IRRIGATORE AUTOMATICO

Transcript

1 ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE ALDINI-VALERIANI SIRANI TURRINI LUCA 5 A INFO IRRIGATORE AUTOMATICO (fig. 1) 1

2 INTRODUZIONE: Si vuole realizzare un irrigatore automatico quindi, un circuito elettrico che azioni un elettrovalvola. L elettrovalvola dovrà essere azionata e quindi permettere il passaggio dell acqua solamente quando si presentano determinate condizioni che soddisfano i requisiti necessari per irrigare, in più dovrà restare aperta solo per un determinato periodo. I requisiti presi in esame sono due: 1- La mancanza di umidità nel terreno 2- La condizione di luce necessaria a non bruciare la pianta. Per la misurazione dell umidità del terreno viene sfruttato il principio di conducibilità elettrica dell acqua: viene misurata la resistenza che il terreno oppone al passaggio della corrente che è inversamente proporzionale alla quantità di acqua presente. Per il secondo requisito, la condizione di luce, viene utilizzata una semplice fotoresistenza che, come suggerisce il nome, è un componente in grado di variare la sua resistenza in base alla luce: tanto è maggiore la quantità di luce, tanto sarà minore la resistenza; anche in questo caso abbiamo quindi una proporzionalità inversa tra la resistenza e la condizione interessata. Invece per mantenere aperta l elettrovalvola solo per un determinato periodo viene utilizzato un monostabile: un circuito elettrico che ricevuto un input restituisce in uscita un livello logico alto per un determinato periodo. 2

3 COMPONENTI NECESSARI: NOME Resistenze: R1 R3 R5 R6 R7 R8 VALORE/TIPO FOTO 4.7K Ω 4.7 K Ω 1K Ω 1M Ω 22KΩ 47KΩ Trimmer: (resistenze variabili) R2 R4 Condensatori: (elettrolitici) C1 C2 C5 (poliestere) C3 C4 C6 Integrati: Quad 2-Input NAND (U1) 50K Ω 50K Ω 10μF 1μF 100μF 100nF 100nF 100nF CD4001 Quad 2-Input NOR (U2) CD4011 Low-Power Monostable (U3) Transistor: HCF4047 Q1 BC547 3 SIMBOLO

4 NOME VALORE/TIPO FOTO Diodi: 1N4007 D1 Fotoresistenza: Rl VT935G Sensore di umidità: Ru Relè: Relay Elettrovalvola: Carico Normalmente chiusa 220V ac 4 SIMBOLO

5 SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO: Iniziamo ad osservare il circuito, prendendo in esame prima di tutto il nostro sensore di umidità terrena e la fotoresistenza, di cui è necessario sapere il funzionamento per comprendere il circuito di controllo adottato per utilizzare gli stessi. Il sensore di umidità (fig. 2) non è composto da altro che due elettrodi di rame, ognuno dei quali è collegato ad un filo di rame rivestito di materiale isolante. (fig.2) Il suo funzionamento è molto semplice: I due elettrodi andranno completamente infilati nel terreno, a circa 5 cm. di distanza tra loro e verrà quindi sfruttato il principio di conducibilità elettrica dell acqua per innescare il circuito volto ad aprire l elettrovalvola. Bisogna dire che per l utilizzo di questi elettrodi in campo pratico sorge il bisogno di una costante manutenzione poiché il rame, a contatto con l acqua, tende ad ossidarsi e quindi si riveste di una patina che non è conduttrice elettrica. Osserviamo ora il circuito di controllo del nostro sensore rappresentato in fig. 3, viene prelevata la tensione tra il trimmer (R2) e i due elettrodi del sensore di umidità (Ru); così facendo, avremo un uscita variabile tra Vcc, quando il terreno è secco e 0, quando il terreno è molto umido. 5

6 Il trimmer viene utilizzato inoltre per impostare un valore di soglia per l umidità, semplicemente facendo variare il suo valore di resistenza. Lo stesso circuito di controllo può essere adottato per la fotoresistenza, poiché il suo funzionamento è molto simile a quello del sensore di umidità: abbiamo sempre un aumento di resistenza al decrescere del valore interessato. Per l utilizzo della fotoresistenza, bisogna prendere in esame un possibile passaggio repentino tra una situazione di luce ed una situazione di buio e viceversa, qui sorge un problema, poiché la fotoresistenza impiega un piccolo lasso di tempo per variare il suo valore resistivo. Per ovviare quindi a questo problema è necessario integrare un circuito apposito volto a diminuire il tempo di commutazione della fotoresistenza; il circuito è mostrato in fig. 4. (fig. 3) Come possiamo notare, il circuito è composto semplicemente da quattro porte NOR il cui funzionamento è molto semplice, ossia, ogni qual volta almeno uno dei due ingressi si trova a livello logico alto ( 1 ), otterremo un uscita a livello logico basso ( 0 ). (fig. 4) Le uscite dei due sensori andranno poi collegate tramite una porta NAND in modo tale di ricevere in uscita il valore logico 1 in condizioni normali e 0 quando dobbiamo aprire l elettrovalvola. Successivamente verrà anche spiegato il perché viene utilizzata una 6

7 porta NAND invece che una normale AND (l unica differenza è che la AND restituisce il valore logico 1 solo nel caso in cui gli ingressi siano a 1 mentre la NAND in quel caso, restituisce 0 ). Dobbiamo ora occuparci di trovare una soluzione per azionare l elettrovalvola per un determinato periodo di tempo. Per fare ciò utilizziamo l integrato HCF4047 che nel nostro caso viene utilizzato da monostabile, anche se in seguito verranno descritti anche gli altri possibili usi. Allegato si può trovare il datasheet, ma la piedinatura dell integrato segue anche in fig. 5. Come si può vedere l integrato è molto versatile, può funzionare da astabile, monostabile e da oscillatore. Il funzionamento da astabile prevede che l uscita commuti in continuazione da livello logico alto a basso e viceversa senza bisogno di ricevere alcun input. Quello da monostabile invece, prevede che l uscita normalmente sia ad un livello logico e al ricevimento di un input commuti all altro stato. Il pin oscillatore invece ci permette di prelevare un segnale ad una determinata frequenza. (fig. 5) Esaminiamo in dettaglio il funzionamento da monostabile ossia quello utilizzato per questa applicazione: I pin C, R ed R-C (1,2,3) vengono utilizzati per stabilire la durata dell uscita, ossia il periodo di tempo in cui l uscita commuterà al ricevimento dell input. Come suggerito dal nome R e C vi andranno collegati una resistenza ed un condensatore, ed il periodo di tempo T che andremo a dimensionare sarà dato dalla forumula: T = 2.48 R C Nel nostro caso scegliamo di irrigare per circa 30 secondi, di conseguenza utilizzeremo una resistenza da 1MΩ ed un condensatore da 10μF, in questo modo T sarà circa 25 7

8 secondi, ma bisogna tenere presente che l integrato può commettere un errore in eccesso sul tempo del 9.3% ossia il tempo di irrigazione può variare tra 25 e 28 secondi. In seguito al dimensionamento di questi due valori, scegliamo il tipo di monostabile che vogliamo utilizzare, ossia, positive edge triggered o negative edge triggered; rispettivamente, l input è prelevato su fronte di salita o di discesa. Viene scelto il negative edge triggered poiché nell altra configurazione l integrato non si comportava correttamente in fase di test. Per l utilizzo di questa configurazione, dobbiamo far si che in stato normale l uscita dei due sensori sia 1, ecco spiegato il perché viene utilizzata una porta NAND. L integrato necessita di un semplice circuito di reset, ossia che faccia in modo che appena alimentato il circuito vengano resettati gli stati di ogni pin. Questo è necessario perché può capitare che all avvio del circuito l integrato legga un fronte di discesa e quindi azioni l elettrovalvola. Il circuito di reset è composto semplicemente da una resistenza e da un condensatore disposti in serie, prelevando la tensione tra i due componenti si ottiene che nel lasso di tempo in cui si carica il condensatore la tensione sia a livello 1 dopo di che vada a 0 poiché può scaricare a massa. Otteniamo quindi che per un tempo piccolissimo, ma sufficiente, il pin di reset si trovi a 1 resettando gli altri. Il pin 10 dell integrato è quello da cui preleviamo l uscita che dovrà azionare l elettrovalvola. Vediamo ora nel dettaglio il circuito volto ad aprire l elettrovalvola sfruttando l uscita dell integrato visto in precedenza. (fig. 6) 8

9 Notiamo subito che all uscita del monostabile vi sono due resistenze, i loro valori andranno calcolati per limitare la corrente sulla base del transistor ed evitare che si possa bruciare. Il funzionamento del transistor è molto semplice; è in pratica un interruttore elettrico ossia che se stimolato, permette il passaggio di corrente. Nel disegno accanto (fig. 7) è rappresentato un transistor a giunzione bipolare NPN come quello utilizzato. Quando la Base viene alimentata, fa in modo di chiudere il circuito tra Collettore ed Emettitore. (fig. 7) Collegato al collettore del transistor possiamo trovare un relè con in antiparallelo alla bobina un diodo che serve per assorbire le extracorrenti che si verificano alla sua apertura. Il relè è composto semplicemente da una bobina e da un gruppo di contatti, i quali vengono rispettivamente aperti e chiusi meccanicamente all eccitazione della bobina. Ai contatti normalmente aperti del relè possiamo trovare da una parte la tensione 220 Vac, ossia la tensione distribuita normalmente in ogni abitazione e dall altra parte, l elettrovalvola. In questo modo l elettrovalvola funziona solo quando il relè chiude i contatti. 9

10 REALIZZAZIONE DEL CIRCUITO STAMPATO: Dopo aver progettato e testato il circuito su breadboard, bisogna realizzare il relativo stampato, verrà descritto il processo svolto. Prima di tutto è necessario utilizzare un programma CAD per disegnare lo schematico (fig.1) del circuito, per la realizzazione di questo schematico e del relativo PCB è stato utilizzato Altium Designer. Quando abbiamo terminato di disegnare lo schematico, passiamo alla realizzazione del PCB, Altium Desgner ha una funzione che genera in modo automatico lo stampato anche se è meglio ottimizzare la disposizione dei componenti e il disegno delle piste manualmente in modo di ottenere esattamente il risultato voluto. Durante la fase di progettazione, bisogna anche stabilire la larghezza delle piste, in base al loro scopo. Il layout del PCB è riportato in fig.8 dove possiamo osservare in rosso le piste della faccia superiore della nostra basetta, in blu le piste sulla faccia inferiore ed in giallo dove verranno posizionati i componenti. Dovremo effettuare due stampe, una contenente solo le piste della faccia superiore e una con quelle inferiori su carta da lucido. I due fogli di lucido andranno ora posizionati perfettamente sulla basetta in modo che siano perfettamente allineati. Una volta fatto, viene utilizzato un bromografo per imprimere il disegno delle piste sulle due facce e successivamente la basetta dovrà passare prima nella soda caustica per 10

11 rimuovere il materiale fotoimpressivo, lasciando solamente lo strato non impresso e subito dopo nell acido per rimuovere il rame in eccesso, lasciando quindi solamente le piste. Al termine di queste operazioni bisogna ultimare il lavoro effettuando i vari buchi e saldando i componenti. Il risultato ottenuto è il seguente: 11