ESAME DI STATO 2015 INDIRIZZO ELETTRONICA ED ELETTROTECNICA ARTICOLAZIONE ELETTRONICA. TEMA DI SISTEMI AUTOMATICI - Soluzione

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1 ESAME DI STATO 20 INDIRIZZO ELETTRONICA ED ELETTROTECNICA ARTICOLAZIONE ELETTRONICA TEMA DI SISTEMI AUTOMATICI - Soluzione PRIMA PARTE Il teto non preci il tempo necerio ll erogzione dei regenti; poimo quindi upporre che l erogtore, un volt ttivto, rilci utomticmente l doe neceri e non neceiti di ulteriori comndi. Il proceo vviene econdo l eguente tempitic. min Erogtore ON Lettur S PH Erogtore 2 ON Il item può eere relizzto medinte un microcontrollore che dipong di lmeno 9 pin di input/output digitle ed lmeno un ingreo nlogico d eempio Arduino Uno. Un poibile chem blocchi è il eguente: V CC Lettur S PH Erogtore OFF Erogtore 2 OFF Lettur S C START DIN S PH TIMER DOUT DIN2 DIN3 DIN4 DIN DIN6 Micro controllore AIN DOUT2 DOUT3 Micro dotore Micro dotore 2 S C Condizionmento

2 Punto Il microcontrollore riceve il comndo di START ll ingreo digitle DIN, inizilizz tutti i prmetri e comnd l vvio del timer medinte l ucit digitle DOUT. Medinte l ingreo DIN2 cquiice l temporizzzione neceri ll eecuzione del proceo. Si uppone che il microcontrollore i in grdo di leggere un impulo dell durt di un microecondo, in co contrrio è necerio inerire tr il timer e l ingreo DIN2 un monotbile in grdo di generre un impulo dell durt richiet dl microcontrollore. Il enore S PH fornice già un ucit digitle 4 bit e, quindi poimo collegre direttmente le 4 ucite del enore quttro ingrei del microcontrollore. Il enore S C fornice un ucit in corrente e deve quindi eere opportunmente condizionto prim di frlo leggere dl microcontrollore medinte un ingreo nlogico. Uno dei poibili circuiti di condizionmento è il eguente: Dto che l ineguitore diccoppi il enore dl circuito ucceivo, l converione d corrente tenione viene effettut medinte l reitenz R pot in prllelo l enore teo. Poiché l tenione minim di ucit del buffer non è null, è necerio utilizzre un ommtore per trlre i livelli i vlori deiderti. Clcoo le reitenze nel modo eguente: per R, tenendo conto che l differenz di tenione deidert in ucit è V, bbimo: I C I C V RIC ln ln2000 V R 88 IC Ne egue: V R I C 7. 76V V R I C 2. 76V imponimo R2 = R4 = 0 k e clcoo R3 Utilizzndo il PSE, l ucit dovut l enore vri tr 7.76 V e 2.76 V perché con gudgno unitrio. Il econdo rmo h il compito di trlre quet tenione di in modo d vere vlore minimo nullo. Ne egue che: R4 V R3 u V i

3 Vi R 3 R V 7.76 u Infine, medinte le due ucite DIN2 e DIN3 i comnd l pertur dei micro dotori. Punto 2 Con lo chem propoto il punto 2 ed il punto 3 poono eere trttti unitrimente in qunto il i diveri dipoitivi ono collegti direttmente gli ingrei ed lle ucite del microcontrollore e quindi l logic di controllo f prte del oftwre di getione decritto nel punto 3. Punto 3 L lgoritmo di getione del proceo è trttto per linee generli ttrvero un peudo codific. Per l memorizzzione dei dti i ceglie di utilizzre dei vettori l cui dimenione è predetermint in fe di dichirzione e inizilizzzione. Si ricord che Il microcontrollore funzion in mnier ciclic e quindi, termint l equenz di itruzioni, riprte utomticmente d eeguire l prim. Trcurndo l prte reltiv lle dichirzioni e lle inizilizzzioni delle vribili un poibile oluzione è l eguente: leggi DIN // lettur egnle di START fino qundo DIN = 0 continu leggere DIN // ttendo fino qundo non rriv il comndo di START // egnle di trt ricevuto; inizio controllo del proceo crivi DOUT // ttivzione TIMER leggi DIN2 // rilevmento primo impulo fino qundo DIN2 = 0 continu leggere DIN2 // primo impulo ricevuto ttiv DOUT2 // ttiv il rilcio del regente A // ttendo il primo impulo del timer leggi DIN2 // rilevmento econdo impulo; lettur e memorizzzione primo enore PH fino qundo DIN2 = 0 continu leggere DIN2 // ttendo il econdo impulo del timer // econdo impulo ricevuto leggi S PH // lettur del vlore dei enori converti S PH d binrio decimle crivi nell poizione indice del vettore PH il vlore PH di S PH convertito ttiv DOUT3 // ttiv il rilcio del regente B leggi DIN2 // rilevmento terzo impulo; lettur e memorizzzione econdo enore PH fino qundo DIN2 = 0 continu leggere DIN2 // ttendo il terzo impulo del timer // terzo impulo ricevuto leggi S PH // lettur del vlore dei enori converti S PH d binrio decimle crivi nell poizione indice del vettore PH2 il vlore PH di S PH convertito // chiude i microerogtori dittiv DOUT2 dittiv DOUT3 leggi DIN2 // rilevmento qurto impulo fino qundo DIN2 = 0 continu leggere DIN2 // ttendo il qurto impulo del timer

4 // qurto impulo ricevuto: non fccio null leggi DIN2 // rilevmento quinto impulo; lettur e memorizzzione enore concentrzione fino qundo DIN2 = 0 continu leggere DIN2 // ttendo il quinto impulo del timer // quinto impulo ricevuto leggi S C // lettur del vlore dei enori crivi nell poizione indice del vettore CONCENTRAZIONE il vlore di S C letto indice = indice + // poizione ttule nei vettori PH, PH2 e CONCENTRAZIONE SECONDA PARTE Punto L corrente fornit dl enore non vri linermente con l concentrzione e quindi è necerio fre lcune coniderzioni prim di clcolre l rioluzione. L effettivo ndmento dell ucit del circuito di condizionmento è motrto in figur. Vedimo immeditmente che l ituzione più critic i verific in corripondenz dei vlori più lti di concentrzione; inftti, qundo i p d 999 g/ml 2000 g/ml l tenione p d 0, V 0, V con un differenz, in vlore oluto, di V = 0, V. Per grntire l rioluzione volut è quindi necerio prevedere un qunto di vlore ugule V. Ne egue che dobbimo prevedere /0, = 9823 livelli diveri di tenione diveri che corripondono d un numero di bit N = log = È quindi necerio un convertitore 4 bit; commercilmente ono diponibili convertitori 6 bit. Ovvimente il microcontrollore deve vere dipoizione 6 ingrei cui collegre i 6 bit derivnti dl convertitore. In più è necerio prevedere un ucit che di il comndo di trt converion l convertitore ed ttendere che l te i ultimt. In lterntiv è poibile fr funzionre il convertitore in free running ed cquiire il dto trmite un buffer/driver 6 bit.

5 Per ottenere il vlore medio dei dti rilevti è ufficiente modificre il progrmm, per ogni lettur, come egue: leggi DIN2 // rilevmento econdo impulo; lettur e memorizzzione primo enore PH fino qundo DIN2 = 0 continu leggere DIN2 // ttendo il econdo impulo del timer // econdo impulo ricevuto leggi S PH // lettur del vlore dei enori converti S PH d binrio decimle crivi nell poizione indice del vettore PH il vlore PH di S PH convertito PH_totle = PH_totle + PH // omm di tutti i vlori di PH letti e PH < 00 llor increment vlore di minore_cinquecento_ph ttiv DOUT3 // ttiv il rilcio del regente B Al termine del progrmm è necerio ggiungere, per ogni grndezz, tringhe nloghe lle eguenti: e indice = 00 llor dividi PH_totle per 00 e tmplo // clcol l medi dei vlori tmp minore_00_ph // tmp il numero dei vlori inferiori 00 fine_e Punto 2 Anche in queto bt ggiungere delle linee di codice l progrmm e prevedere un ucit digitle upplementre, DOUT4 che ccend un led. Abbimo: leggi DIN2 // rilevmento econdo impulo; lettur e memorizzzione primo enore PH fino qundo DIN2 = 0 continu leggere DIN2 // ttendo il econdo impulo del timer // econdo impulo ricevuto leggi S PH // lettur del vlore dei enori converti S PH d binrio decimle e PH = 0 o PH = llor ttiv DOUT4 // ccendi il led zzer tutti i dti letti // nnullmento dei dti errore = ; // inizilizz il loop infinito fino qundo errore = non fre null // loop infinito che blocc il item necerio reet di item fine_e crivi nell poizione indice del vettore PH il vlore PH di S PH convertito PH_totle = PH_totle + PH // omm di tutti i vlori di PH letti e PH < 00 llor increment vlore di minore_cinquecento_ph ttiv DOUT3 // ttiv il rilcio del regente B Punto 3 L funzione di trferimento dello chem propoto i può ricvre nel eguente modo: A B

6 Pertnto l funzione di trferimento riult eere: Dovendo clcolre l ripot regime del item poimo pplicre il teorem del vlor finle otto riportto: 0 F t f t Pertnto pendo che: E pplicndo il teorem del vlor finle i ottiene: F D qui i ricv che Punto 4 L funzione di trferimento compleiv del item retrozionto è: K K C B A B A Per clcolre il mrgine di fe e di gudgno del item d nello perto dobbimo trccire i digrmmi di Bode del gudgno e dell fe ricordndo che K=0 come indicto nell trcci d eme. Pertnto vremo: Un volt trcciti i due digrmmi i determinerà il mrgine di fe e di gudgno in corripondenz ripettivmente del vlore del modulo 0dB e del vlore dell fe 80. Il grfico otto riportto preent l ndmento dei due digrmmi intotici con il reltivo mrgine di fe e di gudgno. Prof. Mimo Mtroerio - Prof. Mrio Mrini ITIS FELTRINELLI MILANO