Elisabetta Cuniberti Luciano De Lucchi Domenico Galluzzo TECNOLOGIA DISEGNO PROGETTAZIONE TDP SECONDA EDIZIONE. Scienze e Tecnologie PETRINI

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1 Elisabetta Cuniberti Luciano De Lucchi Domenico Galluzzo TDP SECONDA EDIZIONE TECNOLOGIA DISEGNO PROGETTAZIONE 3 PETRINI Scienze e Tecnologie

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3 Elisabetta Cuniberti Luciano De Lucchi Domenico Galluzzo TDP SECONDA EDIZIONE TECNOLOGIA DISEGNO PROGETTAZIONE 3 PETRINI Scienze e Tecnologie

4 internet Coordinamento editoriale: Maria Grazia Guanziroli Coordinamento redazionale: Monica Martinelli Redazione: puntoacapo s.r.l. - Torino Progetto grafico: InPage - Torino Copertina: dmb/remoboscarin Foto di copertina: ICP Disegni: Matilde Rivetti Fotocomposizione e realizzazione grafica: A.G.E s.r.l. - Bologna Stampa: La Tipografica Varese S.p.A. - Varese 2005 De Agostini Scuola SpA - Novara 1 a edizione: gennaio 2005 Printed in Italy Per i casi in cui non è stato possibile ottenere il permesso di riproduzione, a causa delle difficoltà di rintracciare chi potesse darlo, si è notificato all Ufficio della proprietà letteraria, artistica e scientifica che l importo del compenso è a disposizione degli aventi diritto. Edizione: I II III IV V Anno:

5 INDICE PRESENTAZIONE C1 C2 C3 C4 COMPONENTI Interfacce per trasferimento dati 1 C1.1 Interfacce seriali 2 C1.2 Interfacciamento parallelo 15 Prova strutturata 21 Microcontrollori Microchip serie PIC 16F87XA 22 C2.1 Caratteristiche generali 23 C2.2 Il PIC 16F873A 24 C2.3 Organizzazione della memoria 27 C2.4 Indirizzamento dir etto e indiretto dei r egistri 35 C2.5 Le inter ruzioni 38 C2.6 Reset 45 C2.7 Le por te di Input/Output (I/O) 48 C2.8 Moduli Timer 49 C2.9 I moduli CCP (capture/compare/pwm) 57 C2.10 Il conver titore analogico-digitale: modulo ADC 61 C2.11 Il modulo USART (universal synchronous asynchronous receiver transmitter) 68 Prova strutturata 88 Sensori e trasduttori 89 C3.1 Caratteristiche e pr estazioni 90 C3.2 Trasduttori di spostamento e di posizione 92 C3.3 Trasduttori di velocità 103 C3.4 Trasduttori di for za e di pr essione 106 C3.5 Sensori di temperatura 112 C3.6 Trasduttori di ener gia radiante 117 C3.7 Sensori chimici 120 Prova strutturata 122 Circuiti integrati di segnale 123 C4.1 Classificazione e caratteristiche 124 C4.2 Amplificatori di str umentazione 126 VI C5 C6 C4.3 Amplificatori di isolamento 131 C4.4 Amplificatori di condizionamento 134 C4.5 Filtri attivi 139 C4.6 Interruttori e multiplatori analogici 143 C4.7 Riferimenti di tensione 145 C4.8 Amplificatori sample and hold 147 C4.9 Conver titori A/D 149 C4.10 Conver titori S/D 156 C4.11 Conver titori D/A 158 C4.12 Conver titori V/F e F/V 162 C4.13 Inter facce 165 C4.14 Fotoaccoppiatori 168 C4.15 Integrati per la trasmissione radio dei dati 170 Prova strutturata 173 Motori e solenoidi 174 C5.1 Motori in continua a magnete permanente 175 C5.2 Motori senza spazzole (brushless) 178 C5.3 Ser vomotori 182 C5.4 Motori passo-passo 184 C5.5 Altri tipi di motor e 190 C5.6 Solenoidi 192 C5.7 Unità di misura meccaniche 193 Prova strutturata 194 Componenti a semiconduttore di potenza 195 C6.1 Classificazione e tecnologie 196 C6.2 Diodi di potenza 201 C6.3 BJT di potenza 203 C6.4 MOS di potenza 210 C6.5 IGBT 213 C6.6 Tiristori 216 C6.7 Relè a stato solido 223 C6.8 Amplificatori integrati di potenza 225 C6.9 Regolatori di tensione lineari 231 C6.10 Regolatori di tensione a commutazione 234 C6.11 Controllori integrati per attuatori 239 Prova strutturata 245

6 IV Indice generale C7 ASIC 246 C7.1 Evoluzione dei cir cuiti integrati digitali 247 C7.2 ASIC personalizzabili dal costr uttore 249 C7.3 Circuiti personalizzabili dall utente 254 C7.4 PROM 258 C7.5 Circuiti PLA 261 C7.6 Circuiti PAL 263 C7.7 PLD sequenziali 266 C7.8 PLD riprogrammabili 268 C7.9 Dati tecnici di PLD 272 Prova strutturata 283 S2 S3 S4 STRUMENTI PER LA REALIZZAZIONE 324 Montaggio superficiale (SMT) 335 S2.1 La piastra SMT 335 S2.2 I componenti SMD 336 S2.3 Assemblaggio della piastra 341 ATE per circuiti elettronici 345 S3.1 Principali tecniche di collaudo 347 S3.2 Altre tecniche di collaudo 348 STRUMENTI SOFTWARE 350 Supporti per la progettazione 351 C8 Nutchip 284 C8.1 Automi a stati finiti 284 C8.2 La tabella di transizione degli stati del Nutchip 286 C8.3 Schema a blocchi, pin-out, caratteristiche elettriche 288 C8.4 Nutstation: il softwar e per la programmazione dei Nutchip 291 C8.5 La programmazione del Nutchip 294 Prova strutturata 301 P1 S4.1 Simulazione 351 S4.2 LabVIEW 352 S4.3 Sviluppo di pr ogetti con PLD 355 S4.4 Sistemi di sviluppo per µp e µc 359 PROGETTI STRUMENTI PER IL LABORATORIO 361 Termometro portatile con display LCD 362 C9 Circuiti ibridi 302 C9.1 Tecnologie ibride 304 C9.2 Campi di impiego degli ibridi 309 C9.3 Moduli multi-chip 309 Prova strutturata 311 P2 P3 Mettiti alla prova 370 Generatore di funzioni programmabile 372 Mettiti alla prova 382 Alimentatore switching 385 C10 Qualità e affidabilità 312 Mettiti alla prova 400 C10.1 Verifica della qualità 312 C10.2 Affidabilità 313 C10.3 Parametri affidabilistici 317 C10.4 Effetti dei fattori di influenza 320 Prova strutturata 322 P4 P5 ACQUISIZIONE E DISTRIBUZIONE DATI CON PC 402 Sistema di conversione A/D-D/A 403 Mettiti alla prova 412 Acquisizione dati seriale 415 STRUMENTI Mettiti alla prova 421 S1 STRUMENTI DI LABORATORIO 323 Elementi di sicurezza elettrica 324 S1.1 Norme e disposizioni legislative 324 S1.2 Effetti fisiopatologici della cor rente elettrica 326 S1.3 Protezione contr o i contatti diretti e indir etti 329 P6 P7 SISTEMI DI CONTROLLO CON NUTCHIP 423 Apricancello 424 Mettiti alla prova 431 Ascensore 433 Mettiti alla prova 439

7 Indice generale V P8 P9 APPLICAZIONE SCELTE CON IL PIC 16F84A 441 Scritta luminosa 442 Mettiti alla prova 448 Orologio digitale 453 IP1 IP2 IP3 IDEE DI PROGETTO 499 Scritte luminose scorrevoli 500 Immagini a ritmo di musica 502 Blue spot 503 Mettiti alla prova 459 IP4 Globo luminoso 504 P10 Radiocontrollo gestito da PC 464 Mettiti alla prova 470 IP5 IP6 Carro armato super accessoriato 505 Dirigibili 506 P11 MICROCONTROLLORE PIC 16F873A 475 Esempi di gestione delle interruzioni e dei moduli Timer1 e Timer0 476 IP7 IP8 IP9 Robot a quattro zampe 507 Smart villa 508 Rete di postazioni remote 509 P12 Gestione della memoria EEPROM 24C02C da PC 479 APPENDICI Fogli tecnici 510 P13 Rete di unità di acquisizione dati gestita da PC 488 Risposte alle prove strutturate 510 Indice analitico 511

8 Prefazione Gli obiettivi generali della moderna didattica nel settore tecnico si ispirano alla definizione di una figura professionale versatile, autonoma, adatta al lavoro di equipe, con una buona preparazione di base, ma informata sulle tecnologie più attuali e sui più recenti strumenti di sviluppo e progettazione. Il raggiungimento di questi obiettivi richiede che vengano sviluppate sia capacità di interpretazione, analisi e approfondimento, sia capacità di sintesi e comunicazione; è poi fondamentale lo sviluppo di una mentalità progettuale e di una adeguata sensibilità ai problemi della realizzazione di prototipi nonché della produzione in serie. La metodologia didattica deve necessariamente basarsi su strette relazioni interdisciplinari. La scelta dei contenuti, oltre a favorire la sintesi degli argomenti trattati in altre discipline, deve tendere ad ampliare le conoscenze e a precisare gli aspetti tecnolo gici e applicativi dei componenti così come le modalità d uso dei vari strumenti. La recente fase evolutiva dell elettronica e delle telecomunicazioni ha innescato una tendenza al ribasso dei costi della componentistica e ha immesso sul mercato a prezzi contenuti nuovi dispositivi con prestazioni f ino a ora non immaginabili; anche nell ambito didattico è quindi possibile, con un limitato dispendio di mezzi e risorse, realizzare nei laboratori scolastici un infinita varietà di applicazioni interessanti innovative e aggiornate oltre che divertenti. L impostazione e i contenuti di quest opera in tre volumi sono coerenti con i criteri e le considerazioni esposte e scaturiscono dalla convinzione che il testo deve essere per lo studente uno stimolo e una guida nelle attività di progettazione, fornendogli una adeguata documentazione sui componenti e gli strumenti da utilizzare. Il numero e l entità dei progetti illustrati sono tali che l insegnante ha ampia possibilità di scegliere quelli più adatti al livello della classe, al tempo a disposizione, ai temi trattati nelle discipline affini. I progetti presentati spaziano da realizzazioni di veri e propri sistemi completi, a proposte di sof isticate funzioni di base, a suggerimenti o Idee di Pro getto per applicazioni interessanti e sorprendenti che appassionano gli studenti. Tutti si prestano ad ampliamenti e sviluppi notevoli. La nuova edizione, in una veste grafica che rende più incisiva l esposizione dei vari argomenti, presenta contenuti aggior nati per quanto riguarda i componenti e gli str umenti software utilizzati, propone nuovi progetti da realizzare con le classi e of fre un valido apparato didattico per la verifica dell apprendimento. Per contenuti e organizzazione degli argomenti, il testo è rivolto agli studenti del V anno degli Istituiti Tecnici Industriali con indirizzo Elettronica e Telecomunicazioni. Anche i corsi con indirizzo Informatica possono trovare in questo testo un utile supporto sia per le informazioni di carattere tecnologico, sia per le indicazioni sull uso degli strumenti, sia infine per i numerosi esempi di progetti pluridisciplinari. Per gli ampi risvolti applicativi e il risalto conferito ai problemi di realizzazione e a tutti gli aspetti pratici, il volume può essere validamente utilizzato negli Istituti Professionali e per i corsi di riqualificazione professionale e post-diploma. Gli Autori

9 COMPONENTI C1 Interfacce per trasferimento dati 1 COMPONENTI Nella sua accezione più generale la trasmissione dati si riferisce allo scambio diretto di informazioni in forma numerica fra sistemi di elaborazione, fra questi e i dispositivi terminali e anche fra elaboratori e sensori o attuatori di tipo analogico. Ovviamente in quest ultimo caso i segnali analogici devono subire una conversione A/D così come per i segnali provenienti dai sensori è necessaria una conversione D/A. Esempi di sistemi di trasmissione possono essere: il collegamento fra due personal computer o fra più elaboratori o fra un elaboratore centrale e un terminale remoto; la connessione fra un elaboratore e una stampante; il collegamento di un insieme di strumenti di misura a un unità di elaborazione in un sistema di misura automatico. In fig. 1.1 è illustrata schematicamente la struttura di un sistema di trasmissione dati. L informazione da trasferire viene applicata al sistema di comunicazione attraverso il terminale di ingresso (TX ); il circuito di interfaccia seguente ha il compito di convertire l informazione in una forma adeguata al canale di trasmissione. Una seconda interfaccia è di solito richiesta per convertire il segnale ricevuto in un informazione compatibile con le caratteristiche del terminale di uscita ( ). In particolare, la necessità sempre più spinta di trasferire informazioni fra apparecchiature digitali diverse, per esempio fra personal computer e circuiti periferici, ha determinato l esigenza di normalizzare le procedure e i metodi di interfacciamento definendo delle interfacce standard riconosciute e accettate dai Comitati internazionali e raccomandate dalle industrie del settore elettronico. La definizione di un interfaccia implica la determinazione di tutta una serie di caratteristiche, meccaniche (connettori, cavi), elettriche (livelli dei segnali, impedenze) e funzionali (codici, protocolli, temporizzazioni). I requisiti che devono essere ricercati in un interfaccia sono principalmente: la flessibilità, che consenta eventuali espansioni del sistema o modifiche del tipo di trasmissione; la compatibilità con altre interfacce; la velocità di trasferimento consentita; l affidabilità, sotto l aspetto sia del tasso di guasti prevedibile sia della qualità dei messaggi trasmessi. Fra i numerosi aspetti che caratterizzano la trasmissione di dati, si possono ricordare quelli riguardanti la modalità (unidirezionale o bidirezionale) con cui avviene la comu- Fig. 1.1 Sistema di trasmissione dati. Flusso dell informazione Terminale di ingresso Circuiti di interfaccia Canale di trasmissione Circuiti di interfaccia Terminale di uscita

10 2 C1 Interfacce per trasferimento dati Fig. 1.2 Modalità di trasmissione. TX TX TX Simplex Half-duplex Full-duplex a una via TX nicazione, il formato dei dati e la loro codifica, il tipo (sincrono o asincrono) del trasferimento, la velocità (bit/s) con cui vengono scambiati i dati, le tecniche adottate per il controllo degli errori, la tipologia del segnale elettrico (modulato o in banda base) che rappresenta i bit di informazione, il canale di trasmissione. Genericamente si distinguono le seguenti modalità di trasmissione (fig. 1.2): TX Simplex: la comunicazione tra il trasmettitore (TX ) e il ricevitore ( ) è unidirezionale su una sola linea Full-duplex a due vie (oltre eventualmente alla linea di riferimento di massa) ossia attraverso un unico canale di trasmissione. TX TX Half-duplex: la comunicazione può avvenire in un senso e nell altro, ma non contemporaneamente, utilizzando un solo canale di trasmissione. Full-duplex: è possibile inviare e ricevere dati simultaneamente usando due canali di trasmissione (a due vie) oppure un unico canale (a una via). In quest ultimo caso si devono adottare accorgimenti per distinguere e separare i dati in trasferimento nei due sensi; per esempio, si possono modulare i segnali allocando quelli in andata in un certo campo di frequenze e quelli in ritorno in un campo di frequenze diverso. Per quanto riguarda il formato dei dati binari, spesso codificati secondo il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange), si possono evidenziare due tipi di categorie di trasmissione: seriale, in cui l informazione viene inviata sul canale di trasmissione un bit alla volta con adeguata temporizzazione; parallela, in cui i bit dei dati, solitamente 8 o 16, vengono inviati contemporaneamente su altrettante linee. Interfacce seriali C1.1 La comunicazione seriale presenta importanti vantaggi perché consente di trasferire i dati utilizzando un numero ridotto di linee; in talune configurazioni, il canale di trasmissione si può ridurre anche a una sola linea, il che rende possibile inviare dati via radio o attraverso la linea telefonica. Tipi di trasmissione. Affinché il ricevitore possa correttamente interpretare il livello logico di ciascun bit, occorre che il trasmettitore comunichi qual è il primo bit di ciascun dato o carattere trasmesso e con quale cadenza si presenteranno i bit e i caratteri successivi. Il riconoscimento di un carattere può avvenire in due modi a seconda del tipo di trasmissione. Trasmissione asincrona. I caratteri, costituiti da 5, 6, 7 o 8 bit a seconda della scelta effettuata, vengono trasmessi con cadenza non necessariamente regolare. Durante i tempi di inattività, la linea è mantenuta in stato di riposo. Il trasmettitore, prima di inviare il

11 C1.1 Interfacce seriali 3 primo bit di ciascun carattere, deve portare la linea in stato di lavoro: questa commutazione costituisce il bit di START (fig. 1.3a). Il ricevitore, all arrivo del bit di START, si predispone alla ricezione del carattere attivando il suo clock interno, che deve avere una frequenza uguale a quella del trasmettitore; si noti che è sufficiente che il clock mantenga il sincronismo solo per la durata del carattere. Trasmesso l ultimo bit, il trasmettitore riporta la linea in stato di riposo e così la mantiene per un tempo pari almeno alla durata di uno o due bit (bit di STOP), a seconda della convenzione adottata. Dopo la segnalazione di STOP, se non vi sono altri caratteri da trasmettere, la linea rimane in stato di riposo, altrimenti viene emesso un nuovo bit di START e così di seguito. Si noti, in fig. 1.3a, la presenza di un bit di parità. L inserimento di questo bit, che è opzionale, costituisce una forma molto semplice e parziale di controllo degli errori: il bit di parità viene posto a 1 o a 0 per rendere pari (oppure dispari se si è scelta la convenzione di parità dispari) il numero dei bit a 1 presenti nel carattere e viene inviato insieme al carattere stesso. In ricezione, viene controllato il numero totale dei bit a 1 e, se questo risulta dispari (o pari) viene segnalato un errore di trasmissione. La trasmissione asincrona è conveniente quando l emissione dei caratteri è irregolare, per esempio nel caso di terminali a tastiera; lo svantaggio principale consiste nello scarso rendimento della trasmissione a causa dell aggiunta dei bit di START e STOP. Trasmissione sincrona. I caratteri che costituiscono un messaggio vengono trasmessi, dopo essere stati raggruppati in blocchi, con cadenza continua in sincronismo con un clock condiviso dal trasmettitore e dal ricevitore. Ciascun blocco di caratteri inizia con una serie di uno o più caratteri di sincronizzazione (SYN in fig. 1.3b) per permettere al ricevitore di sincronizzarsi o mettersi al passo con il trasmettitore. Al fine di mantenere un perfetto sincronismo tra il flusso dei bit in arrivo e il clock del ricevitore, quest ultimo viene di solito estratto direttamente dai dati in arrivo mediante un circuito ad aggancio di fase. Al termine del blocco, dopo un eventuale carattere di controllo degli errori, viene inviato un carattere che segnala la fine del blocco e la linea ritorna in stato di riposo. Con il sistema sincrono si ha una minore ridondanza, e quindi un migliore rendimento della trasmissione, a spese di una maggiore complessità circuitale. COMPONENTI Per realizzare la comunicazione seriale, sono state definite numerose interfacce, raccomandate dall associazione delle industrie elettroniche (EIA) e talvolta sostanzialmente recepite anche da organismi ufficiali internazionali. Fanno parte di questa categoria la classica RS-232 con l analoga RS-449, la più efficiente RS-485, la semplice I 2 C, la diffusissima USB, oltre all interfaccia a loop di corrente che può trovare ancora qualche applicazione. a START LSB Carattere Bit di parità MSB STOP START t Fig. 1.3 Struttura dei caratteri in sistemi di trasmissione a asincrona e b sincrona. b L M L M L S SB SB SB SB B SYN SYN 1 carattere 2 carattere 3 carattere t

12 4 C1 Interfacce per trasferimento dati RS-232 L interfaccia EIA RS-232 (Electronic Industries Association Recommended Standard) definisce le connessioni fra un dispositivo terminale DTE (data terminal equipment) e un dispositivo di comunicazione DCE (data communication equipment) destinato alla trasmissione di dati in formato seriale, con modalità di scambio sincrono o asincrono. Questa interfaccia, che è stata sostanzialmente accettata anche dal comitato internazionale ITU (International Telecommunication Union), è nata per il collegamento di apparecchiature remote attraverso la rete telefonica. Essa prevede quindi tutti i segnali e le linee di controllo necessari per la gestione della comunicazione attraverso modem in diverse configurazioni, fra cui simplex, half duplex, full duplex, sia su un unico canale trasmissivo, sia su un canale primario e uno secondario. Allo standard originale EIA RS-232-C definito nel 1969, sono seguite altre versioni fra cui l ultima, nota come EIA/TIA RS-232-E (TIA: Telecommunication Industry Association). In forme semplificate, l interfaccia RS-232 è largamente usata anche per il collegamento non remoto tra PC o tra PC e dispositivi periferici: in tal caso il modem è superfluo, il collegamento è diretto e molte delle linee previste dallo standard non sono presenti oppure vengono ignorate o tenute fisse a livello alto o basso (ponticellate). Connettore e linee. Lo standard RS-232, adatto per velocità di trasmissione fino a 20 kbit/s su distanze fino a circa 15 m, prevede per il collegamento elettrico un cavo con più linee e due connettori (maschio-femmina) a 25 contatti (DB25, fig. 1.4a). Ciascuna linea costituisce un circuito di interfaccia dedicato a una ben precisa funzione ovvero al trasferimento di un segnale dal DTE al DCE o viceversa. La tab. 1.1 elenca le linee previste dallo standard RS-232 originale; per ciascuna linea sono indicati la sigla identificativa (AA, AB ), il relativo pin del connettore a 25 contatti e il verso (dal DTE al DCE o viceversa). Le colonne Configurazioni precisano quali circuiti devono essere implementati nelle diverse configurazioni del sistema di comunicazione affinché possa essere applicato il protocollo previsto. In molte applicazioni l interfaccia RS-232 è usata in forma semplificata e molte linee non vengono sfruttate. Il connettore a 25 pin è quindi spesso sostituito dal connettore a 9 contatti (DB9S) illustrato in fig. 1.4b e solitamente disponibile sui personal computer e sui dispositivi periferici come porta seriale; le due colonne a destra di tab. 1.1 riportano, per le linee utilizzate, le sigle identificative abbreviate e la numerazione dei contatti del connettore a 9 pin. Fig. 1.4 Connettori RS-232 a 25 contatti e a 9 contatti. Collegamento Null Modem. Particolarmente interessante e utile è l uso dell interfaccia seriale per effettuare trasferimenti di dati fra due apparecchiature DTE, in particolare due personal computer. Occorre in questo caso «incrociare» le linee di trasmissione e ricezione AA BA BB CA CB CC AB CF SCF SCB CD D TXD DTR GND SBA DB SBB DD SCA CD CG CE CH CI DA DSR RTS CTS RI a (Vista frontale) b (Vista frontale)