Tesina Esame di Stato 2015 Lorenzo Zucchini, classe 5 a B Cesena, Giugno 2015 Il seguente lavoro si propone di analizzare il circuito realizzato per il progetto Garden of Things, articolazione Garibaldi, illustrando le tecniche di progettazione, i metodi e i passaggi che hanno contribuito significativamente al completamento del sistema. L analisi si servirà di elementi teorici delle materie elettronica, T.P.S. e sistemi. Obiettivo del progetto e funzionamento generale Lo scopo del prodotto è automatizzare il rilevamento di tre valori ambientali all interno di una serra, e inviare i dati a un PLC Siemens S7-1200. I valori di luminosità, temperatura e umidità relativa vengono acquisiti, condizionati dalle due schede e inviati al PLC per la lettura. La parte informatica, sviluppata dalle classi dell indirizzo informatico, si occupa di interagire tramite un ponte radio al computer e al database online. 1
Analisi dei trasduttori e caratteristiche Fotoresistenza Il trasduttore scelto per l acquisizione dei valori di luminosità è una comune fotoresistenza, di facile reperibilità, basso costo ma precisione sufficiente. La caratteristica in uscita non è lineare, bensì logaritmica; a livello di condizionamento hardware ciò non costituisce un problema, la curva sarà rettificata via software dal PLC. La variazione di resistenza è inversamente proporzionale a quella di luminosità. Al buio la resistenza è nell ordine dei MΩ, mentre alla massima esposizione scende a 100-200Ω. AD590 Il traduttore AD590 è largamente conosciuto e utilizzato per rilevazioni domestiche che non richiedano un range di temperature particolarmente ampio. Idealmente, si tratta di un generatore di corrente che fornisce 1μA/K. La caratteristica è fortemente lineare, e l errore di rilevazione è minimo, nell ordine dei decimi di grado. Il sensore fornisce 298,2μA a 25 C, mentre il range si estende da -55 a 150 C. Honeywell HIH-4000 Il sensore capacitivo HIH-4000 è in grado di assicurare una rilevazione precisa e una semplicità d uso elevata. La tensione di alimentazione a +5V permette una risposta proporzionale e lineare, che va da circa 0,75 a 3,9V. 2
Circuiti di condizionamento e dimensionamento Condizionamento LDR La fotoresistenza è inserita in un partitore di tensione il quale, all ingresso di U2, fornisce una tensione proporzionale alla luminosità. Infatti, più la luminosità rilevata è alta più la resistenza è piccola, creando una minore caduta di tensione su LDR. La tensione in ingresso segue la formula L amplificatore di tipo Rail-to-rail è in configurazione buffer non invertente, il segnale trasmesso direttamente all ingresso A0.0 del dispositivo programmabile, per poi essere elaborato via software. Dal collaudo abbiamo rilevato che: LUXmin 20 Lux 0,18V LUXmax 5500Lux 10V 3
Condizionamento C Il sensore, come spiegato precedentemente, fornisce una corrente proporzionale alla temperatura espressa in kelvin. Ciò significa che a 0 C è capace di fornire una corrente pari a 2,73μA. L op-amp tuttavia amplifica tensioni, perciò usando opportunamente le resistenze collegate al piedino V- del trasduttore dobbiamo ottenere una tensione. Sappiamo che la relazione temperatura/corrente è, e la legge di Ohm sull ingresso V+ vale. Infatti, dimensionando la serie a 10kΩ si ottiene. Grazie alle resistenze la tensione in ingresso è nell ordine dei volt, nel campo di variazione accettato dall amplificatore. Tuttavia, a 0 C la tensione è 2,73V; è presente un offset dovuto al rilevamento dell AD590, tarato sui gradi Kelvin e non Celsius. L eliminazione dell offset è affidata all op-amp in configurazione differenziale. Al piedino V- si applica una tensione pari all offset, che viene sottratta alla tensione in ingresso regolando così la misurazione a 0 C=0V. Tmin 0 C 0V Tmax 50 C 10V 4
Condizionamento RH Il sensore capacitivo di umidità è l unico elemento alimentato a 5V, il che ha richiesto l inserimento di un LM7805 nel circuito. Il sensore, già provvisto di un circuito di condizionamento interno, varia la sua capacità proporzionalmente alla umidità rilevata. E stato sufficiente amplificarlo di 2 volte con un op-amp in configurazione non invertente a guadagno A v =2. E presente un offset, poichè con umidità del 20% la V out è 2,74, mentre con umidità del 100% la tensione sale a 7,54. La regolazione dell offset in questo caso avviene tramite il PLC via software; infatti, a differenza del AD590, la tensione in ingresso non può in nessun caso scendere a un valore minore a 0, causando un errore di lettura del sensore. RHmin 20% 2,74V RHmax 100% 7,54V 5
Multiplexing dei segnali analogici I segnali di temperatura e umidità vengono multiplexati dall integrato CD4066B, un AMUX in grado di gestire fino a 4 segnali. Questo processo è necessario a causa del numero di entrate analogiche del PLC, pari a 2, inferiore al numero di segnali che interessano il progetto. Il multiplexing viene gestito tramite le uscite Q0.0 e Q0.1 del PLC, che alternano una tensione di comando degli switch interni al AMUX, scegliendo un segnale alla volta. Uno dei vantaggi di questo procedimento è quello di poter regolare la frequenza di lettura dei segnali, e il tempo di lettura. La frequenza di lettura non costituisce un problema, infatti entrambi i segnali difficilmente variano significativamente nell arco di qualche minuto. Il sensore di luminosità al contrario è collegato in modo diretto, per gestire meglio gli attuatori di oscuramento/illuminazione all alba e al tramonto, oppure in caso di tempo nuvoloso. L integrato è alimentato a 12V/GND, utilizza perciò l alimentazione proveniente dal LM7812 presente nella stessa scheda. 6
Lista componenti e assegnazione impronte Scheda 1, LDR+AMUX Nella prima scheda sono presenti: 7 connettori al PLC, 2 alla fotoresistenza, 4 alla 2 a scheda Integrato stabilizzatore di tensione LM7812 AMUX CD4066B Op-Amp R.t.R. 2 resistori (10k e 12k) 2 condensatori in poliestere (10nF) Ai connettori sono state assegnate le impronte standard BORNIER, alle resistenze R3 per far corrispondere la distanza dei pin con quella reale, ai condensatori C2, al LM7812 l impronta TO-220V, mentre agli integrati Dual In Parallel le impronte DIP. 7
Scheda 2, RH+ C Nella seconda scheda sono presenti: 4 connettori alla 1 a scheda, 6 ai sensori AD590 e HIH4000 Integrato stabilizzatore di tensione LM7805 2 Op-Amp R.t.R. 3 trimmer (20k) 2 condensatori in poliestere (10nF) 7 resistori L assegnazione delle impronte della seconda scheda vede le stesse associazioni della prima, tranne per i trimmer, i quali non avendo un impronta di default nelle librerie di KiCad, sono stati creati ad hoc durante l esecuzione del PCB. 8
Schema concettuale costruttivo delle schede Il circuito è stato diviso e costruito su due schede, disposte in asse verticalmente, una sopra l altra. Il fissaggio è assicurato da 4 distanziali metallici esagonali, imbullonati ai fori, anch essi ovviamente disposti in asse e previsti già nel corso dell elaborazione del PCB. Questa soluzione permette vari vantaggi, fra i quali: minore spazio occupato dal sistema semplicità costruttiva e concettuale intercambiabilità di eventuali componenti danneggiati PCB a singola faccia anzichè a doppia faccia suddivisione logica dei circuiti Al fine di rendere reale il vantaggio in semplicità e chiarezza, è stato necessario rendere più simmetrici possibili i due PCB. I connettori sono stati montati in asse, specialmente quelli che permettono la connessione intercircuitale (RH e C), e sono stati disposti in modo da evitare intrecciamento di fili. Come si può notare dallo schema l ordine delle connessioni è elevato, i connettori sono suddivisi in base alla destinazione dei fili. 9
Realizzazione circuito stampato Scheda 1, LDR+AMUX 10
Scheda 2, RH+ C 11
Completamento progetto e considerazioni finali Il progetto, dopo la saldatura dei componenti e il montaggio, si presenta in tal modo: 12
Come si nota le due schede impilate verticalmente permettono di risparmiare spazio nella scatola di montaggio, e l insieme risulta semplice e di chiara comprensione. Ovviamente la scheda 2, quella provvista di trimmer per la regolazione dei condizionamenti, è stata inserita sopra in modo da permettere una manutenzione immediata senza intervenire in altro modo. Il 7812 ha avuto bisogno di un aletta di raffreddamento, poichè come carico vede tutto il sistema e anche l alimentazione delle uscite del PLC. Il vantaggio di usare più amplificatori singoli anzichè un solo integrato contenente più amplificatori consiste nell intercambiabilità maggiore in caso di rottura, con costi minori, senza dover sostituire tutti il gruppo amplificatore; inoltre lo schema ha tratto vantaggio in fase di sbroglio, avendo 3 piccoli integrati separati anzichè un solo integrato con numerosi pin (vedi LM348). I due singoli stampati sono illustrati nella foto a seguire; da notare l effettiva somiglianza dei due circuiti, entrambi forniti dello stabilizzatore di tensione, degli operazionali, e dei connettori come da progetto. I fori di montaggio sono stati realizzati prima dell inserimento dei componenti, appena dopo lo stampaggio del PCB. 13