Sistem Electronic cu Microcontroler Pentru Comanda Statiilor de Sortare

Politehnica

Sistem Electronic cu Microcontroler Pentru Comanda Statiilor de Sortare

Byadmin ianuarie 1, 2024

Sistem electronic cu microcontroler pentru comanda stațiilor de sortare

Cuprins

cuprins

INTRODUCERE

CAPITOLUL 1.

DESCRIEREA INSTALATIEI DE SORTARE AGREGATE PENTRU CONSTRUCTII

cAPITOLUL 2.

mICROCONTROLERE

2.1. ARHITECTURA MICROCONTROLERELOR

2.2. UNITATEA DE MEMORIE

2.3. UNITATEA CENTRALA DE PROCESARE

2.4. UNITATEA DE INTRARE-IESIRE

2.5. COMUNICATIA SERIALA

2.6. UNITATEA DE TIMP

2.7. WATCHDOG-UL

2.8. CONVERTORUL ANALOG-DIGITAL

2.9. PROGRAMAREA MICROCONTROLERULUI

CAPITOLUL 3. sENZORI

CAPITOLUL 4. mOTOARE PENTRU SISTEME DE ACTIONARE

4.1. NOTIUNI, FORME DE ENEGIE, CLASIFICARE

4.2. SISTEME DE ACTIONARE

4.2.1. CLASIFICARE

4.2.2. AVANTAJELE ACTIONARII ELECTRICE

4.2.3. DEZAVANTAJELE ACTIONARII ELECTRICE

4.3. CLASIFICARE MOTOARE

4.3.1. MOTORUL DE CURENT CONTINU

4.3.2. COMANDA MOTOARELOR DE CURENT CONTINU

4.3.3. MOTORUL PAS CU PAS

CAPITOLUL 5. REALIZARE PRACTICĂ, TESTARE, CONCLUZII

5.9. CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

ANEXE

Introducere

În această lucrare de licență am ales să prezint modul de funcționare al unei statii de sortare, comandata cu ajutorul unui microcontroler ATmega328. Am proiectat un astfel de sistem, iar pentru prezentare am ales un model în miniatură, costurile pentru ceva profesional fiind prea mari. Am ales această temă de licență deoarece mi s-a părut interesantă și totodată foarte actuală. Mai mult de atâta, în industrie un inginer adevărat trebuie să știe din toate câte puțin, cum ar fi în cazul meu de exemplu, informatică (programare), electronică și puțină automatizare. Este foarte greu în ziua de azi să practici doar electronică curată. Tehnologia avansează și totodata cu ea ar trebui să avansăm și noi. Consider că tema este destul de actuală, adică în urmă cu ceva ani în România nu prea știa lumea despre aceste sisteme automate de prelucrare, care se pot baza pe un microcontroler, sau tehnologia nu era așa dezvoltată în România deoarece nu erau banii necesari. Nici sistemele electronice programabile (cu microcontroler), de orice natură, nu erau așa dezvoltate ca și astăzi, iar limbajele de programare erau greu de înțeles și de pus în practică, pe când astăzi comanzi un microcontroler de unde vrei, și poți face cu el o mulțime de aplicații utile, utilizând diferite limbaje de programare. Revenind în prezent, aceste sisteme electronice cu microcontroler pentru comanda statiilor de sortare sunt utilizate tot mai mult. În lucrarea de față am încercat să construiesc o macheta a unui astfel de sistem. După cum spuneam tot sistemul este condus de un singur microcontroler, care va fi prezentat în următoarele capitole. Pentru ca sistemul să fie cu adevărat automat, am construit mașina în așa fel încât ea citește, cu ajutorul unor senzori, chiar si starea benziilor de transport, daca ele merg cu adevarat sau nu. Toate operațile prezente în această lucrare cum ar fi, alegerea microcontrolerului, sistemul de transport al benzilor, senzorii pentru detectarea nivelului de incarcare al silozurilor cu margaritar, senzorii hall pentru monitoizarea benzilor, au fost realizate cu costuri minime, din simplu motiv că, în primul rând ,clientul din ziua de azi întreabă prima dată de preț, iar în al doilea rând este doar o lucrare de licență, trebuie să vă conving că sistemul funcționează. Un sistem bine proiectat de la început, vorbesc de partea de electronică și cea de programare, trebuie să funcționeze și pe un sistem mecanic ieftin, de laborator, și pe un sistem profesional utilizat în producție. Motoarele utilizate de mine sunt motoare de current continuu comandate cu semnal PWM. Partea de putere, care acționează motoarele conform informației primite de la microcontroler, este realizată cu tranzistori bipolari NPN care au un curent de colector continuu de 2A, iar curentul maxim in collector este 6A. Deci modulul electronic, împreună cu partea de programare, poate fi montat pe o mașină cu motoare mult mai mari decât cele utilizate de mine.

Capitolul 1.

Descrierea Instalatiei de sortare agregate pentru constructii

Capitolul 2.

Microcontrolere – Noțiuni Generale

Putem discuta astăzi despre microcontrolere datorită dezvoltării “puternice” a tehnologiei. Această dezvoltare a făcut posibilă înmagazinarea a mii de tranzistoare într-un singur cip. Acesta a fost un început pentru producția de microprocesoare. Deci în concluzie primele calculatoare au fost făcute prin adăugarea perifericelor ca memorii, porturi de intrare și porturi de ieșire, pentru comunicația cu exteriorul, unități de timp, diferite adaptoare și altele. Pasul următor a dus la proiectarea și realizarea microcontrolerelor ca „circuite integrate”. Aceste microcontrolere conțin atât procesorul cât și perifericele. Acesta putem spune că este cel mai mare avantaj al lor în comparație cu microprocesoarele sau procesoarele. [6].

În continuare voi prezenta pe scurt structura generală a unui microcontroler. Microcontrolerul este proiectat în așa fel în cât el are inclus în cip memoria, componente pentru primirea și trimiterea de date, convertor analog-digital, porturi de comunicație cu exteriorul și altele, după cum am amintit și mai sus. Nu sunt necesare alte componente externe pentru funcționarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt deja incluse în el. Astfel, economisim timp și spațiu. O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse, care-i permit interacțiunea, sau comunicarea, cu mediul exterior. [8].

1.1 Arhitectura microcontrolerelor

-Unitatea centrală de procesare (CPU), registre și fanioane;
-Interfața externă;
-Circuitul de reset;
-Semnal de tact: frecvența și performanța, prescalare, circuit cu calare pe faza (PLL);
-Memoria microcontrolerelor (RAM, ROM). Aspecte referitoare la stivă;
-Intrări / Ieșiri digitale. Nivelul fizic și nivelul logic al semnalelor electrice;
-Timere (incluzînd intrări de captură, ieșiri de comparare, timerul de Watchdog);
-Conversii analog – numerice și numeric – analogice;
-Semnalul PWM – impulsuri modulate în durată;
-Întreruperi (tipuri, utilizarea întreruperilor, arbitrarea întreruperilor, mascarea întreruperilor);
-Magistrale (de date și de adrese). Spațiul de adresare. Muliplexarea adreselor și datelor;
-Interfețe de comunicare serială (CAN, I2C, SPI, RS232, etc.);

1.2 Unitatea de memorie

Putem spune ca memoria este o parte componenta a microcontrolerului care „înmagazinează” diverse date. Pentru o intrare, pe care o putem definii utilizatorul, se obține conținutul unei anumite locații de date din memorie adresată. Memoria este formată din toate locațiile de memorie, iar adresarea se referă la selectarea uneia din ele. Aceasta înseamnă că putem selecta locația de memorie dorită la un capăt, și la celălalt capăt trebuie să obținem conținutul acelei locații. Dacă utilizatorul cunoaste adresa locației, știe și ce este în locatia respectiva (memorie). Pe langa citirea dintr-o anumita locație de memorie, ea trebuie de asemenea să permită si scrierea în ea. Aceasta se face prin punerea la dispozitie a unei linii adiționale numită in literatura de specialitate si linie de control. Linia de control este folosită astfel: dacă citirea sau scrierea este 1, unde 1 reprezintă starea logică, se realizeaza citirea, și dacă opusul este adevărat atunci se realizeaza scrierea în locația de memorie.

Fig.1.1 Exemplul unui model simplificat de unitate de memorie. Pentru o intrare specifică obținem o ieșire corespunzătoare. Linia R/W determină dacă citim sau scriem în memorie.

1.3 Unitatea centrală de procesare, CPU

"Unitatea centrală de procesare" (CPU), este un bloc specific microcontrolerului, care are o capabilitate încorporată pentru a realiza operații de înmulțire, împărțire, scădere și poate muta conținutul dintr-o locație de memorie în alta. Locațiile ei de memorie se mai numesc regiștri.

Fig.1.2 Exemplul simplificat al unei unități centrale de procesare cu trei regiștrii.

1.4 Unitatea de intrare-ieșire

Aceste locații se mai numesc si "porturi". Sunt diverse tipuri de porturi: pentru intrare, pentru ieșire sau porturi pe două-căi. Când se lucrează cu aceste porturi, mai întâi de toate, trebuie să se aleagă un anume port, cel cu care urmează să se lucreze, și abia apoi să se trimită date la port, sau să se recepționeze acele date. Când se lucrează cu un anumit port, el se comportă la fel ca si o locație de memorie. Informatia este scrisa în el sau citita din el.

De exemplu ele pot fi utilizate pentru a citii o valoare din „exterior”, CPU-ul analizează valoarea respectivă iar apoi dă o comandă, o valoare pe un alt port pentru un sistem din „exterior”. Un exemplu clar îl putem vedea la sistemul meu de senzori. O anumită valoare este citită pe un port iar în funcție de valoarea citită dă comandă pe un alt port.

Fig.1.3 Exemplul unei unități simplificate de intrare-ieșire ce permite

comunicarea cu lumea externă.

1.5 Comunicația serială

Microcontrolerele, pentru a putea fi utilizate în scopul pe care îl dorim, trebuie „programate”. Codul sursă, de obicei este înscris în microcontroler cu ajutorul comunicației seriale. Deoarece comunicatia contine linii separate pentru recepție și pentru transmitere, putem să recepționăm și să transmitem date (informații) în același timp. Blocul așa numit „mod full-duplex” ne permite acest mod de comunicare si este numit de utilizatori blocul de comunicare serială. Spre deosebire de transmisia paralelă, in acest caz, datele sunt mutate aici într-o serie de biți, de unde provine și numele de comunicație serială. Apoi după recepția de date, acestea trebuie citite din locația de transmisie și să le încarcam în memorie. Pentru transmiterea de date procesul este exact invers. Datele inscrise trec din memorie prin “bus” spre locația de trimitere, iar de acolo pleaca spre unitatea de recepție conform acestui protocol.

Fig.1.4 Comunicație serială

Pentru distanțe mai mari (care nu depășesc însă 17 m), se poate utiliza standardul RS-232. Standardul a fost introdus, la începutul anilor 1960, de EIA ( Electronic Industries Association) și definește o interfață standard între un echipament terminal , numit DTE (Data Terminal Equipment) și un echipament de comunicație a datelor, numit DCE (DataCircuit-terminating Equipment).

Fig.1.5 Comunicație RS232 între DTE și DCE.

Majoritatea calculatoarelor actuale dispun de un port serial. Magistralele seriale se utilizează ca suport pentru transferul de informații între calculatoare sau între diferite sisteme și calculatoare.

În tabelul de mai jos sunt prezentate principalele semnale utilizate de protocolul RS232.

Tab.1.1 Principalele semnale ale protocolului de comunicație RS232.

Semnificația acestor semnale este:

TX – (Transmitted Data) – semnal activ atunci când datele sunt transmise de la DTE către DCE

RX – (Received Data) – semnal activ atunci când datele sunt transmise de la DCE la DTE

RTS – (Request To Send) – semnal generat de DTE care cere echipamentului DCE să se pregătească pentru transmisia datelor. Cand DCE este pregătit, el va activa semnalul CTS.

CTS – Clear To Send) – semnal generat de DCE care indică faptul că acesta este pregătit pentru transmisia datelor.

DSR – (Data Set Ready) – semnal generat de DCE. În cazul în care echipamentul DCE este un modem, semnalul DSR arată că modem-ul este conectat.

DTR – (DTE Ready) – semnal generat de DTE atunci când dorește să stabilească un canal de comunicație.

CD – (Carrier Detect) – semnal generat de modem care indică prezența purtătoarei în linia telefonică.

SG – (Signal Ground) – semnansferul de informații între calculatoare sau între diferite sisteme și calculatoare.

În tabelul de mai jos sunt prezentate principalele semnale utilizate de protocolul RS232.

Tab.1.1 Principalele semnale ale protocolului de comunicație RS232.

Semnificația acestor semnale este:

TX – (Transmitted Data) – semnal activ atunci când datele sunt transmise de la DTE către DCE

RX – (Received Data) – semnal activ atunci când datele sunt transmise de la DCE la DTE

RTS – (Request To Send) – semnal generat de DTE care cere echipamentului DCE să se pregătească pentru transmisia datelor. Cand DCE este pregătit, el va activa semnalul CTS.

CTS – Clear To Send) – semnal generat de DCE care indică faptul că acesta este pregătit pentru transmisia datelor.

DSR – (Data Set Ready) – semnal generat de DCE. În cazul în care echipamentul DCE este un modem, semnalul DSR arată că modem-ul este conectat.

DTR – (DTE Ready) – semnal generat de DTE atunci când dorește să stabilească un canal de comunicație.

CD – (Carrier Detect) – semnal generat de modem care indică prezența purtătoarei în linia telefonică.

SG – (Signal Ground) – semnal de masă.

Principalele specificații electrice sunt:

Semnalele sunt active pe „0”.

Codificarea datelor utilizează logica negativă și se face astfel: nivelul logic ”0” corespunde unei tensiuni cuprinsă între +3 și +25V iar nivelul logic „1” corespunde unei tensiuni cuprinse între -3 și -25V.

Zona cuprinsă între -3V și +3V este considerată regiune de tranziție.

Conversia semnalelor de la nivelele TTL/CMOS la nivelele RS232 este realizată de circuite specializate. De exemplu eu am folosit circuitul integrat MAX 232 pentru a comunica cu calculatorul, pentru a programa microcontrolerul.

Fig.1.6 Codificarea datelor în standardul RS232.

Fig.1.7 Exemplu de conexiune utilizată frecvent pentru

conectarea unui sistem cu microcontroler la un calculator.

Fig 1.8 Configurația pinilor la circuitul integrat MAX232

Am folosit acest integrat pentru a face conversia nivelului semnalului de la protocolul RS232, la un nivel pe care îl poate citi și interpreta microcontrolerul meu. Conexiunile le-am realizat în următorul fel:

Alimentarea se face pe pinii 15 și 16 la o tensiune de 5V

Conexiunea la calculator se face pe pinii 8, 13 și 14

Conexiunea la microcontroler se face pe pinii 9, 11 și 12

Deci el primește informațiile pe pinii 13 și 14, face conversia de nivel, amplitudine dacă vreți, și trimite datele la microcontroler pe pinii 11 și 12. Pe pinul 8 intra semnalul de reset de la portul serial iar pinul 9 vine la resetul microcontrolerului.

MAX232 este un receptor cu driver dublu (DRIVER + RECEIVER) care include un generator de tensiune capacitiv pentru a furniza tensiunea necesară protocolului RS-232 și convertește nivelurile de la o singură tensiune de alimentare de 5V. Fiecare receptor convertește nivelul semnalului de intrare RS-232 la nivele de 5V, TTL / CMOS. Aceste receptoare au un prag tipic de 1,3 V și un histerezis tipic de 0,5 V, și poate accepta valori de intrare de ± 30 V. Pe cale inversă fiecare driver convertește nivelurile de intrare TTL / CMOS în niveluri necesare protocolului RS-232.

Fig.1.9 Tabelele de lucru ale circuitului integrat MAX232

Fig.1.10 Diagrama logică a circuitului integrat MAX232

Parametrii circuitului integrat MAX232:

Tensiunea de alimentare: 6V

Viteza de operare: peste 120Kbit/s

Conține două drivere și două receptoare

Nivelul semnalului de intrare: Receptor: ±30V

Driver: între -0.3V și tensiunea de alimentare

Consum curent: 8mA tipic

Temperatura de lucru: între 0 și 70

1.6 Unitatea de timp

Acest bloc ne dă informația de timp, durată, protocol, etc. Unitatea de bază a timer-ului este un contor liber cu o anumita valoare numerica. Aceasta valoare crește cu o unitate, la intervale egale, astfel luându-i valoarea după intervalele T1 și T2, pe baza diferenței lor se poate determina cât timp a trecut. De exemplu în multe aplicații se folosește acest bloc, mai ales în sistemele de automatizare unde multe operații se desfășoară în funcție de timp, depinde acum și de scopul în care este utilizat acel sistem.

Fig.1.11 Unitatea de timp generează semnale la intervale regulate de timp

1.7 „Watchdog-ul”

Încă un aspect important de care trebuie sa tinem cont este funcționarea fără defecte a microcontrolerului în timpul funcționării acestuia. Se poate intampla ca urmare a unei anumite interferențe, (ce adesea se întâmplă în industrie) microcontrolerul utilizat se oprește din executarea programului, sau în cel mai rău caz, începe să funcționeze incorect.

Acest bloc este de fapt un alt contor liber unde programul nostru trebuie să scrie un zero ori de câte ori se execută corect. În caz că programul se "blochează", nu se va mai scrie zero, iar contorul se va reseta singur la atingerea valorii sale maxime.

Acest aspect va duce la rularea programului din nou, de la inceput și corect de această dată pe toată durata functionarii sale. Acesta este un element foarte important pentru toate programele ce trebuie să fie fiabile fără supravegherea directa sau indirecta a omului.

Fig.1.12

1.8 Convertorul Analog-Digital

Pentru că majoritatea semnalelor de la periferice sunt foarte diferite de cele pe care le poate înțelege un microcontroler (zero și unu), ele trebuiesc convertite într-un mod care să fie înțeles de microcontroler. Această problema este rezolvata de un bloc pentru conversia analog-digitală sau de un convertor Analog-Digital. Acest bloc realizeaza convertirea unei informații, despre o anumită valoare analogică, într-un număr binar.

Fig.1.13 Bloc pentru convertirea unui semnal analogic într-o dimensiune digitală

1.9 Programarea Microcontrolerului

Pentru o aplicație reală, un microcontroler singur nu poate face absolut nimic. Pe langa un microcontroler, mai avem nevoie si de un program pe care să-l execute acesta. Scrierea programului constituie un domeniu aparte de lucru al unui microcontoler și este denumit in literartura de specialitate "programare".

Programarea poate fi făcută în câteva limbaje diferite cum ar fi Assembler, C și Basic care sunt cele mai folosite limbaje in momentul de fata.

Assembler aparține limbajelor de nivel scăzut care sunt programate lent, dar ele folosesc cel mai mic spațiu în memoria microcontrolerului și dă cele mai bune rezultate când se urmareste viteza de execuție a programului inscris in microcontroler.

Programele în limbajul C sunt mai ușor de scris, si mai ușor de înțeles, dar sunt putin mai lente în executare. Acestea au fost studiate mai in amanunt in timpul cursurilor din universitate.

Basic este un program ușor de învățat, și instrucțiunile sale sunt foarte apropiate de modul de gândire al omului, dar este de asemenea, mai lent decât Assembler-ul.

Foarte important este urmatorul aspect, înainte de a vă hotărî în privința unuia din aceste limbaje, trebuie să aprofundati cu atenție cerințele privind viteza de execuție a programului, mărimea memoriei la microcontroler și timpul disponibil pentru asamblarea sa. După scrierea programului, recomandat este să instalăm microcontrolerul într-un aparat și să-l lăsăm să lucreze. Bazat pe ceasul său, microcontrolerul va executa instrucțiunile programului. Imediat ce este alimentat microcontrolerul, acesta va executa un scurt control asupra sa si se va uita la începutul programului de unde va începe să-l execute. Cum va lucra sistemul, depinde de foarte mulți parametri, cel mai important fiind inteligenta dezvoltatorului de hardware, și de experiența programatorului în obținerea maximului din aparat cu programul conceput.

Eu am ales să lucrez cu microcontrolerul Atmega328P, deoarece se programează în limbaj C, pe care l-am studiat în facultate mai mult decât celelalte, are un număr de porturi, pentru comunicația cu exteriorul, aproape câte îmi trebuie mie pentru această aplicație, deci nu avea rost să lucrez cu unul mai puternic. Acestea au fost principalele calități, dacă pot să spun așa, pentru care l-am ales. Aproape orice sistem, care are și parte de electronică, se bazează pe un microcontroler. Deci în viitor controlul se va baza pe capacitațile unui microcontroler, totul se indreaptă spre informatică mai mult. Adică se preferă să se scrie mai mult cod decât să se facă parte de hard.

Procesorul este capabil să ruleze cod scris într-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++. De obicei scrierea programului se realizează într-un editor ce permite utilizatorului salvarea liniilor de comandă introduce de acesta.

Fig.1.14 Configurația pinilor la microcontrolerul ATmega328P.

Caracteristicile microcontrolerului ATmega328P:

Masă Brută: 3,85g

Tensiune de intrare (recomandat): 7-12V

Tensiune de intrare (limita): 6-20V

Pini digitali: 14 (6 PWM output)

Pini analogici: 6

Intensitate de iesire: 40 mA

Intensitate de iesire pe 3.3V: 50 mA

Clock Speed: 16 MHz

Fig.1.15 Circuitul de alimentare al microcontrolerului.

Fig.1.16 Circuitul de resetare al microcontrolerului.

Fig.1.17 Alimentarea și Circuitul Oscilator.

Capitolul 3. SENZORI

Senzorul este un dispozitiv care sesizează un fenomen. Termenul de senzor este folosit pe scară largă și este asociat acelei componente electronice care permite măsurarea unei mărimii fizice. Dar atunci când se încercă să se clarifice noțiuni de senzor nu se poate, să nu se amintească și de noțiunea de traductor. Cele două componente, senzor și traductor de cele mai multe ori se folosesc cu același înțeles, dispozitiv care permite măsurarea unei mărimii fizice. De fapt, senzorul sesizează (simte) un anumit fenomen, recepționează și răspunde la un stimul fizic. Este dispozitivul de la intrarea sistemului de măsurare. Traductorul este un dispozitiv care convertește (transformă) un tip de energie în alta de aceiași sau de natură diferită, de obicei o energie neelectrică în energie electrică

1.1 Clasificarea senzorilor

Senzorii au devenit componente electronice omniprezente. Răspândirea lor a devenit atât de largă încât practic nu există domeniu în care să nu se folosească senzorii . Clasificarea lor se poate face următoarele criterii: Un prim criteriu poate fi domeniul de aplicabilitate. Domeniile cele mai relevante sunt:

• Aeronautică,

• Automotive (industria auto),

• Agricultură,

• Medicina,

• Industria chimică,

• Industria militară,

• Robotică, etc.

Datorită mărimilor de măsurat de natură diferită se construiesc senzori specializați pentru fiecare mărime în parte. Tipul senzorului este dictat de mărimea măsurată, astfel avem senzori de:

• Accelerație,

• Deplasare,

• Presiune,

• Debit,

• Temperatură,

• Umiditate,

• Viscozitate, etc.

Conversia mărimii primare de la intrarea care caracterizează fenomenul fizic măsurat în mărime electrică sau o mărime ce poate fi evaluată electric, care reprezintă mărimea generată de senzor se face pe baza unei proces fizic. Procesele din structura senzorilor sunt procese controlate ce pot fi descrise prin ecuații matematice. Fenomenele de conversie cele mai reprezentative sunt:

• Biologice

Transformări biologice,

Spectroscopie, etc.

• Chimice

Transformări chimice,

Procese electrochimice

• Fizice

Termo-electrice,

Foto-electrice,

Foto-magnetice,

Magneto-electrice,

Termo-magnetice,

Elasto-electrice,

Termo-elastice,

Termo-optice, etc.

Materialele folosite la construcția senzorilor pot fi:

• Anorganice,

• Organice,

• Conductoare,

• Semiconductoare,

• Izolatoare (dielectric), etc.

Noile generații de senzori sunt capabile să transforme mărimea ne-electrică în semnal electric. După natura semnalului generat senzorii se pot grupa în senzori cu ieșire:

• Analogică

Tensiune (0-10 V, 0-5 V),

Curent (0-20mA , 4-20mA),

Frecvență.

• Digitală

PWM,

I2C,

SPI,

CAN,

Profibuss.

O observație trebuie făcută în cazul senzorilor cu ieșire digitală, interfațarea se face prin interfețe standardizate, accesarea datelor generate de senzor se face pe baza unul protocol de comunicație

Sensorii pot să transforme variația mărimilor fizice în semnale electrice binare sau analogice.Senzorii care furnizează semnale binare sunt:

sensorii de temperatură,

de proximitate,

de presiune,

de nivel,

valve.

Senzorii analogici furnizează la ieșire semnale electrice analogice – tensiuni sau curenți.

Exemple de sensori analogici:

Sensori pentru lungime, distanță, de deplasare,

Sensori pentru mișcare lineară sau de rotație

Sensori pentru suprafață, configurație, geometrie,

Sensori de forță,

Sensori de greutate,

Sensori de presiune,

Sensori de cuplu,

Sensori de debit

Sensori de nivel,

Sensori de temperatură

Sensori optici,

Sensori acustici,

Sensori de radiație

Sensori pentru substanțe chimice.

Capitolul 4.

Motoare pentru sisteme de acționare

Sistemul de acționare al unei mașini, sau al unui robot, cuprinde totalitatea surselor energetice ale mașinii respective și elementele de control direct ale acestora. În acest sens, prin sistem de acționare se va întelege ansamblul motoarelor și convertoarelor prin care se obține energia mecanică necesară deplasării mașinii respective sau a robotului, precum și dispozitivele suplimentare ce controlează acest transfer energetic. Un astfel de sistem va cuprinde:

O sursă primară de energie

Un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulația sau cuplajul corespunzător

Un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanică

Un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme.

Deși este mai puțin utilizată decât acționarea hidraulică, în industrie, acționarea electrică ocupă o arie suficient de întinsă la sistemele mecatronice (roboți în general) datorită urmatoarelor avantaje principale:

O sursa de energie electrică primară este usor de găsit.

Sistemele de control sunt precise, sigure și relativ ușor de cuplat la o conducere numerică de nivel înalt.

Daca este alimentata prin baterii se poate asigura o funcționare autonomă

Nu se impun probleme specifice de poluare.

3.1 Notiuni , Forme de Energie, Clasificare

Pentru a dezvolta forțe și momente necesare pentru realizarea mișcărilor în sistemele mecatronice se folosește o varietate mare de tipuri și forme de energii. Pentru a îngloba aceste dispozitive tehnice într-un singur termen, se utilizează în literatura straină termenul de actuator, care include toate elementele pentru ieșire, care sunt destinate producerii de noi forțe sau mișcări.

Fig.3.1 Forme de energie și efecte pentru realizarea unor acționări mecanice.

Actuatorul contine doua componente de bază, una care furnizează energia necesară, în baza semnalelor primite, de la sistemul de comandă, în cazul meu de la microcontroler, iar ce-a de a doua care transformă energia primită în energie mecanică, care este utilizată pentru dezvoltarea de noi forțe sau momente pentru efectuarea diverselor mișcări. În cazul in care se utilizeaza energie electrica, prima componentă poate fi implementată, cu un releu sau cu un bloc de tranzistoare de putere, cu logica și circuitele de reacție necesare. În cazul in care se foloseste energie hidraulica sau pneumatica, distribuirea acestora se poate face cu ventile simple sau cu servoventile.

În cazul în care cele doua componente sunt distincte, cea de-a doua este încadrată, de cele mai mulre ori, în termenul de motor. Aici putem discuta despre motoare electrice, rotative cum ar fi motorul pas cu pas, motorul de curent continuu, motorul sincron, motorul asincron, sau liniare cum ar fi motorul pas cu pas liniar sau motorul asincron liniar.

Tab.3.1 Principiul de transformare al energiei electrice și actuatorii semnificativi

3.2 Sisteme de Acționare

Prin termenul element de acționare electrică se poate înțelege un motor electric care urmărește un semnal de comandă (acest semnal poate fi current electric sau tensiune electrica), pe care îl transformă într-un semnal mecanic (viteza liniara sau deplasare liniara). Pentru microacționări, motorul electric (care este elemental de actionare) are proprietatea de a fi un convertor electro-mecanic, care să respecte proporționalitatea între mărimea de comanda, care este electrica și mărimea de iesire care este mecanica (semnalul de ieșire). In mare parte, sistemele de acționare sunt compuse dintr-un modul de acționare, dintr-un dispozitiv de lucru (mecanism acționat) și traductor de viteză sau poziție. Acestea reprezintă suma elementelor din componența aparatelor de lucru și a instalațiilor, care pun la dispozitie mișcarea elementelor conducătoare după o anumită lege definite, în conformitate cu funcțiile prestabilite pentru aceste elemente.

O caracteristică importanta a acestor elemente de acționare, o reprezintă reversibilitatea (modulul de acționare poate funcționa atât în regim de generator cât și în regim de motor). Din punct de vedere energetic, un sistem de acționare transformă energia primită(care poate fi de divere tipuri) de la o sursă de energie primară, în lucru mecanic util (care la randul lui poate fi de diverse tipuri), pe care apoi îl furnizează mecanismelor acționate. Transmiterea se realizeaza prin intermediul arborilor pentru mișcarea de rotație, sau prin intermediul tijelor pentru mișcarea de translație alternativă.

3.2.1 Clasificare

Elementele de acționare funcționează în trei regimuri, și anume:

Regim de motor (atunci cand primește energie electrică și cedează sistemului acționat o energie de natură mecanică);

Regim de generator (atunci cand are o comportare exact inversa decât cea din regimul de motor);

Regim de frână electrică (atunci cand primește atât energie electrică cât și energie mecanică pe care le transformă în căldură).

3.2.2 Avantajele Acționării Electrice

Disponibilitate de energie mare, care poate fi stocată pe termen lung.

Fluxul de putere electrică, se utilizeaza cel mai bine la automatizări, ceea ce conduce la obținerea unor performanțe maxime în timpul functionarii.

Pot fi comandate de la distanță.

Este formata din elemente modularizate, tipizate care sunt recomandate miniaturizării.

Privind randamentul acestor tipuri de acționări putem spune ca este mult mai mare decât la celelalte tipuri de acționări.

Sunt silențioase și fiabile.

Reglarea vitezei se face într-un raport foarte mare, performanță care este mult superioară celorlalte tipuri de acționări.

Timpul de răspuns la motoarele electrice speciale utilizate pentru automatizări este net superior celorlalte tipuri de acționări.

3.2.3 Dezavantajele Acționării Electrice

Primul dezavantaj, care trebuie ,mentionat, este incălzirea motorului, care apare din pricina intensității mari a curentului care este absorbit, ceea ce poate duce la modificarea anormala a celorlalți parametrii. De aceea comanda motorului se face astfel încât să se evite încălzirea. Acest fenomen de încălzire apare în mod special la regimurile tranzitorii de funcționare.

Al doilea aspect la care fac referinta este puterea motorului raportată la unitatea de volum care poate fi mai mică în comparație cu alte tipuri de acționări.

Iar al treilea dezavantaj important, ar fi momentele de inerție create în regimul tranzitoriu de funcționare al motorului. Atunci, aceste momente sunt mai mari la acționările electrice în comparație cu alte tipuri de acționări (totusi unele motoare de construcție specială elimină acest dezavantaj).

4.1 Clasificare Motoare

În continuare voi prezenta câteva tipuri de motoare care pot fi acționate cu ajutorul unui microcontroler. Dacă o luam din punct de vedere logic eu zic că orice tip de motor poate fi controlat cu un microcontroler. Deci motoarele pot fi:

Motor de curent continuu cu perii

Motor de curent continuu fara perii

Motor pas cu pas

Motor de curent alternativ cu inducție

Motor cu reluctanță comutată.

Prima categorie de motoare și a treia categorie sunt utilizate mai des în aplicațiile cu microcontroler de aceea vor fi prezentate în continuare mai în detaliu.

4.1 Motorul de curent continuu

Fig.4.1 Motor de curent continuu

Acționarea cu motoare de curent continuu are avantajul important că momentul creat este practic independent de poziția și viteza motorului, depinzând numai de câmpul înfășurărilor și curentul din stator. Dacă înfășurările de câmp sunt înlocuite cu un magnet permanent atunci momentul dezvoltat este proporțional cu valoarea curentului din stator și deci cu tensiunea aplicată. Anumite procese tehnologice au permis micșorarea greutății motoarelor. Ele se refera de exemplu, la eliminarea înfășurărilor de excitație prin utilizarea motoarelor cu magneți permanenți. Pentru acționarea roboților se utilizează numai motoare de curent continuu și pas cu pas, primul datorită sistemelor performante de control, iar al doilea datorită facilităților pe care le oferă la operațile de poziționare. Dezavantajul principal al acestor acționări este greutatea componentelor. Raportul putere-greutate sau moment-greutate este mai mic decât la acționările hidraulice. Această greutate nu poate fi redusă în mod semnificativ datorită circuitului magnetic care, pentru asigurarea unor performanțe ridicate, necesită o geometrie corespunzătoare.

4.1.1 Comanda Motoarelor de curent continuu

Fig.4.2 Schema bloc a unei acționări cu motor de curent continuu

O mișcare de poziționare este compusă dintr-o accelerare, dintr-o deplasare cu o viteză constantă și o frânare, conform unei traiectorii de viteză.

Fig.4.3 Traiectorie de viteză

.

Unde:

v – viteza

t – timpul

ta – timp de accelerare

tc – timp curent

tf – timp final

Timpul de deplasare este td=ta+tc+tf iar timpul de poziționare este suma dintre timpul de deplasare și timpul de stabilire, tp=td+ts.

Pentru a obtine o viteză variabilă este sufficient să aplicăm o tensiune variabilă. Tensiunea variabilă poate fi aplicată în mai multe feluri:

informația numerică este convertită într-o informație analogică și este aplicată unui tranzistor pentru comandă într-un sens sau la doi tranzistori pentru comandă în ambele sensuri. Tensiunea variabilă astfel obtinută se aplică motorului de curent continuu. Un dezavantaj este folosirea unui convertor digital-analogic și puterea pierdută în tranzistorii care lucrează în zona liniară.

informația numerică creează un semnal PWM, cu frecvența destul de mare ca motorul, datorită inerției, să integreze impulsurile. Motorul va avea o viteză proporțional cu factorul de umplere. Acest mod de comandă este mult mai simplu și tranzistorul fiind în regim de comutație nu disipă inutil.

Poate va ganditi cum motorul se rotește cu o viteză constantă în timp ce tensiunea aplicată este sub forma de impulsuri? Simplu, dacă tensiunea aplicată este sub formă de impulsuri motorul se rotește proporțional cu valoarea medie a tensiunii, mai sus era amintit, în același sens, termenul de factor de umplere.

4.1.2 Motorul pas cu pas

Fig.4.4 Motor pas cu pas

Motorul pas cu pas este un convertor electromecanic care urmareste si realizeaza transformarea unui sir de impulsuri digitale într-o mișcare proporționala a axului său. Mișcarea rotorului motorului pas cu pas constă în deplasări unghiulare discrete, si succesive, care sunt de mărimi egale și care sunt oglinda pașilor motorului. Viteza unui motor pas cu pas poate fi reglată prin modificarea frecvenței impulsurilor de intrare. In acest caz, dacă pasul unghiular este 1,8 grade, numărul de impulsuri necesare pentru a efectua o rotație complectă este de 200, iar pentru un semnal de intrare cu frecvența de 800 impulsuri pe secundă turația motorului este de 240 rotații pe minut. Motoarele pas cu pas pot lucra la frecvențe între 1000 și 20000 pași/secundă, având pași unghiulari cuprinși între 0,3 grade și 180 grade.

Aplicațiile în care sunt utilizate motoare pas cu pas sunt limitate la situațiile în care nu se cer puteri foarte mari (puteri uzuale cuprinse între domeniile microwatilor și kilowaților). Motoarele pas cu pas sunt utilizate în aplicații de mică putere, caracterizate de mișcări rapide, precise, repetabile cum ar fi: plotere x-y, unități de disc flexibil, deplasarea capului de imprimare la imprimante, acționarea mecanismelor de orientare și presiune la roboți, deplasarea axială a elementelor sistemelor optice, mese de poziționare 2D, pentru mașinile de găurit, CNC, și altele. Aceste motoare pas cu pas sunt incluse în categoria motoarelor sincrone. Rotorul unor astfel de motoare pas cu pas se deplasează doar în momentul în care apare un semnal de comandă pe unul din polii statorici. Deplasarea se realizează până în momentul în care polii rotorului se aliniază cu cei statorici opuși. Denumirea de motor pas cu pas provine din rotirea acestui rotor de la un pol la celălalt. Motoarele pas cu pas sunt sisteme sincrone, care realizează o corelație directă între mărimea comandată și poziția obtinută.

Aceste motoare asigură conversia directă a semnalului de intrare, dat sub formă numerică, într-o mișcare de poziționare unghiulară prin cumulări incrementale. Această proprietate determină o utilizare foarte largă a motoarelor pas cu pas în toate sistemele de poziționare. Conversia comenzii în poziție asigură scheme de control simple, eficiente atât sub aspect tehnic, cât și economic.

Capitolul 5.

REALIZARE PRACTICĂ, TESTARE, CONCLUZII

5.1 CIRCUITE PENTRU COMANDA MOTOARELOR DE CURENT CONTINU

Fig x. Schema de principiu.

Comanda motoarelor se face folosind drivere (controlere) care au capacitatea de control a curentului, sau pur si simplu un tranzistor bipolar npn, ca in figura de mai jos. Important de cunoscut la un motor de curent continu este curentul nominal de funcționare și mai puțin importantă tensiunea, în general un curent mare înseamnă o tensiune scăzută. De exemplu un driver ce poate controla maxim un motor de 2 A necesită un motor de maxim 2A, tensiunea de alimentare a driverului putând varia între 12 și 220 volți, dar această tensiune nu ajunge în motor fiind controlată de către driver. Deci alegerea unui motor nu depinde de tensiune de alimentare a driverului din contră pentru o funcționalitate optimă driverul trebuie alimentat la o tensiune de 10 până la 20 ori tensiunea nominală a motorului. Exemplu: un motor de 3A la 3,4 V necesită un driver ce suportă un curent de 3A la 34 V.

Schema de principiu utilizata de mine pentru comanda motoarelor de current continu este prezentata mai jos.

Fig x. Schema circuitului de comanda la motorul de current continu

Dupa cum se poate vedea, piesa de baza care imi comanda motorul, sau care duce curentul mare cerut de motor, este tranzistorul bipolar de tip NPN BD237. Rezistentele de 100R respectiv 10K, sunt utilizate pentru limitarea curentului in baza tranzistorului si pentru polarizarea corecta a acestuia. Prin polarizarea tranzistorului eu inteleg aplicarea unei tensiuni si a unui current de valori nominale la intrarea in transistor, pentru al putea deschide correct. Dioda redresoare 1N4007 este utilizata pentru a proteja tranzistorul de varfurile de tensiune inverse, care apar la oprirea motorului.

5.2 Tranzistoare bipolar NPN

Fig.5.4 Așezarea pinilor și tipul de capsulă al tranzistoarelor utilizate.

După cum spuneam, elementul de forta este tranzistorul bipolar npn – BD237. Am utilizat aceste tranzistoare pentru a mării puterea modulului de comandă a motoarelor. Nu puteam comanda motoarele direct cu iesirile de la microcontroler deoarece il ardeam. Microcontrolerul nu debiteaza la iesire un current atat de mare cat cer motoarele. Câteva aplicații a acestor tranzistoare sunt: driver pentru motoare și surse de alimentare neîntreruptibile și în circuite de protecție.

Parametrii tranzistoarelor bipolar NPN BD237:

Tensiunea Colector-Baza este 100V

Tensiunea Colector-Emitor este 80V

Tensiunea Emitor-Baza este 5V

Curentul de Colector este 2A

Curentul maxim de Colector este 6A, la temperatura ambientului de 150

Puterea disipată este 25W la temperatura de 25

Temperatura de lucru este între -65 și +150

5.4 Senzori

Senzorul este un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ prin proprile mărimi măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca parte componentă a unui aparat sau sistem tehnic detector, poate măsura de exemplu presiunea, umiditatea, câmpul magnetic, accelerația, forța, intensitatea sonoră, intensitatea luminoasă, radiații. În automatizare, informația calitativă/cantitativă măsurabilă livrată de senzori, după o eventuală amplificare și prelucrare servește la controlul și reglarea sistemelor tehnice automate.

Eu am folosit senzorii hall – AH337 pentru a citii starea benzii de transport. Acest sensor imi citeste numarul de ture realizat de tamburul care sprijineste banda transportatoare. El imi da impulsuri de tensiune spre microcontroler. Daca microcontrolerul nu primeste aceste impulsuri intr-un timp x, pe care il pot seta eu din program cat doresc, sistemul este oprit si intra in starea de alarma. În continuare voi prezenta tipul de capsulă al senzorului și parametrii săi. [5].

Fig.x, Senzor Hall AH337

Parametrii senzorului:

Producător: ALLEGRO MICROSYSTEMS

Grupa: Senzori hall pcb

Tip sensor: Hall

Carcasa SIP3

Tensiune alimentare 5 – 30V

Curent de iesire 25mA

Temperatura de lucru -40 la +150

Masa bruta: 0,14 grame

Fig. x. Schema bloc a senzorului

Parametrii electrici ai senzorului la temperatura ambientului de 25

Tensiune nominal de alimentare 5V

Curentul maxim de iesire 25mA

Puterea disipata: 550mW

Temperatura de lipire: 260 grade Celsius

Fig. x. Schema de test a senzorului – conform datelor de catalog

5.5. Proiectare schemă

Proiectarea a fost destul de usoară, ținând cont de faptul că principiul de lucru al schemei, se bazează în totalitate pe circuite digitale, în care avem două stări majore: unu logic și zero logic. În schema proiectată de mine valoarea de unu logic este 5V, teoretic, iar zero logic este 0V. Spun teoretic deoarece am măsurat tensiunea în diferite puncte și aveam mai multe valori care oscilau în jurul lui 5V. De exemplu la ieșirea din microcontroler avem 4,52V. Schema este prezentată în anexa 1. Începem cu microcontrolerul, care este alimentat la 5V DC, frecvența de lucru 16MHz. El dă comanda mai departe, pentru motoare, pe un pin digital. Pentru comanda folosesc semnal PWM care ma ajuta la reglarea turatiei pentru motoare. Reglarea turatiei la motoarele secundare o realizez cu trei senzori de nivel, pe care ii simulez cu ajutorul a trei potentiometer lineare. Reglarea vitezei la banda se face in mod automat. Microcontrolerul citeste valoare senzorilor si imi seteaza automat viteza. Acest senzori au rolul de a citii nivelul agregatelor in siloz. Cu cat silozul este mai incarcat cu atat banda trebuie sa mearga mai repede, iar cand acesta este gol banda se opreste automat.

5.6 Realizarea PCB-ului

Circuitele imprimate reprezintă suportul pe care sunt montate componentele electronice având ca prim rol de-a realiza conexiunile situate în conformitate cu schema electronică, iar ca și rol secundar de fixare mecanică a componentelor. Denumirea de circuit imprimat (cablaj imprimat) vine din englezesc-ul Printed Circuit Board, grosimea acestuia poate varia de la câteva zecimi de mm până la ordinul câtorva mm, pe acesta se află o simplă folie de cupru.

În funcție de materialul pe care este realizat cablajul, putem avea :

– pertinax;

– textolit (fiind cel mai folosit);

– sticlotextolit;

– ceramic.

În funcție de numărul de straturi putem avea:

– simplu stratificate;

– dublustratificate;

– multistratificate;

– cu suport flexibil.

Alegerea tipului de circuit se va face încă din faza de concepție a produsului ținând cont de destinația produsului, de exemplu nu se va utiliza pertinax pentru un produs care trebuie să aibă un timp de folosire îndelungat sau dacă va lucra în medii saline sau va fi supus la intemperii, se va mai ține cont de costul de fabricație, de prețul țintă al produsului, de costurile de proiectare, de posibilitățile tehnologice de realizare ale circuitului, etc. Există o multitudine de programe profesionale folosite la scară mondială, cum ar fi : OrCAD, Protel, Target, Eagle PCB, Free PCB, KiCad, Express PCB, Pads PCB și multe altele care sunt folosite mai rar din cauză că fie au librării mult mai puține fie este mai greu de lucrat în aceste programe sau un motiv întemeiat este și faptul că nu se pot creea sau edita componente în aceste programe. Realizarea circuitului imprimat se poate face prin metode foto și/sau chimice. Trecerea de la un strat la altul se face cu ajutorul vias-urilor, care pot fi : TH – când trece printr-o parte sau alta a cablajului, buried – stratul de început cât și cel de sfârșit sunt în interiorul cablajului sau blind – când se pleacă de pe un strat exterior și se ajunge pe un strat inferior. Ca și o primă etapă în realizarea unui circuit, prima dată s-a făcut alegerea unei scheme de principiu, s-au procurat și s-au verificat componentele pe o placă de test, apoi s-a făcut testarea întregului circuit pe o placă de test, de abia în momentul în care toate acestea au fost verificate s-a făcut proiectarea propriu-zisă a cablajului imprimat. După stabilirea găurilor de conectare a componentelor de la care se pornește conceperea desenului de cablaj se vor reprezenta componentele de polarizare. Proiectarea poate fi realizată cu vedere dinspre componente sau cu vedere dinspre cablaj, în această situație componentele sunt privite dinspre pini (terminale). Pentru a evita răsturnarea în oglindă a desenului este recomandabilă a doua variantă care deși este mai complexă, elimină etapele intermediare oferindu-ne varianta finală a cablajului.

Pentru proiectarea cablajului am avut de ales între OrCAD, Eagle PCB și Express PCB. Am amintit acestea trei deoarece sunt familiarizat cu ele. Am renuntat la OrCAD deoarece nu am prea lucrat în el și automat m-i se pare complicat. Eagle PCB nu îmi place deoarece sunt limitat când vine vorba de dimensiunile plăcii, cablajului (16x10cm). Pentru proiectarea circuitului eu am folosit Express PCB, care este un soft destul de ușor de găsit, aici mă refer la varianta demo. Îmi place foarte mult că îmi pot crea foarte usor orice componentă vreau eu. Cu acesta am reusit să fac și schema electrică și apoi partea de PCB, mai este de spus că are și o opțiune prin care la partea de PCB poate să proiecteze singur cablajul, dar am preferat să o fac eu și această operațiune din simplul motiv că softul nu a reușit să sintetizeze schema la fel de bine ca și mine. Componentele pot fi conectori, circuite integrate, tranzistori, rezistențe, condensatoare, diode, etc. Odată ce schematicul a fost făcut se trece mai apoi la proiectarea cablajului imprimat pe baza schemei de principiu. Am folosit proiectarea pe 2 nivele (layere), deoarece schema a fost destul de complexă și nu am vrut ca placa propriu zisă să fie prea mare ca și dimensiuni. Din program se poate selecta vizualizarea numai a anumitor nivele, de exemplu binecunoscutul ”top” și ”bottom”.

Odată ce am reușit și realizarea proiectării care ține de calculator și de soft, s-a trecut la realizarea propriu-zisă a cablajului. Adică s-a achiziționat o placă de textolit. După care am salvat în oglindă în format pdf pcb-ul final, ambele fețe, apoi s-a imprimat pe o foaie fotografică, cea mai subțire de preferat, imprimarea făcându-se la o imprimantă cu laser, pentru ca tușul să nu intre în foaie, să rămână pe suprafața foii.

Apoi s-a luat foaia pe care era imprimat pcb-ul și s-a redus la o anumită mărime, astfel încât foaia cu cablajul să nu fie mai mare decât placa propriu-zisă. După ce s-a făcut acest lucru, s-a fixat foaia foarte bine pe placă iar apoi prin transfer termic cu ajutorul fierului de călcat s-a făcut imprimarea traseelor de pe foaia fotografică pe placa de textolit, pentru un nivel. Aceleași operații trebuie respectate ți pentru nivelul 2. Fierul de călcat trebuie să fie la o temperatură bună, dacă este prea încins se va exfolia cablajul iar dacă este prea rece nu se va imprima tot cablajul.

Trebuie menținut la o temperatură optimă, astfel încât să nu se ardă nici foaia cu traseul, dar să fie și suficientă căldură pentru a face un transfer termic cât mai bun. Spun lucrurile acestea din experiența pe care o am. După ce traseele au fost imprimate, foaia se va prinde de placă, se i-au ambele și se pun în apă rece pentru a se dezlipi ușor. După ce s-au descoperit traseele se verifică din nou dacă s-au imprimat bine, dacă nu s-au imprimat bine se șterg de pe placă cu acetonă sau diluant și se repetă ultima operație, adică cea cu fierul de călcat.

După ce s-au realizat bine traseele se fac găurile în placă, cu un burgiu nu foarte gros, la mine s-a folosit un burghiu cu grosimea de 0,7 mm și unul de 1mm. Mărimea găurii trebuie sa fie suficient de mare pentru a nu avea probleme în momentul în care trebuie introduși pinii. Odată realizate și găurile, s-a mai îngroșat și locul în care s-au făcut găurile, unde a fost cazul, pentru a rămâne cupru în jurul pinului fapt care ajută la o lipitură cât mai bună și mai corectă. După ce s-au realizat toate aceste operații s-a luat clorura de fier și s-a încălzit foarte puțin, acest lucru ajutând la o corodare mai rapidă a cuprului. Se lasă cam 10 minute placa cu traseele în clorură, aceasta trebuie pusă într-un bol din material plastic sau sticlă, se poate lăsa mai mult, aici depinzând de cât de mult a fost folosită acea clorură și de temperatura ei. Eu recomand ca în timpul în care placa este în clorură, să se agite recipientul respectiv pentru a grăbii procesul de corodare. După scoatere, se va verifica din nou dacă nu sunt trasee întrerupte sau dacă sunt alte defecțiuni, deoarece dacă un traseu este întrerupt atunci nu mai are rost sa lipim componentele pe placă pentru că oricum acea placă nu va face ceea ce avem noi nevoie și asta nu din cauza componentelor. Dacă totul este bine, atunci se va da cu acetona sau diluant nitro peste traseele rămase, pentru a rămâne numai cuprul, lipiturile făcându-se mult mai bine pe cuprul gol.

În unele cazuri se poate ca să apară, așa cum le numesc proiectanții, erori de proiectare, adică să fie nevoie de ștrapuri pe partea unde sunt componentele, ele fiind o trecere de la un traseu la altul dar fără să se interconecteze cu un alt traseu. Când s-a făcut proiectarea s-a ținut seama de unele reguli, cum ar fi că nu avem voie ca la un traseu să formăm un unghi de 90 grade, pentru că acolo se va produce un câmp electromagnetic. Se poate vedea din figura de mai jos, că s-au folosit doar componente THT (Through Hole Technology), nu și componente SMT (Surface Mount Technology). Proiectarea circuitelor este o operație foarte importantă din electronică, pentru că în ziua de azi toată diferența între produse se face în funcție de mărime, preț și design. Dacă reușim să optimizăm toate aceste criterii, să facem un raport calitate – preț – design foarte bun, atunci dăm dovadă de ingeniozitate.

Fig.5.10. Cablaj proiectat în Express PCB.

Fig.5.11. Printarea circuitului pe placă (un nivel).

După realizarea cablajului pe placă, am lipit componentele. Bineînteles înainte de toate acestea schema proiectată a fost probata pe o placă de test . Prima dată am lipit microcontrolerul împreună cu partea de sursă și de comunicație cu calculatorul.

Fig.5.12. Schema pusă pe placa de test pentru probe.

Fig.5.x. Asamblarea pieselor, Stabilizatorul de 5V

Fig.5.14. placa asamblata la final

Fig.5.15. Placa asamblată si Programata

După ce am terminat de lipit piesele si de programat microcontrolerul, am început să testez placa și să fac diferite măsurători.

POZA

Fig.5.16. Testare placa

În continuare voi prezenta câteva părți din codul sursă înscris în microcontroler.

Fig.5.18.

În figura de mai sus este prezentat declararea senzorilor de nivel si a celui de blocare a benzii, a butonului de start ca semnale de intrare, sunt declarati pinii de iesire pentru comanda motoarelor, si timpii de protective utilizati in functia de protective antiblocare banda. Tot aici este setata si viteza motorului de pe banda principal si timpul de protective pentru a nu se bloca banda de transport.

Fig.5.19.

În figura de mai sus este prezentată partea de inițializare a parametrilor în microcontroler. Această buclă este citită doar odata, la început. Aici se realizează inițializarea pinilor ca intrari sau ca iesiri. Totodata aici fac prima citire a senzorului de blocare.

Fig.5.20.

În figura de mai sus este prezentată bucla “loop” a programului – partea in care butonul de start este in stare HIGH. Această buclă rulează încontinuu, pot zice că e motorul programului. Cum lucrează? Prima data imi citeste butonul de start. Daca este in pozitia de ON sau HIGH intra intr-o bucla pe care o ruleaza la infinit, in felul urmator: imi citeste valoarea senzorilor de nivel sip e urma imi da drumul la motoarele de actionare cu o viteza setata in functie de valoarea citita de la senzori. Apoi incepe sa citeasca impulsurile de la senzorul hall, utilizat pentru monitorizarea benzii, daca functioneaza normal sau daca se blocheaza. In acest sens am determinat un timp de doua secunde pentru protectia benzii. Daca trece un timp mai mare de doua secunde in care microcontrolerul nu primeste semnale de la senzorul hall, atunci programul imi opreste toate motoarele si imi intra in functia de alarma, care imi aprinde trei leduri intermitent. Softul incarcat in microcontroler este protejat, in sensul caci daca vine cineva si opreste sistemul sau ia alimentarea cand sistemul este in alarma, programul pleaca tot in alarma, adica nu porneste. Pentru a repornii trebuie dat reset la microcontroler. Aceasta este o protective impotriva personalului slab instruit, care de obicei iau alimentarea si pornesc din nou sistemul, fara a face o verificare reala.

Fig.X.

In figura de mai sus este prezentat programul rulat in cazul in care butonul de start este pe OFF sau LOW. Sistemul imi opreste toate motoarele si imi citeste starea butonului de start.

Fig.5.22. Funcția de alarma

In figura de mai sus este prezentata functia de alarma. In cazul in care microcontrolerul nu mai primeste semnale de la senzorul hall, un timp mai mare decat cel setat, atunci opreste toate motoarele si porneste aceasta functie, care imi porneste trei leduri intermittent, pana cand sistemul este verificat si resetat.

5.8 Aparatura folosită pentru măsurători

Pentru a obține măsurători cât mai precise și mai corecte este important să utilizăm aparate care îndeplinesc condițiile de funcționare fără nici o problemă, pe scurt sunt bune. Consider, că degeaba obținem valori bune dacă instrumentul de măsură are o gamă foarte largă de toleranță, sau are un domeniu de măsură foarte îngust, de exemplu la rezistențe, dacă avem una de o valoare de 10MΩ cum o măsurăm dacă cu aparatul putem măsura doar până la 50KΩ.

5.8.1 Multimetru 890G

Multimetrul este unul dintre aparatele cele mai des folosite în electronică, având ca funcții determinarea și măsurarea mai multor mărimi electrice. Odată cu circuitele integrate au apărut și multimetrele digitale, principala diferență față de cel analogic este că rezultatul este afișat pe un afișaj cu cristale lichide. Printre mărimile măsurate cu multimetrul se numără: rezistența electrică, tensiunea electrică (atât continuu cât și alternativ), intensitatea curentului electric (atât continuu cât și alternativ), el mai putându-se utiliza și pentru verificarea unor componente cum sunt diodele semiconductoare, capacitățile electrice și tranzistoarele bipolare. În continuare voi vorbi despre acest tip de multimetru deoarece cu el s-au făcut măsurătorile necesare atât pentru verificarea componentelor cât și pentru colectarea valorilor din rezultatele experimentale și practice, următoarele specificații sunt caracteristice multimetrului digital 890G:

– interval măsurare rezistență – 200/2k/20k/200k/2M/200MΩ;

– interval măsurare tensiune DC – 200m/2/20/200/1000V;

– interval măsurare tensiune AC – 2/20/200/700V;

– interval măsurare curent DC – 2m/20m/200m/20A;

– interval măsurare curent AC – 200m/20A;

– interval măsurare capacitate – 2000p/20n/200n/2μ/20μF;

– interval măsurare frecvență – 20kHz

– testare continuitate circuit – semnal acustic pentru R < 100Ω;

– afișaj – LCD (Liquid Crystal Display)9999;

– testare diodă – 1mA, 3V;

– sursă de alimentare – 1 baterie 9V 6F22;

– acuratețe măsurare tensiune DC – ±(0.5%+1dgt)

– acuratețe măsurare tensiune AC – ±(0.8%+3dgt)

– acuratețe măsurare rezistență – ±(0.8%+1dgt)

– acuratețe măsurare curent DC – ±(0.8%+1dgt)

– acuratețe măsurare curent AC – ±(1.2%+3dgt)

– acuratețe măsurare frecvență – ±(1.0%+1dgt)

– acuratețe măsurare capacitate – ±(2.5%+1dgt)

Fig.5.25. Multimetru digital 890G.

5.8.2 Osciloscop LeCroy WaveAce 102

Un osciloscop bun simplifică foarte mult timpul de depistare al problemelor, este extrem de util în măsurarea unor parametri, care în mod normal ar trebui măsurați cu diferite aparate, nu cu un singur aparat de măsură, tocmai de aceea un osciloscop este foarte bun pentru că are posibilitatea de a măsura și afișa un număr destul de mare de parametri pentru un singur aparat. Acesta este un osciloscop digital, care are afișaj color, o memorie destul de mare, capabilități extinse de măsură, un declanșator avansat și o conectivitate excelentă pentru a îmbunătății și scurta timpul de depanare. Iată în continuare câteva specificații privind osciloscopul LeCroy WaveAce 102 :

– lățimea de bandă este de până la 60 MHz;

– 2 canale pentru sonde;

– colectarea datelor este de 4kpts/ch;

– afișaj color cu diagonala de 5,7” (320 X 234) color;

– rezoluția verticală de 8 biți;

– impedanța de intrare este de 1MΩ/17pF;

– dimensiunile exterioare sunt 305 X 133 X 154 mm;

– moduri de redare: automat, normal și individual;

– tensiunea maximă de intrare este de 400V;

– sensibilitatea de intrare este de 2mV/diviziune…..5V/diviziune;

– sursa de alimentare 100…..240 VAC, 45…..440Hz;

– greutatea este de 2,3 kg

Fig.5.26. Osciloscopul LeCroy WaveAce 102.

Câteva din caracteristicile tehnice ale osciloscopului LeCroy Ace102:

– măsurarea automată a 32 de parametri;

– are funcție de filtru digital;

– funcție Pass/Fail;

– funcție mediere valori cu maxim 256 șiruri;

– interfață RS232;

– funcții matematice de adunare, scădere, înmulțire, împărțire;

– zoom pe o anumită parte a semnalului;

– măsurare cu ajutorul cursoarelor;

– înregistrare traseu;

– interfață USB x 2;

– funcționare în modul X – Y;

– traseu de intrare și transformată FFT afișată pe ecranul separat;

– timpul de declanșare: cu pantă, la lățimea impulsului, timpul de acumulare, variabil, cu semnal video;

– memorie 20 de variații;

– ecran LCD cu reglare a contrastului;

– memorare 20 de setări.

5.8.3 Rezultatele măsurătorilor

În cele ce urmeză voi arăta câteva grafice rezultate în urma măsurătorilor făcute după executarea tuturor acestor etape de mai sus.

Fig.5.27. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea

din microcontroler. Factor de umplere 15%.

Fig.5.28. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea

din microcontroler. Factor de umplere 45%.

Fig.5.29. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din microcontroler. Factor de umplere 60%

.

Fig.5.30. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din microcontroler. Factor de umplere 85%

Fig.5.31. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din microcontroler. Factor de umplere 95%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din microcontroler. Factor de umplere 100%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de la iesirea din senzorul Hall la un factor de umplere de 70%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de la iesirea din senzorul Hall la un factor de umplere de 90%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de la iesirea din microcontroler, pentru semnalul de alarma/avarie.

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de la iesirea din senzorul Hall in momentul cand banda de transport este blocata

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din tranzistor, masuratoare realizata pe anodul diodelor redresoare. Factor de umplere 20%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din tranzistor, masuratoare realizata pe anodul diodelor redresoare. Factor de umplere 40%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din tranzistor, masuratoare realizata pe anodul diodelor redresoare. Factor de umplere 60%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din tranzistor, masuratoare realizata pe anodul diodelor redresoare. Factor de umplere 80%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din tranzistor, masuratoare realizata pe anodul diodelor redresoare. Factor de umplere 95%

Fig.5.32. Forma de undă a semnalului de comandă a motorului la ieșirea din tranzistor, masuratoare realizata pe anodul diodelor redresoare. Factor de umplere 98%

5.9. Concluzii

Ca urmare a finalizării și testării acestei instalatii am constatat că sistemul funcționează la parametrii proiectați. Comanda motoarelor se face in timp real, si instant, la fel si citirea senzorilor de nivel sau a celui de protectie pentru blocare banda. Pentru a proiecta un sistem real v-or trebuii inlocuiti senzorii mei de nivel (potentiometrii) cu senzori utilizati in industrie, indiferent de model. Important e sa pot culege de la ei un semnal analogic sau chiar digital. Pentru a comanda motoare de o putere mai mare se pot folosii tranzistori MOS, de o putere mai mare, sau chiar convertizoare de frecventa, in cazul in care se folosesc motoare de curent alternativ.

Utilizarea microcontrolerului conferă în concluzie posibilități sporite de comandă și conducerea a unui CNC respectiv o interfață prietenoasă de programare, autonomie în funcționare, posibilitatea de utilizare a mașinii la realizarea de producții de serie cu productivitate ridicată și precizie sporită.

Bibliografie

Bibliografie cărți:

Valer Dolga, Proiectarea Sistemelor Mecatronice, Note de Curs, Timișoara, 2002 – 2005.

Dan Necșulescu, Mechatronics, Prentice Hall, New Jersey, 2001.

Virgiliu Streian, Proiectarea de postprocesoare pentru mașini cu comanda numerică, Universitatea Tibiscus, Timișoara.

Râșteiu Mircea, Sisteme de Senzori, Note de curs, Alba Iulia 2012

Marc Gheorghe, Sisteme Electronice Programabile, Note de curs, Alba Iulia 2013

Ciortea Mihaela, Elemente de Mecanica și Mecanisme, Note de curs, Alba Iulia 2011

Joldeș Remus, Microcontrolere, Note de curs, Alba Iulia 2011

Brezeanu Gheorghe, Dispozitive Electronice, Note de curs, Alba Iulia 2012

Bibliografie online:

http://www.contionline.com/generator/www/ro/ro/continental/hr/themes/learning_program/embedded_prog/cwl_microcontrollers_ro.html

http://www.class10a.wikispaces.com/file/view/Microcontrolerele.doc

http://ro.scribd.com/doc/65365097/arhitectura-microcontrolerelor

http://www.freewebs.com/matcor/Lectii%20Sist%20meca/-%20PARTEA%201.pdf

http://www.solarbotics.net/library/pdflib/pdf/motorbas.pdf

http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on-line/BSM/BSM/capitol5.pdf

http://www.robotics.ucv.ro/master/pdf/Sisteme%20de%20actionare.pdf

http://www.adelaida.ro/39by002-motor-pas-cu-pas-biipolar-12v.html

http://www.atelierulelectric.ro/articole/Actionarea%20motoarelor%20pas%20cu%20pas.pdf

http://www.motoarele.ro/motoare-pas-cu-pas.html

http://www.tme.eu/ro/katalog/drivere-mosfetigbt_112849/#id_category=112847&page=1&s_field=artykul&s_order=ASC

OPTOELECTRONICE – OPTOCUPLOARE

http://www.utgjiu.ro/ing/down/dce1-lucrarea11.pdf

Anexe

Anexa 1. Shema complectă realizată în Express PCB.

Anexa 2. Testarea Mașinii.

Anexa 3. Realizarea masuratorilor in laboratorul de electronica.

Anexa 4. Realizarea masuratorilor in laboratorul de electronica.