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AREA PROGETTO: GARDEN OF THINGS

A.S. 201472015 5B TPS

STUDENTI: Bentivegni, Crudeli, Spighi, Zucchini

GESTIONE SCHEDA TRAMITE PLC

Dobbiamo gestire tramite PLC un circuito stampato costituito da 3 circuiti dicondizionamento di 3 diversi sensori (umidità/luce/temperatura).Abbiamo a disposizione un Siemens 1200 base, per cui possediamo solo 2ingressi analogici, dovendo acquisire 3 segnali, abbiamo utilizzato l'ingressoanalogico IW64 dedicato al segnale di luce (soggetto a rapide variazioni) e glialtri 2 segnali verranno acquisiti dallo stesso ingresso IW66 tramite unatemporizzazione svolta a livello software dal PLC all'integratoCD4066(interruttore analogico), cosi facendo nell'ingresso IW66 si avrannoalternativamente il segnale di umidità e di temperatura.

Tramite il primo timer (TON1) si ha un ritardo di 5s( temporizzazione disimulazione), in cui è attiva solamente l'uscita Q0.1 poiché negata (perciòall'ingresso analogico IW66 si avrà il segnale di temperatura, comeevidenziato dal tag dell'uscita).Dopo il ritardo, si attiva l'uscita Q0.0 riferita al segnale di umidità, si disattivaQ0.1 e parte un nuovo ritardo di 5s, stabilito dal secondo timer(TON2) chetramite la memoria M0.0 disattiverà il primo timer, facendo riprendere il ciclo


A.S. 201472015 5B TPS






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della temporizzazione di comando dell'interruttore analogico. Latemporizzazione reale, ovviamente sarà maggiore, infatti ipotizziamoun'alternanza dei segnali ogni minuto, affinché ci sia un aggiornamento dellostato del segnale un numero ridotto di volte per alleggerire, così, la raccolta ela gestione dei dati, compito riservato ad una altro gruppo di lavoro. Inoltre levariazioni delle grandezze fisiche avvengono lentamente e l'eccessivoaggiornamento continuo dello stato risulterebbe inutile.

I segnali analogici devono essere sottoposti ad una procedura standard:devono essere normalizzati (blocco NORM_X) e portati in scala (bloccoSCALE_X).Nel blocco NORM_X dobbiamo impostare il numero di quanti, per fare ciò ciserviamo della formula della risoluzione 0.36 mV/quanto, ricavato sapendoche Risoluzione = Tensione/Quanti e che la V MAX = 10V e il valore massimodi quanti = 27648 per la versione di PLC adottata. Dal collaudo dei circuiti dicondizionamento acquisiamo le variazioni di tensione e con le formule soprariportate stabiliamo il numero di quanti per il valore min e il valore MAX,ottenendo dal programma la massima sensibilità alle variazioni.Infine con il blocco SCALE_X riportiamo i valori in scala con i valori limitestabiliti nella progettazione del sistema.

Il segnale di luminosità, come già detto, ha un ingresso analogico dedicato inquanto le sue variazioni sono più veloci rispetto alle altre 2. Dal collaudo delcircuito del sensore di luminosità (fotoresistenza) abbiamo ricavato i seguentidati:Luxmin= 20Lux 0,18 V Luxmax=5500Lux 10V

Abbiamo stabilito i valori limite nell'ambiente in cui agisce il nostro sensore eabbiamo riscontrato i corrispondenti valori di tensione dal collaudo.

Con la formula precedente abbiamo ricavato il valore dei quanti perottimizzare la sensibilità. Abbiamo inserito, inoltre, un blocco che esegue illogaritmo naturale perché i valori del segnale si presentino linearizzati inscala logaritmica.











In questo caso avremo nella memoria MD104 dei valori compresi tra 3 e 8.6

La gestione del segnale di umidità avviene con la temporizzazione visionatanel primo ramo di programma.Quando il contatto Q0.0 è attivo l'interruttore analogico porta all'ingressoIW66 il segnale in uscita dal circuito di condizionamento del sensore diumidità (Honeywell 4000) e viene elaborato dai blocchi NORM_X e SCALE_X. Con il collaudo del circuito abbiamo ricavato i seguenti dati:Rh min = 20% → 2.74V Rh MAX = 100% → 7.54VCon la formula precedente abbiamo ricavato il valore dei quanti perottimizzare la sensibilità.

Quando, invece, il contatto Q0.1 é attivo l'interruttore analogico portaall'ingresso IW66 il segnale in uscita dal circuito di condizionamento delsensore di temperatura (AD590) e viene gestito nello stesso modo mostratoprecedentemente.Con il collaudo del circuito abbiamo ricavato i seguenti dati:Tmin = 0°C → 0V TMAX = 50°C → 10VEssendo i valori delle tensioni 0V e 10V abbiamo usato i valori limite deiquanti che sono, come già detto, 0 e 27648.

il valore dei segnali viene registrato in delle memorie ( es. MD120), memoriedi tipo Word, cioè formate da 4 byte, ovvero da 32 bit, ed è per questo che ilnumero della memoria è sempre un multiplo di 4.Oltre all'acquisizione, potremmo, grazie ai blocchi di comparazione,

impostare delle soglie di umidità, di luminosità e di temperatura che sesuperate abiliteranno delle uscite, le quali attiveranno degli attuatori perregolare i diversi parametri del nostro ambiente (es. se vogliamo che nelnostro ambiente si accenda la caldaia quando la temperatura è inferiore ai10°C o attivare gli irrigatori quando il livello di umidità è inferiore al 50%)

SENSORE DI LUMINOSITA'

CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO:

COMPONENTI: Fotoresistenza (FTR) - È un particolare tipo di resistenza variabile, il cui

valore varia in base all'intensità luminosa. In particolare un aumento dellaluminosità produce una diminuzione del valore della FTR.

Resistenza ( R ) - È la resistenza del partitore la cui caduta di tensionerappresenta la tensione in ingresso all' LM741.

LM741 - È un OP-AMP (amplificatore operazionale) che funziona dainseguitore di tensione ovvero la tensione in ingresso al suo piedino noninvertente (+) non è amplificata, e perciò la tensione d'uscita risulta ugualea quella in ingresso. Questa applicazione dell'LM741 permette di avere inuscita un'amplificazione di corrente (e perciò anche di potenza), masoprattutto permette di disaccoppiare il carico rispetto al resto del circuito.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO:

Il circuito è realizzato con il semplice principio del partitore di tensione, in



















modo che una variazione della luminosità produca a sua volta una variazionedella tensione in ingresso all'inseguitore e una conseguente variazione dellatensione in uscita. Per esempio se la luminosità aumenta, il valore della FTRdiminuisce, ed essendo un partitore di tensione, questa diminuzione siripercuote con un aumento della caduta di tensione sulla resistenza R. Inquesto modo aumentando la tensione all'ingresso non invertente dell' LM741,che funziona da inseguitore di tensione e quindi disaccoppia il carico (PLC)dal circuito , l'uscita assume un valore uguale al segnale di ingresso. Infatti:

Esempio:

STUDIO DEL CIRCUITO:Per comprendere il funzionamento del circuito, abbiamo rilevato i valori ditensione in uscita al circuito in relazione alle variazioni di luminosità,attraverso il Luxometro(*), e abbiamo realizzato un grafico che evidenzial'andamento logaritmico naturale (perchè nella programmazione del PLC èpossibile inserire solamente il blocco del logaritmo naturale) delle variazioni diluce rispetto alle variazioni della tensione di uscita. Tuttavia abbiamolinearizzato il grafico in modo da comprendere meglio il funzionamento delcircuito.


Esempio:



Esempio:


(*)Per effettuare la misura, rilevando i valori di tensione in uscita al nostrocircuito in relazione a quelli di luminosità, abbiamo utilizzato il luxometro. Illuxmetro è lo strumento di misura della luminosità. È composto da una partefissa e una mobile che contiene il sensore vero e proprio costituitogeneralmente da un trasduttore (cella fotovoltaica o altre celle fotoelettriche).Quest' ultimo sotto l'effetto dell'energia luminosa reagisce provocando unacorrente elettrica (effetto fotoelettrico) che viene rilevata da un galvanometro,un dispositivo che traduce la corrente elettrica in un momento magnetico, lacui scala è tarata in lux.Il luxmetro viene utilizzato per la verifica dei livelli di illuminamento degliambienti e sui luoghi di lavoro.



SENSORE DI TEMPERATURA

Lo schema elettrico rappresentato è stato usato da noi per l’acquisizionedella temperatura all’interno di una serra.Il circuito rappresentato è un trasduttore di temperatura, esso viene utilizzatoper convertire una temperatura in ingresso con una tensione in uscita, perfare ciò viene utilizzato un sensore: L' AD590.Esso è realizzato in materiale semiconduttore e produce una tensioneproporzionale alla temperatura (espressa in kelvin).Questo dispositivo a due terminali, viene usato per tensioni di alimentazionecompresi tra 4 e 30V e genera una corrente di 1 uA/K.L’AD590 viene largamente impiegato anche per misure che superano i -150°C.

Oltre le semplici misure di temperatura l’AD590 viene anche impiegato per lacompensazione di temperatura, correzione di componenti discreti,polarizzazione proporzionale allatemperatura assoluta, rilevamento diliquidi e nell’anemometria.

Con questo trasduttore normalmente avremmo questa relazione tra tensionee temperatura:

0°C(273K) = 2,73 V ; 20°C(293K) =2,93 V ;

Queste tensioni si ottengono dal AD590 attraverso la seguente relazione:I=1*T[uA]. T è espresso in Kelvin quindi: I= 1*273uA=273uA.La tensione che entra nel morsetto + del differenziale è 2,73 V e si ricava dalprodotto tra la corrente trovata e le resistenze poste sotto l'AD590 che sonorispettivamente uguali a (8,2k e 2 Kohm), approssimabili in totale a 10kohm.Quindi V+=10kohm*273uA

Bisogna quindi eliminare l’offset offset, per questo motivo nel nostro circuitoabbiamo un amplificatore differenziale ad alimentazione singola che haappunto la funzione di avere a 0° C 0 V.


Con Av (R2/R1)=20 e Vo=0 Vo=Vi(1+R2/R1)-V2*R2/R1 Vi(R1+R2/R1)=Vr(R2/R1)Vr=Vi(1+R1/R2)=2,73(1+1/20)= 2,886 VAbbiamo ricavato attraverso le caratteristiche del differenziale,dalla Vo,la Vrche è la tensione che va dal morsetto – e annulla l’offset (2.89 V).

SENSORE DI UMIDITA’

La serie HIH-4000 Honeywell fornisce strumentazione di qualità delleprestazioni di rilevamento dell'umidità relativa ad un prezzo competitivo. Ilsensore in questione è costituito da polimeri termoindurenti tagliati a laser,elementi sensibili capacitivi con condizionamento del segnale integrato. Lacostruzione multistrato dell'elemento sensibile offre un'ottima resistenza allamaggior parte dei rischi di applicazione come il bagnato, la polvere, lo sporco,oli e prodotti chimici ambientali più comuni.

CARATTERISTCHE Tempo di risposta rapido Chimicamente resistente Range RH: 0% - 100% Precisione RH: 3.5% Package: SIP 3 Tipo di uscita: Analogica Tensione MAX alimentazione: 5.8 [V] Tensione MIN alimentazione: 4 [V] Corrente alimentazione: 200 μA Temperatura MAX lavoro: +85 [°C] Temperatura MIN lavoro: -40 [°C]

POTENZIALI APPLICAZIONI Impianti di refrigerazione Equipaggiamento HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) Attrezzature mediche Essiccazione Metrologia


Questo è lo schema elettrico del circuito di condizionamento del sensore diumidità usato , esso fornisce un segnale in uscita proporzionale all’umiditàrelativa. Con un carico da 100KΩ si ottiene una tensione di 1,37V per RH20% e 3,77V per RH 100%. L’amplificatore in configurazione non invertenteisola il sensore e amplifica di 2 volte il segnale, per cui in uscita troviamo unatensione che varia da 2,74V a 7,54V. Non si è proceduto ad eliminare latensione di offset in quanto tale operazione si esegue via software con ilPLC. Il segnale di uscita viene multiplexato insieme al segnale di temperaturaprima di applicarlo all’ingresso analogico del PLC che accetta all’ingressosegnali con Vmax=10V.Nota il sensore viene alimentato a 5V come da specifiche, mentrel’operazionale è alimentato con tensione singola 12V-GND ottenuti on-boardda un LM7812.

Questo sensore capacitivo è costituito da un polimero sensibile all'umidità suun supporto vetroso, che giace tra due strati metallici. L'assorbimento diacqua da parte del polimero fa variare la sua costante dielettrica e quindi lacapacità del condensatore, essa risulta quindi proporzionale alla umidità,senza alcuna dipendenza dalla pressione atmosferica (costituendo in talmodo un condensatore con il polimero come dielettrico).In generale per isensori di capacità vale la seguente formula: C= ε S/d La capacitàcambia a seconda del dielettrico, cambia anche a seconda della superficiedelle armature del sensore(S) e della distanza tra le armature(d).Vantaggi dei sensori capacitivi sono anche: nessuna manutenzione e

possibilità di misure sotto 0°C.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO SENSOREIl sensore di umidità è costituito da un trasduttore a polimeri igroscopici.Queste sostanze modificano la costante dielettrica in funzione delle variazionidella pressione parzialedi vapore d’acqua contenuto nell’ambiente e, quindi, delle variazioni diumidità relativa.L’elemento trasduttore fa parte di un circuito elettronico che in uscita fornisceun segnaleproporzionale all’umidità relativa.Il corpo del trasduttore è inserito all’interno di un contenitore cilindrico in cui lacircolazione dell’aria è garantita da opportune aperture; tale struttura è ingrado di proteggere efficacemente il trasduttore dalla polvere, gocce d’acquae altri agenti esterni.

GRAFICI FUNZIONAMENTO:

In questo grafico sono rappresentate le zone in cui lavora il sensore, notiamocome il sensore possa sempre raggiungere il suo massimo valore solo aduna temperatura compresa tra 0 e 50°C.La parte “rigata” indica le zone che il sensore non può raggiungere a causadella bassa o elevata temperatura, vediamo come ci siano problemi quandosi ha una temperatura <0 e >50°C.





Questo grafico rappresenta le temperature a cui possono essere stoccati isensori di umidità, vediamo come si iniziano ad aver problemi per ilstoccaggio a partire da una temperatura a partire dai 50°C.

Questo grafico rappresenta la tensione di uscita in relazione dell’umidità





relativa, possiamo infatti vedere come la tensione di uscita si avvicini moltoalla linearità che sarebbe la situazione ideale per il sensore.

Questo schema rappresenta invece il funzionamento della tensione d’uscitaavendo una tensione di 5V con una temperatura di 0 e 70°C, si può notarecome la tensione sia più lineare a 0°C.

DIMENSIONI:



DIMENSIONI:



DIMENSIONI:

TIPICA APPLICAZIONE:TIPICA APPLICAZIONE:TIPICA APPLICAZIONE:

CD4066B(AMUX)

Il CD4066B è un multiplexer per segnali analogici/digitali, cioè un dispositivocapace di selezionare un singolo segnale elettrico fra diversi segnali iningresso in base al valore degli ingressi di selezione.Nel nostro circuito ha quindi il compito di selezionare uno alla volta i segnaliprovenienti dai trasduttori di temperatura e umidità in modo da farli arrivaread uno dei 2 ingressi analogici del PLC( Siemens Simatic S7-1200); questiultimi sono il motivo principale per cui viene utilizzato un AMUX,considerando i 3 segnali da controllare e, appunto, i soli 2 ingressi analogici adisposizione.L'uscita del multiplexer sarà collegata con AI1.Gli ingressi di selezione S0 e S1 sono comandati dal PLC, che determinerà itempi di commutazione da un segnale all'altro; si tratta di tempi abbastanzalunghi, ossia di qualche minuto, non ci sono esigenze di velocità dicommutazione visto che è difficile che segnali di temperatura e umiditàsubiscano brusche variazioni in breve tempo.Contrario è invece il comportamento del segnale di luminosità, che infattisceglie un percorso diverso.Infatti, il segnale proveniente dal trasduttore di luminosità raggiungeràdirettamente il PLC, attraverso l'ingresso analogico AI0, senza passare dall'AMUX.

Sopra è rappresenta la piedinatura dell'integrato.Si notano i 4 interruttori bilaterali (pin 1-2/3-4/8-9/10-11) ed i 4 segnali diselezione (pin 5-6-12-13), mentre i pin 14 e 7 verranno rispettivamentecollegati a +Vcc (+12V) e a massa.Nel circuito utilizzeremo ovviamente solo due interruttori bilaterali, ossia i pin1-2/3-4 sui quali corrisponderanno rispettivamente i segnali di temperatura eumidità.Di conseguenza verranno utilizzati solo due dei segnali di selezione che, dacome evidenziato dalla figura, risulteranno i pin 5/13 (sono comandati a +12V) .



Il principio di funzionamento si può quindi riassumere nella seguentemaniera: quando il pin 13 sarà a 1 ed il 5 a 0, verrà selezionato il segnale ditemperatura; quando, alternativamente, il pin 5 sarà a 1 ed il 13 a 0, verràselezionato il segnale di umidità.Entrambi le uscite sono collegate ad una resistenza da 10KΩ, perché ci saràsempre e solo una uscita attiva, la cui caduta Vo corrisponderà alla tensionesull’ingresso AI1 del PLC.Ricordo che la VoMAX potrà essere non più di 10 V, considerando che il valoremassimo che si può dare in ingresso al PLC è, appunto, 10 V.

AMPLIFICATORI RAIL TO RAIL

L'amplificatore Rail to rail è un particolare tipo di amplificatore operazionaleche abbiamo utilizzato in tutti e 3 i circuiti di condizionamento per la suacaratteristica di riuscire a fornire in uscita (circa) le tensioni delle sue 2alimentazioni, ovvero con attenuazioni trascurabili. La piedinatura di questoamplificatore è la stessa del 741 a differenza del pin 8 che implementa loshutdown mode.





REALIZZAZIONE DEI MASTER

Abbiamo deciso di separare l'intero circuito in 2 stampati e di posizionarneuno sopra l'altro tramite 4 distanziatori. Il circuito sottostante è quella chegestisce il segnale di luminosità e l'AMUX, mentre il circuito nella parte sopragestisce i segnali di temperatura e di umidità.

1) Circuito Fotoresistenza + AMUX

Lo schema elettrico di questa parte del circuito è:









Questo è il master del circuito “fotoresistenza + AMUX”:

Che ha la seguente visione tridimensionale:





I componenti utilizzati sono quelli elencati nella seguente net list:I componenti utilizzati sono quelli elencati nella seguente net list:I componenti utilizzati sono quelli elencati nella seguente net list:

2) Circuito AD590 + Honeywell 4000

Lo schema circuitale dell'altra parte del circuito è:





Il master di questo circuito è:

Questa è la sua visione tridimensionale:





Ed infine questa è la sua lista componenti:Ed infine questa è la sua lista componenti:Ed infine questa è la sua lista componenti:

ASPETTO FINALE

Ecco come si presenta il prodotto al termine della sua realizzazione:

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