaggi: I contatti sono protetti in un ambiente stagno con atmosfera inerte; questo permette, quando usati all interno delle specifiche d utilizzo, di avere un affidabilità molto elevata (fino a 00 milioni di commutazioni); La forza di attrazione, una volta che le lamine si sono toccate, è molto alta, e questo riduce la generazione rimbalzi; ciò aiuta la buona conservazione dei contatti e riduce la produzione di falsi segnali. Altre caratteristiche significative: Resistenza dei contatti bassa (0,0, ohm); Capacità elettrostatica dei contatti aperti bassa (minore di pf); Tensione di scarica dei contatti elevata (fino a kv); Velocità di commutazione da 0, a qualche millisecondo. Lo svantaggio principale di questi contatti sta nell impossibilità di realizzare lamine di grandi dimensioni, in grado di far passare forti amperaggi. Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
15 I sensori Reed hanno bisogno di resistenze di pull down da kω per garantire che gli ingressi di un sistema logico stabilito siano a livelli logici previsti se i dispositivi esterni sono scollegati. (vedi schema elettrico) La visualizzazione dello stato dei sensori Reed viene fatta grazie a led. L accensione dei led viene gestita dal PIC sulle porte: RC0,RC,RC,RC,RC. Se il led è acceso vuol dire che la porta o le finestre sono aperte. Se è scattato l allarme perché è stata aperta una finestra si accenderà il led corrispondente, però se noi apriamo anche la porta la sirena continua a funzionare e l unico led che rimane acceso è quello della finestra. RC0 RC RC RC RC D D D D D R7 0[ohm] R 0[ohm] R9 0[ohm] R0 0[ohm] R 0[ohm] Le resistenze sono state cosi dimensionate: R = Voh V = = 0 Ω I 0 0 SOFTWARE La prima cosa da fare è controllare l interruttore che attiva o disattiva l antifurto. if (PORTAbits.RA == 0) // antifurto Quando l interruttore è a livello basso sul display viene visualizzato,sulla seconda riga del display in quanto la prima è occupata dalla temperatura, Antifurto on. if (PORTAbits.RA ==) Viceversa quando l interruttore è a livello alto viene scritto Antifurto off. Per l attivazione del buzzer controlliamo, sempre con il comando if, il pulsante di attivazione dell antifurto (se è a livello basso) e i sensori reed. Quando l antifurto è attivo e i sensori reed hanno un contatto aperto (significa che la finestra è aperta) e quindi basta eseguire la seguente funzione: LATCbits.LATC = ; Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
16 Questa scrittura ci permette di portare a livello alto l indirizzo C (che corrisponde al piedino del pic) e quindi,tramite il transistor e il relè, di attivare la sirena. Per disattivare la sirena devono sussistere due condizioni; o il pulsante per spegnere la sirena è a livello alto oppure l interruttore per attivare l antifurto è a livello alto (e quindi l antifurto è disattivato). if ((PORTBbits.RB == ) (PORTAbits.RA == )) { LATCbits.LATC = 0; } Quando una di queste due condizioni è verificata il piedino del pic abilitato per attivare la sirena viene portato a livello basso. )Luci crepuscolari Le luci crepuscolari sono state realizzate mediante l utilizzo di una fotoresistenza. Quando la tensione derivante dal parallelo della fotoresistenza con la resistenza da [Kohm] supera quella impostata con il comparatore i sei led crepuscolari si accendono. Questi led sono disposti a coppie di tre in serie e vengono pilotati dall integrato ULN0. Per questa parte del progetto non è stato necessario l utilizzo del pic. DESCRIZIONE FOTORESISTENZA Le fororesistenze sono dispositivi in cui la differenza luminosa corrisponde ad una variazione di resistenza. Le fororesistenze sono economiche ed hanno anche un elevata sensibilità; la loro resistenza può variare da decine di MΩ al buio fino a qualche centinaia di ohm alla luce. Ciò comporta che la corrente elettrica che transita attraverso tale componente è proporzionale all intensità di una sorgente luminosa. In tale maniera si realizza una sorta di potenziometro attuabile tramite la luce anziché tramite forze meccaniche o segnali elettrici. Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag. 6
17 Componenti elettrici ULN0 LM9 fotoresistenza resistenze da [Kohm ] resistenza variabile da 0[Kohm] resistenza da.[kohm] resistenza da.7[kohm ] resistenze da 70[ohm ] 6 led alta luminosità Schema elettrico D D6 D D FR R [Kohm] D D R [Kohm] R LM9 IN IN IN IN 6 IN 7 IN6 IN7 IN 9 COM OUT OUT OUT OUT OUT OUT6 OUT7 OUT 7 6 R7 R6 70[ohm] 70[ohm].7[Kohm] ULN0 R.[Kohm] 0[Kohm] Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag. 7
18 Eventuali miglioramenti Sensore di temperatura nel nostro progetto non abbiamo tenuto conto delle temperature in quanto è difficile avere delle temperature sotto lo zero in un abitazione. In ogni caso, se si vogliono prendere anche questi valori per una più corretta misurazione, basta inserire una condizione nel programma che se il valore della tensione è inferiore a,7v (tensione che corrisponde a 0 C) si pone in segno meno davanti alla temperatura e si effettuano altre operazioni. Antifurto i sensori reed sono dotati di fili; uno viene collegato a V, un altro è il vero e proprio contatto che va al pic (con delle resistenze di pull down), mentre gli altri due sono quelli di antimanomissione. Nel nostro caso abbiamo usato solo i primi due; per una maggiore sicurezza e affidabilità dell antifurto dobbiamo collegare questi due cavi per evitare che soggetti non autorizzati disattivino l allarme facilmente. Alimentazione l aspetto più importante che può essere migliorato riguarda l alimentazione. Nella nostra tesina ci sono ben tipi di alimentazione (V,±V e V); per ovviare a questo problema si potrebbe partire da una tensione duale di ± e portarla, con alcuni circuiti a V e V. Un altro aspetto fondamentale che può essere migliorato riguarda l alimentazione dell antifurto (che è troppo vincolata dalla rete ed avrebbe bisogno e un alimentazione a parte). Tesina Esame di Stato A.S. 0/0 Pag.
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