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Tesina Esame di Stato 2015 Lorenzo Zucchini, classe 5

aB

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.

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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.

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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

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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

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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 Av=2. E’ presente un offset, poichè con umidità del 20% la Vout 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

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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.

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Lista componenti e assegnazione impronte

Scheda 1, LDR+AMUX

Nella prima scheda sono presenti:

○ 7 connettori al PLC, 2 alla fotoresistenza, 4 alla 2a 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”.

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Scheda 2, RH+°C

Nella seconda scheda sono presenti:

○ 4 connettori alla 1a 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.

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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.

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Realizzazione circuito stampato

Scheda 1, LDR+AMUX

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Scheda 2, RH+°C

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Completamento progetto e considerazioni finali Il progetto, dopo la saldatura dei componenti e il montaggio, si presenta in tal

modo:

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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.