Studiul Sistemului Electric de Propulsie a Unei Biciclete Electrice

Cuprins

Capitolul 1. Introducere

Capitolul 2. Componentele sistemului electric de propulsie

2.1 Bicicleta ca mijloc locomotie și componentele consumului de energie

2.2 Ponderea componentelor de putere în ciclism

2.3 Simulare in Matlab a fortelor ce actioneza asupra bicicletei

Capitolul 3. Motorului Electric și transmisia

3.1 Alegerea din catalog a componentelor necesare sistemului

3.2 Calculul economic pt modificare unei biciclete normale in una electrica

Capitolul 9. Microcontroller-ul

9.1 Ce este un microcontroler

9.1 Tehnologii de fabricație

9.1 Arhitectura unui Microcontroler

9.1 Limbaje de programare

Capitolul 9. Schema electrică a plăcii de dezvotare EvB 5.1.

Capitolul 10. Conluzii

Bibliografie

Anexe

Capitolul 1

Introducere

Această lucrare conține studiul sistemului electric de propulsie a unei biciclete electrice.

Se parcurge treptat fiecare parte a sistemului de propulsie. Se simulează în Matlab-Simulik forțele ce acționează asupra bicicletei electrice și se realizează un variator de tensiune continuă comandat cu microcontroler ATMEGA644P folosit pt modificarea turației motorului electric ce actionează bicicleta electrică.

Scopul lucrării este prezentarea unei actionări electrice a unui vehicul care este folosit petru a transporta o persoana.

Luând in considereare energia necesară pentru deplasare, cea mai economica solutie este acționarea electrică a unei biciclete normale.

Pentru obținerea a unor performanțe foarte bune este necesar reproiectarea fiecărei componente a sistemului de acționare. Aceste componte fiind:

– cadrul bicicletei petru a putea transporta bateriile și echiparea cu suspensii,amortizoare;

– fabricarea a unor baterii speciale, cu forma și capacitate electrică adecvată;

– proiectarea unui motor electric și a unui variator de turatie ( DC-DC Converter)

– proiectarea unei transmisii și a unui reductor cât mai fiabil și cât mai performant;

Aceste proiectări a elementelor sistemului necesită foarte mult timp și resurese materiale, de aceea pentru realizarea acestui proiect s-a luat in considerare resursele existente.

Este realizat practic in scop demonstrativ variatorul de tensiune continuă (PWM DC-DC Converter) comandat de microcontroler ATMEGA644P utilizând o placa de dezvoltare EvB 5.1. Această lucrare prezinta și programul realizat care asigura funcționarea corectă a sistemului.

Scopul personal în realizarea acestui proiect a fost realizarea unui variator de tensiune continuă și softul necesar pt microcontroler pt a putea fi folosita la bicicleta electrică personală și pentru a mă familiariza și a aprofunda cunoștințele dobândite legat de microcontrolere și programarea acestora și utilizarea softurilor folosite Simulink, AVR Studio.

Capitolul 2.

Componentele sistemului electric de propulsie

– Masina de lucru (ML) este bicicleta;

– Transmisia face legatura între motor și masina de lucru;

– Masina electrică de actionare (MEA) este cea care furnizeză la arbore energie mecanică absorbind energie electrică de la bateriile acumulatoare, invingând forțele rezistente care apar la arborele motorului;

– Variatorul de tensiune continuă (motor controller) este cea care modifica parametrii energiei electrice cu ajutorul cărora putem modifica intr-o plaja mare turația și putem efectua porniri opriri foarte economic. Motorul funcționând cu ajutorul variatorului pe caracteristici mecanice artificiale.

– Elementele de sigurantă (fuse) și control supraveghează buna funcționare a sistemului și in caz de avarie a unui element opreste instantaneu funcționarea sistemului pentru a proteja celelalte elemente.

– cu ajutorul potențiometrului (speed control) putem regla turația cum dorim iar in cazul frânării contactul de frânare acționeză și deconectează motorul electric și lasa să functioneze frânele mecanice.

Fiecare element este abordat in detaliu prin intermediul capitolului corespunzator.

2.1.Bicicleta ca mijloc locomoție, componentele consumului de energie in ciclism

Bicicleta contemporană de oras permite deplasări pe distanțe scurte și medii cu viteze 15 km/h, cu un efort mai mic decât in timpul mersului pe jos, iar la un efort ușor sporit, vitezele medii pot creste până la 18-20 km/h. Distanțe optime pentru folosirea bicletei este de 3 – 8 km.

Bicicleta poate fi folosită ca mijloc de transport a mărfurilor, exemplu tricicleta prevazută cu container in față sau în spate poate transporta fără dificultate pe drum drept sarcini de 50 – 200 kg cu viteze de 10 ..15 km/h. În condiții transportului uznial se pot construi platforme de transport acționate cu pedale care să se deplaseze cu viteze mici cu sarcini pâna la 2 – 3 tone.

Prin cicloacționare un om poate dezvolta o putere de 0,2 .. 0.5 CP, (150-375 W)

Consumul util de putere N a ciclistului este dat de relatia:

2.1.1 [4]

Unde:

R – rezistenta totală la deplasare [daN];

V – viteza de deplasare [m/s];

– Randamentul mecanic al bicicletei;

Figura.2.1.2 [4]

Ciclistul consumă într-un ritm mediu de 5 ori mai putină energie (0.15 calorii/(g∙Km) decât un mărșăluitor (0,75 calorii/(g∙Km). In figura 2.1.2 este prezentată eficiența diferitelor mijloace de transport măsurată în pasageri transportati pe mila și galon de benzină consumată, din punct de vedere a consumul de energie net superioară este bicicleta și electrobicicleta.

Figura 2.1.3 [4]

Nrr – puterea necesara invingerii rezistentei la rulare

Nrr=Rr∙V (2.1.4) [4]

Rr – Rezistenta la rulare calculabila cu relatia

Rr=Kr∙G (2.1.5) [4]

Kr – coeficietul de rezistenta la rulare

G – greutatea totala bicicleta + pasager

(2.1.6) [4]

Dezaxarea e este datorita petei de contact a pneului cu solul și asimetriei presiunii pe aceasta pata, ca urmare a histerezisului cauciucului.

Figura. 2.1.7 Dezaxare [4]

Roțile cu camere demontabile au anvelopele mai rezistente, mai usor reparabile dar în acelasi timp și mult mai grele. Deasemenea neadmițând decat o presiune moderata de 2..3 atmosfere, determnată o rezstența la rulare mare, datorită unei pete de contact mari cu solul și a frecărilor corespunzatoare. Roțile cu anvelope și camere nedemontabile (baieuri) sunt mult mai usoare (greutatea unui baieu este de 0,100…0,300 daN fata de 0,8..1 daN la o anvelopa cu cameră demontabilă) se admit presiuni de 5…12 atmosfere cea ce asigură o rezistența de rulare 2-3 ori mai mică.

Mărimea petei de contact este dată de presiunea pneurilor, cu cât presiunea este mai mare iar asimetria repartitiei presiunii este atât mai mica.

Pata de contact la baieuri este 2.5…3.5 cm2 , 10..12 cm2 la pneuri demontabile.

Puterea invingerii pantei este data de relatia:

Nrp=Rp∙V (2.1.8) [4]

Rp este rezistența datorită pantei, reprezentând componenta greutații G a bicicletei încărcate pe direcția de mers.

RP=G∙sinα (2.1.9) [4]

Figura 2.8 [4]

Puterea necesara invingerii rezistentei aerodinamice este data de relatia:

Nra=Ra∙V (2.1.10) [4]

Ra rezistenta aerodinamica globala, determinabila prin expresia:

(2.1.11) [4]

A – suprafata frontala, perpendiculara pe directia V de inaintare a biciletei și a ciclistului

Cx – coeficientrul de rezistenta de aerodinamic

ρ – densitatea aerului

(2.1.12) [4]

(2.1.13) [4]

această componentă se mai numeste și „presiune dinamică”.

2.2 Ponderea componentelor de putere în ciclism

Ponderea celor trei componente de baza a consumului de putere cea necesara învingerii frecărilor în transmisiile mecanice, se ține semă prin valoarea subunitară a randamentului mecanic.

Ponderea celor trei componente de bază este intens variabila in funcție de doi factori de bază:

panta α a traseului;

viteza de deplasare V

Circa la 15 km/h rezistența aerodinamică începe să depășescă pe cea de rulare, iar la viteze de 40-50 km/ora rezistența aerodinamică va fi 90% și 10% cele de rulare. Aceasta se datorează cresterii rapide cu pătratul vitezei a rezistenței aerodinamice și cu cubul vitezei a puterii necesare învingerii acesteia.

fig. 2..2.1 Ponderea puterilor consumate pt. Deplasare [4]

2.3 Simularea in Matlab-Simulink a forțelor ce acționeză asupra bicicletei

2.4 Rezultate ale simularii: :[16]

Biciclist 80 kg Bicicleta complet echipata 60 kg. Rezultatele sunt calculate la axul rotii de rulare.

Panta 0°

Forțele rezitente [N] in funcție de viteză:

Km/h

Cuplu [Nm] in funcție de viteză:

Km/h

Puterea necesară [W] funcție de viteză de deplasare:

Km/h

Panta de 3°

Forțele rezitente [N] in funcție de viteza:

Km/h

Cuplu [Nm] in funcție de viteza:

Km/h

Puterea necesara [W] funcție de viteza de deplasare:

Km/h

Capitolul 3

Motorul electric și transmisia

3.1 Alegerea din catalog a componentelor necesare

În funcție de rezutatul simulării, petru a rula pe un drum făra pantă cu o viteză de 18-20 km/h avem nevoie de o putere a motorului de minim 180 W. Pentru a avea pierderi in cupru cât mai mici alegem tensiunea de alimentare de 24V.

Alegem de la firma GOLDENMOTOR motorul de curent continu tip butuc „hub-motor”, în care este inclus și reductorul. Modelul JD-HUB-24.

Figura 3.1.1

Alegem o roată motoare cu cerc și spițe, la diametrul de 26”

La turatia de 174 de rot/min (roata de 26” → diametru d=66 cm)

viteza maxima va fi: Vmax=21 km/h

Curentul maxim absorbit de motor:

In=10.8 [A]

Puterea maxima absorbita:

Pabs=In∙Un=10,8 ∙24=259 W

Ca sursă de energie alegem doua baterii Ub=12V Cn=14Ah.

Capacitatea bateriei la consum maxim va fi conform formulei lui Peuker

Cx=8,9 Ah

Cx/Cn=64%

Timp de rulare la viteza și sarcină maximă aproximativ 100 minute.

Autonomia (distanța parcursă) va fi minim 35 km la o baterie complet încarcata.

3.1.1 Tabel componente [18]

– Variatorul de tensiune continuă alegem modelul MC-BRD-24.

Are protecție la supracurent (Imax 14A)

Deconectează la tensiune scăzuta (Umin 20.5 V).

– Alegem mânere de frâna tip SC-HP-24, in care este inclus și senzor hall pentru modificarea vitezei.

– Ca și accesorii mai echipam bicicleta cu lampa cu indicator de incarcare baterie, claxon electric și cu cheie de siguranta. Modelul LD-01.

– Legaturile intre componentele electrice le realizam cu cablajul tip EW-BR-01.

– Pentru incarcarea bateriilor alegem incarcatorul tip CG-LS-24.

3.2 Calculul economic pt modificarea unei biciclete normale in una electrică:

3.2.1Figura demonstrativa Kit de conversie [18]

Toate componentele pot fi cumparate de la firma GOLDEN MOTOR Luoyang,

Wujin City Jiangsu Province P.R.China 213104. www.goldenmotor.com

Capitolul 4

Variator de tensiune continuă cu SOFTSWITCHING cu curent de trecere zero CZ petru aplicații cu comutație mare (ZCT PWM DC-DC Converter) comandat cu microcontroler

I . Introducere

Acest variator este un circuit cu rezonanță activă care elimină cel mai mult neajunsurile unui convertor cu modulare in latime de puls PWM-normal cu curent de comutatie zero. Acest circuit rezonant este recomandat pentru convertoare cu tranzistoare bipolare (IGBT) de putere și de nivel de frecvență mare.

Convertorul propus poate funcționa cu succes cu comutație soft in condiții de sarcina usoară la o frecvență considerabilă mare.

În continuare sunt prezentate principiile de funcționare, analiza stărilor, procedura de proiectare a ZCT-PWM convertor coborator implementat cu circuit rezonant.

Analiza teoretică este verificata cu o schema a convertorului coborâtor cu curent de trecere zero simulat in programul SIMCAD.

La 90% putere de ieșire, randamentul total a converotrului propus cu comutatie soft crește de la 91% cu comutație hard la până la 98% cu comutație soft.

Termeni specifici folosiți în această lucrare:

Active snubber cell circuit rezonant activ

Zero curent switching (ZCS) curent de comutație zero

Zero curent transition (ZCT) curent de trecere zero

Zero voltage switching (ZVS) tensiune de comutație zero

Zero voltage transition (ZVT) tensiune de trecere zero

fig.1 Variator de curent continu coborâtor cu tranzistor IGBT

Pentru a obține densitate de putere mare, și raspuns rapid in situ circuit rezonant.

Analiza teoretică este verificata cu o schema a convertorului coborâtor cu curent de trecere zero simulat in programul SIMCAD.

La 90% putere de ieșire, randamentul total a converotrului propus cu comutatie soft crește de la 91% cu comutație hard la până la 98% cu comutație soft.

Termeni specifici folosiți în această lucrare:

Active snubber cell circuit rezonant activ

Zero curent switching (ZCS) curent de comutație zero

Zero curent transition (ZCT) curent de trecere zero

Zero voltage switching (ZVS) tensiune de comutație zero

Zero voltage transition (ZVT) tensiune de trecere zero

fig.1 Variator de curent continu coborâtor cu tranzistor IGBT

Pentru a obține densitate de putere mare, și raspuns rapid in situații tranzitorii în bine cunoscuta variatoare cu modulatie in lățime de puls PWM, frecvența de comutație poate fi mărită cu scăderea pierderilor de comutație prin folosirea circuitelor rezonante.

In literatură sunt multe tipuri de astfel de circuite, ca RC/RCD, polarizat/nepolarizat, rezonant/nerezonant, active sau passive. In ultimii ani la convertoarele cu tensiune de trecere zero (ZVT) și cu curent de trecere zero (ZCT) sunt adăugate circuite rezonante active pentru a combina facilităție ambelor tehnici de modulare prin latime de puls (PWM) rezonant și normal.

În convertorul normal ZCT-PWM, comutația principală este perfect blocat sub curent de comutație zero (ZCS) și tensiune de comutație zero (ZVS) furnizat de ZCT cu rezonanță serie. Comutația auxiliară este amorsat, cu aproape ZCS. Aceste operații sunt putin dependente de condițiile de linie și de incarcare. Pe de altă parte, ventilul principal este deschis și dioda principală este blocată simultan cu comutație hard, în felul acesta are loc un scurt circuit in același timp. Prevenirea acestui scurt circuit este foarte greu de realizat, cauzează pierderi și interferențe electromagnetice (EMI) zgomot de mare amplitudine.

De asemenea ventilul auxiliar este blocat tot prin comutație hard, și capacitățile parazite sunt descărcate prin ventilele proprii.

În zilele noastre sunt larg răspândite tranzistoare IGBT in dispozitivele de comutație in aplicațiile industriale de putere mare. Tranzistorul IGBT are putere de comutație mare, pierderi in conductie mici, preț redus, dar pierderi relativ mari de comutație. Pierderile la blocare sunt pierderile cele mai mari in raport cu pierderile totale a IGBT-ului.

Capitolul 5

II. Principiile de funcționare și analiza acestora

A. Definiții

Schema circuitului înbunătățit a variatorului coborator cu curent de tranzitie nero ZCT-PWM este prezentat in figura 1. Circuitul este compus dintr-o bobina rezonanta Lr și un condensator rezonant Cr, și un ventil principal S1 și un ventil auxiliar S2 care este un tranzistor IGBT impreuna cu dioda. Ventillul auxiliar are putere mai mica decat ventilul principal.

Pentru a simplifica analiza stărilor de comutație pe un singur ciclu de comutație, presupunem ca tensiunea de intrare și de ieșire și curentul de ieșire sunt constante, și semiconductoarele și circuitul rezonant sunt ideale fără pierderi.

fig.2 Scheme de circuit echivalente pentru fiecare stare a convertorului propus

B.Stări de operare

Șapte stări au loc intr-un singur ciclu de comutație la convertorul propus. Circuitele echivalente ale acestor stări sunt prezentate in figura 2 (a)-(g). formele de unda și strategia de comandă sunt prezentate in figura 3.

Fig.3 formele de undă și de comandă în convertor

Starea 1 [t0<t<t1:Fig 2(a)]

La începutul acestei stari tranzistorul principal T1 este in stare blocată (off). Dioda principală DF este in stare de conductie (on) și trece prin ea curentul de sarcină I0. In acest moment sunt valabile:

ii=0; iS1=0; iS2=0; iDF=I0 vCr=Vi

La t=t0, un semnal de comandă este aplicat pe grila tranzistorul principal T1 și curentul începe să treacă prin el. Panta de creștere a acestui curent este limitat de Lr. Pe durata acestei stări curentul prin T1 creste și curentul prin DF scade simultan și linear.

(1)

(2)

La t=t1, curentul prin T1 atinge valoarea I0 și curentul prin DF scade la zero și aceasta stare ia sfârșit.Intervalul de timp t01 a acestei stări este:

(3)

Din acest motiv curentul de incărcare I0 este comutat de pe DF pe T1 prin comutație soft. T1 este trecut în starea de conducție sub aproape curent zero de comutație (ZCS) prin Lr și DF este blocat prin tesniune zero de comutație (ZVS) datorată lui Cr.

Starea 2 [t1<t<t2:Fig 2(b)]

La t=t1, apare rezonantă între Lr și Cr prin circuitul Lr – T1 – D2 – Cr sub un curent constant I0.

De asemenea curentul initial prin Lr este I0. Aici dioda D2 trece în conducție aproape cu curent zero de comutație (ZCS) care trece prin Lr. Pentru această rezonanta:

(4)

(5)

(6)

(7)

Din aceste ecuații sunt valabile:

(8)

(9)

este frecvența unghiulară a rezonanței și IRM este valoarea de vârf a curentului de rezonanță. În timpul acestei stări, atât timp cât tensiunea Cr scade, tensiunea DF creste. Astfel dioda principală DF este blocat sub tensiune de comutație zero (ZVS).

La t=t2, curentul de rezonanță devine zero și această stare ia sfârșit. Curentul prin T1 scade din nou la I0, curentul prin D2 scade la zero și tensiune Cr devine –Vi in același timp. Dioda D2 este blocat sub aproape curent zero de comutație din cauza lui Lr. La sfârșitul acestei stări polaritatea tensiunii pe Cr este reversat. Intervalul de timp t12 acestei stări este:

(10)

Durata t12 a acestei stări este egal cu jumătate de ciclu de rezonantă tR/2.

Starea 3 [t2<t<t3:Fig 2(c)]

In această stare este starea de conductie a variatorului PWM

(11)

Starea 4 [t3<t<t4:Fig 2(d)]

La t=t3, este aplicat pe grila tranzistorului auxiliar T2 un semnal de comandă. Este deschis cu aproape ZCS curent zero de comutatie datorat lui Lr. Apare o rezonantă invesa între Lr și Cr pe calea Cr – T2 – T1- Lr la curent constant I0 în același timp.Pentru această stare se obțin următoarele ecuații.

(12)

(13)

(14)

La timpul t=t4 curentul prin T2 atinge I0 și curentul prin T1 scade la zero, iar acesta stare se termină. Durata acestei stări este de t34.

(15)

Starea 5 [t4<t<t5:Fig 2(e)]

Imediat după t=t4, dioda D1 intră în conducție aproape ZCS curent de comutație zero și rezonanță ce a început contiună prin T2 și D1. Astfel D1 conduce surprusul de curent rezonant de la curentul de încărcare I0. Pentru acest caz ecuațiile sunt:

(16)

(17)

(18)

La t=t5, curentul prin T2 scade din nou la I0 și curentul prin D1 devine zero, și aceasta stare se termină. D1 este blocat cu aproape curent zero de comutatie (ZCS) din cauza lui Lr. Durata acestui interval este:

(19)

Durata acestei stări este egală cu timpul ZCT tZCT a convertorlui. Numai acum trebuie întrerupt semnalul pe poarta tranzistorului principal T1, în care D1 este in stare de conductie în asa fel trazistorul principal este blocat perfect sub curent de comutație zero (ZCS) și (ZVS) și tensiune de comutație zero furnizat de (ZCT) curent de tranziție zero.

Starea 6 [t5<t<t6:Fig 2(f)]

În timpul acestei stări, condensatorul Cr este incărcat de VCr5 la tensiunea Vi cu un curent constant I0. La t=t6, tensiunea VCr pe Cr atinge Vi și curentul I0 este comutat de pe T2 pe DF cu comutație soft. Blocarea lui T2 și intrarea în conducție a lui DF se face natural, tensiune de comutație zero (ZVS). Pentru această situație se obțin ecuațiile:

(20)

(21)

(22)

După perioada de timp t6 semnalul de pe poartă T2 trebuie întrerupt.

Starea 7 [t6<t<t7=t0 :Fig 2(g)]

Acestă stare este starea de oprit a convertorului PWM.

In această situație

(23)

În t=t7 se termină un ciclu complet și începe un ciclu nou de comutație.

Proiectarea și simularea variatorului de curent continu cu circuit rezonant cu comutatie la curent zero CZ și a sistemului de acționare

Pornim de la datele sistemului de actioare

Motor folosit este unul de curent continu cu magneti permaneti, pentru care se proiecteaza variatorul de tensiune contiuna cu comutatie la curent zero.

-Date de pe placuta motorului:

in regim de generator

Tensiunea maxima 24V

Curent maxim 16A

-Date obtinute prin masurare

Ra=0.3 Ohm

-Transmisia

Este realzata reductor in doua trepte, treapta 1 cu curea,si treapta doi prin lant actionand roata vehicolului.

La tensiunea de alimentare de 24V turatia in gol atinge 1800 rot /min in sarcina nominala nnom este 1200-1500 rot/min.

Tensinuea de alimentare este furnizata de doua baterii de 12V 24 Ah legate in serie:

Vi=24 V

Curentul maxim absorbit de sarcina de scurta durata este:

I0max=20 A

Curentul maxim rezonant IRM:

Impedanta circuitului rezonant este:

Inductanta de rezonanta este:

Alegem condensatorul de rezonanta Cr

Alegem tranzistore cu timp de blocare mai mici de tf<500 ns

f= 32 kHz

Capitolul x

II.2 Microcontroller-ul

II.2.1 Ce este un microcontroller?

La modul general un controler ("controller" – un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman.

Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI ) și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "străluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri. În primul rând și cel mai important este funcționalitatea sa. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie să i se adauge alte componente ca memorie, sau componente pentru primirea și trimiterea de date. Pe scurt, aceasta înseamnă că microprocesorul este inima computerului

Microcontroller [3]

Pe de altă parte, microcontrolerul este proiectat să fie toate acestea într-unul singur. Nu sunt necesare alte componente externe pentru aplicarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt deja incluse în el.

II.2.2 Tehnologii de fabricație

Practic cea mai mare parte a microcontrolerelor se realizează la ora actuală în tehnologie CMOS (tehnologii similare seriilor standard CMOS de circuite numerice HC, AC, ALV).Se pot realiza astfel structuri cu un consum redus (care depinde de frecvența de lucru) permițând eventual alimentarea de la baterie.

Logica internă este statică (total, sau în cea mai mare parte) permițând astfel, în anumite condiții, micșorarea frecvenței de ceas sau chiar oprirea ceasului în ideea optimizării consumului.Tehnologia este caracterizată și de o imunitate mai mare la perturbații, esențială într-un mare număr de aplicații specifice.Se realizează și variante pentru domeniu extins al temperaturii de funcționare (de exemplu –40… +85 °C).

Structura interna a unui microcontroller [3]

Există diverse variante de încapsulare (plastic și mai rar ceramică), multe destinate montării pe suprafață (SMT) : DIP (de la 8 la 68 pini), SOIC, PLCC, PQFP, TQFP (> 100 pini).

II.2.3 Arhitectura unui microcontroler

Arhitectura unității centrale de calcul (CPU) este unul din elementele cele mai importante care trebuie avut în vedere în analiza oricărui sistem de calcul. Principalele concepte luate în considerare și întâlnite aici sunt următoarele:

Arhitecturi de tip " Harvard "

La această arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. În consecință ar trebui să existe și magistrale separate (de adrese și date) pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date.

CISC

Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80 instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate.

RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computer) este un concept de realizare a CPU care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

II.2.4 Limbaje de programare

Limbajul mașină (instrucțiunile mașină) este singura formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o "înțelege" (ca de altfel orice alt sistem de calcul !). Din păcate această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care o instrucțiune (o mnemonică cu operanzii aferenți) are drept corespondent o instrucțiune în limbaj mașină (excepție fac macroinstrucțiunile disponibile la unele asambloare).

Un program în limbaj de asamblare este rapid și compact. Aceasta nu înseamnă că un astfel de program, prost scris, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total (și responsabilitatea !) pentru execuția programului și gestiunea resurselor. Limbajul de asamblare este primul care trebuie învățat, chiar sumar, atunci când dorim să proiectăm o aplicație hard/soft cu un anume microcontroler (familie), el permițând înțelegerea arhitecturii acestuia și utilizarea ei eficientă.

Interpretare

Un interpretor este o implementare a unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este de fapt un program rezident care, în acest caz, rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Caracteristic pentru execuția unui program interpretat, este citirea și executarea secvențială a instrucțiunilor (instrucțiune cu instrucțiune). De fapt fiecare instrucțiune de nivel înalt este interpretată într-o secvență de instrucțiuni mașină care se execută imediat.

Compilatoare

Un compilator combină ușurința în programare oferită de un interpretor (de fapt de limbajul de nivel înalt) cu o viteză mai mare de execuție a codului. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel înalt, este translatat (tradus) direct în limbaj mașină sau în limbaj de asamblare (urmând a fi apoi asamblat). Codul mașină rezultat are dimensiuni relativ mari (dar mai mici decât cel interpretat) și este executat direct, ca un tot, de microcontroler.

Diagrama de lucru a unui compilator multi-limbaj [20]

De regulă codul generat poate fi optimizat fie ca dimensiune, fie ca timp de execuție. Se pot enumera compilatoare pentru limbajele: C, BASIC, Pascal, PL/M (Intel), Forth.

Capitolul X

Sistemul de comunicare pe magistrala 1-Wire

1-Wire este un protocol de comunicare Bus System proiectat de Dallas Semiconductor Corp. , care transferă date cu viteză redusă, semnale, precum transferă și putere printr-un singur semnal pe un singur fir.

1-Wire în concept este similar ca și I²C , dar cu rate mai mici de transfer și cu o rază de acțiune mai mare. Acest protocol este folosit pentru a comunica cu mici dispozitive ieftine , cum ar fi termometre digitale și instrumente meteorologice.

O rețea de dispozitive de 1-Wire contine un Dispozitiv Master asociat cu alte dispozitive Slave. Aceasta retea se numește MicroLAN.

O caracteristică distinctivă a Magistralei este că se utilizează doar două fire: date și masă. Pentru a realiza acest lucru, dispozitive 1-Wire includ un condensator de 800 pF pentru stocarea energiei si care este folosit pt alimentarea dispozitivului în timpul perioadelor când linia de date este activă.

Dispozitivele 1-Wire pot avea diferite utilizări si diferite functii.

Dispozitive 1-Wire sunt disponibile ca elemente unice în forma de circuit integrat și cu capsulare TO92 de exemplu sau în unele cazuri intr-o formă portabilă numit un iButton care seamănă cu o baterie de ceas. Producătorii de asemenea, produc dispozitive mai complexe decât o singură componentă care folosesc BUS-ul 1-Wire pentru a comunica.

Dispozitivele 1-Wire pot fi:

– una din mai multe componente de pe placa circuitului electronic într-un produs

– poate fi o singura componenta într-un dispozitiv cum ar fi o sondă de temperatură

– pot fi atașate mai multe dispozitive la un dispozitiv de monitorizare.

Unele sisteme de laborator sau sisteme de achiziție de date și control se pot conecta la dispozitive 1-Wire utilizând cabluri cu conectori modulare sau cu cablu CAT-5.

Dispozitivele pot fi montate în soclu cu priză sau încorporate într-un mic PCB, sau atașat la obiectul monitorizat.

În astfel de sisteme sunt populare RJ11 (6P2C 6P4C sau socluri modulare , utilizate în mod obișnuit pentru telefoane).

Sisteme de senzori și actuatori pot fi construite prin conectarea împreună a componentelor prin magistrala 1-Wire. Fiecare componentă conține toata logica necesare pentru a opera pe Magistrala 1-Wire.

Exemple: senzori de temperatură, cronometre, senzori de tensiune, monitorizare de baterii, și memorii. Acestea pot fi conectate la un PC cu ajutorul unui BUS convertor. USB , RS-232 serial sau de port parallel, interfețele care sunt soluții populare pentru conectarea MicroLAN la PC gazdă.

Dispozitive 1-Wire pot fi de asemenea conectate la microcontrolere de la diferite furnizori.

Java Ring

IButton (de asemenea, cunoscut sub numele de Key Dallas) este un standard de capsulare care plasează o componentă de 1-Wire în interiorul unei capsule din oțel inoxidabil "butonul", care este similar cu o baterie de ceas în formă de disc.

iButton "Smart ticket" Istambul

iButton sunt conectate la sistemele de BUS 1 Wire prin prize cu contacte care ating de "capacul" și "de bază" capsulei sau conexiunea poate fi realizata și semi-permanenta cu o priză.

Java Ring este un iButton montat pe un inel compatibil cu Java Virtual Machine și cu Java Card 2.0 care a fost dat la participanții la Conferinta JavaOne din 1998.

Fiecare cip 1-Wire are un cod ID unic. Această caracteristică face ca chipurile sa fie unice. Este adecvat pentru utilizare ca o cheie pentru a deschide o încuietoare, sau pt dezactiva alarme antiefractie sau autentificarea utilizatorilor in sistemul de calcul, pot opera ca sisteme de ceas etc.

iButtons au fost utilizate in Turcia la bilete inteligente pentru transportul public in comun .

Utilizarea BUS 1 Wire

În orice MicroLAN , există întotdeauna un Master responsabil general, care poate fi un PC sau un microcontroler. Masterul inițiază activitatea pe BUS, evită coliziunile pe BUS. Sunt construite protocoale în software pentru a detecta coliziuni. După o coliziune, Masterul reîncearcă comunicarea necesară.

Multe dispozitive pot partaja același BUS. Fiecare dispozitiv pe BUS are un număr serial unic de 64 de biți. Byte-ul cel mai puțin semnificativ al numărului serial este un număr de 8 biți care spune tipul dispozitivului. Cel mai semnificativ octet este un standard (pentru BUS 1-Wire) 8 biți CRC.

Există mai multe comenzi standard transmise pe BUS, precum comenzi utilizate pentru a aborda un dispozitiv special. Masterul poate trimite o comandă de selecție, apoi adresa unui anumit dispozitiv. Următoarea comandă este executată numai de dispozitivul adresat.

Protocolul de enumerate 1-wire a Magistralaui (descris mai târziu), ca și alte protocoale, este un algoritm, Masterul este folosit pentru a citi adresa fiecarui dispozitiv de pe BUS. Deoarece adresa include tipul aparatului și o informație CRC, citirea registrului adresa produce, de asemenea, un inventar a dispozitivelor de pe BUS. Spațiul de adrese pe 64 de biți este căutat ca un arbore binar, permițând găsirea până la 75 dispozitive pe secundă.

Rețeaua Dallas 1-Wire este implementat fizic ca un colector deschis. Un dispozitiv master conectat la Slave, care pot fi unul sau mai multe cu colectoare deschise. Un singur rezistor pull-up este comun pentru toate dispozitivele și acționează pentru a ridica cu Magistrala până la 3 sau 5 volți și poate furniza puterea pt dispozitivelor Slave. Comunicare se produce atunci când un Master sau Slave afirmă valoare BUS scăzut, adică leagă resistor-ul la masa prin MOSFET-ul de ieșire. De asemenea sunt disponibile cipuri 1-Wire Driver și Brige specifice.

Rate de date de 16,3 kbit / s poate fi atins. Există, de asemenea, un mod de overdrive care accelerează comunicarea cu un factor de 10.

Capitolul x

Placa de dezvoltare EvB 5.1 cu microcontroler ATMEGA 644P

EVB 5.1 este o placa de dezvoltare ce se bazează pe două tipuri de microcontrolere populare de la firma Atmel, ATMega16 și ATmega32.

Placa este echipată cu un număr mare de elemente periferice care sunt conectate la PINI de pe placa. Acesti pini permit utilizatorului să poata sa puna rapid în aplicare a oricărui proiect fără a fi nevoie pentru a construi o placa PCB de la 0. Totii pinii sunt etichetate, asezate in apropierea microcontrolerului facilitând conectarea usoara și rapida a perifericelor.

KIT-ul EVB 5.1 a fost creat atat pentru utilizatorii fara experiență, cei care face primii pași în lumea microprocesoarelor dar și pentru programatori profesionisti care caută o platformă universală pentru proiectele lor.

Versiunile anterioare ale placii de dezvotare EvB4.3 au fost aplicate cu succes pentru un număr mare de proiecte majore la universități poloneze. În prezent placile sunt utilizate la universitățile din regiunea Silezia.

Conectarea la calculator a placii de dezvoltare:

Comunicarea placii de dezvoltare EVB 5.1 cu PC-ul a fost conceput pentru a utiliza un USB-UART convertor FT232RL (un port COM virtual). Sistem FT232RL este conectat la linii procesorului TXD și RXD. Pe PC se instaleaza un driver de port COM virtual disponibil la adresa:

http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm

Perifericele folosite in acest proiect:

Microcontroler ATMEGA 644P

Potentiometru

Afisaj LCD 2×16 HD44780 Hitachi

Senzor temperatura 1-Wire Dallas DS18B20

Motor curent continu cu magneti permaneti

Alimentator de la 220V la 12V 19,8W

38,4 Ohm

1170 Ohm

–

– Microcontroler ATMEGA644P

Potențiometru

– Potentiometrul este folosit pt reglarea turațiea motorului de curent contiu cu magneti permanenti.

– Pt citirea valorii potentimetrului trebuie inplementat conversia Analog-Numerica ADC

Sunt utilizate in proiect programul sursa Adc.c și header Adc.h

– Potentiometrul regleaza o tensiue intre valoare 0 si 5V la pinul PA6 a microcontrolerului.

– Conversia ADC Analog Numerica furnizeaza in functie de pozitia potentiometrului o valoare pe 8 biti care in decimal este intre 0 si 255.

– 0 este atunci cand rezistenta potentiometrului este minim aprox. 40 Ohm

– 255 este cand rezitenta este de 1,2 KOhm

Potentiometrul fizic este legat de la POT 1 (pin 2) la pinul PA6 a microcontrolerului

in capitolul Aplicatia software se gaseste codul programului conversia ADC

Afisaj LCD HD44780 Hitachi 2×16

Descriere

Ecranul cu cristale lichide HD44780U comandat de controlerul LSI afișează caractere alfanumerice,chiar și caractere japoneze, și simboluri.

Acesta poate fi configurat pentru a comanda un ecran cu cristale lichide cu matrice de puncte controlat de un microprocesor 4- sau 8-biți.

Un sistem minimal poate fi conectat la acest controler / driver deoarece toate functiile, cum ar fi acesarea RAM ecran, Generator de caractere, și Driver-ul ecranului cu cristale lichide, sunt capsulate pe un singur cip. Acest cip are functia de a comanda afișajul cu cristale lichide dot-matrix.

Un singur HD44780U poate afișa până la 2 linii de 16 caractere.

Sursa de alimentare scăzută (2.7V la 5.5V) a HD44780U este potrivit pentru orice echipament portabil alimentat de la baterie fiindcă are consumul foarte redus de energie.

Caracteristici

5×8 și 5×10 matrice de puncte sunt posibile de afisat

Tensiune scazuta de alimentare de la 2.7 la 5.5V

Gama larga de alimentare a driverului de afișare de la 3.0 la 11V

Interfata de 4-bit sau interfață MPU pe 8 biți

80×8-bit RAM afișaj (maxim 80 de caractere.)

9,920-bit ROM generator caractere pentru un total de 240 de fonturi de caractere

208 fonturi caractere (5×8 puncte)

32 fonturi de caractere (5×10 de puncte)

Generator de caractere de 64 x8-bit RAM

8 fonturi de caractere (5×8 puncte)

4 fonturi de caractere (5×10 de puncte)

Driverul de afișare cu cristale lichide 16 comune 40 segmente

Ciclurilor de funcționare programabile

1/8 pentru o linie de 5×8 puncte cu cursor

1/11 de o linie de 5×10 punctele cu cursorul

1/16 pentru două linii de 5×8 puncte cu cursor

Gamă largă de funcții instructiuni:

stergere afișaj, cursor acasă, afișare on / off, cursorul on / off, afișarea caracter clipire, schimbare cursor,schimbare mod de afișare.

– Compatibilitate pini cu HD44780S

– Circuit automat de resetare care inițializează controler / driver după alimentare

– Oscilator intern cu rezistențe externe

– Consum redus de energie

Pt a putea fi folosit in proiect este necesar adaugarea la proiect libraria HD44780.c si HD44780.h si HD44780_settings.hCapitolul x

Rutina de cod:

*

*

*

* Created: 30 05 2015

*

* Description: PWM Termometru ADC Potentiomentru

*/

#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>

#include <stdio.h>

#include "types.h"

#include "dallas_one_wire.h"

#include "hd44780.h"

#include "crc8.h"

#include "adc.h"

#include "pwm.h"

int main(void)

{

InitADC();

PWM_Init();

PWM_Start();

lcd_init();

// Afisare Versiune / Autor Program

lcd_goto(0); //randul 1

lcd_puts("Variator MCC PWM");

lcd_goto(0x40); //randul 2

lcd_puts("DC-DC V.01.14");

Delay_s(3);

lcd_goto(0); //randul 1

lcd_puts(" ");

// *******************************

uint8_t buffer[9];

uint8_t ok;

uint16_t measure;

uint8_t subzero;

uint8_t temp_int;

uint16_t temp_fract;

uint8_t j;

uint8_t DutyA;

uint8_t DutyB;

DutyA=0;

DutyB=0;

uint8_t DutyAinitial;

uint8_t DutyBinitial;

uint8_t DutyAPozitie;

uint8_t DutyAProcent;

uint8_t DutyBProcent;

uint8_t DutyAPozitieProcent;

DutyAPozitie=0;

DutyAinitial=0;

DutyBinitial=0;

j=0;

void termometru(void)

{

ok=dallas_reset();// Reset magistrala 1-wire

if(!ok)

{

//Afisare lipsa senzor temperatura

lcd_goto(0x40);

lcd_puts("Lipsa Termomentru");

Delay_s(1);

}

dallas_write_byte(SKIP_ROM_COMMAND);//omisiune a verifica id-ul din ROM.

dallas_write_byte(CONVERT_T_COMMAND); //Converteste temperatura

_delay_ms(750);// asteptare 750ms pt conversie

dallas_reset();//reset magistrala 1-wire

dallas_write_byte(SKIP_ROM_COMMAND);//omisiune a verifica numarul ROM dvs.

dallas_write_byte(READ_SCRATCHPAD_COMMAND);//vom angaja date citit

dallas_read_buffer(buffer,9);//Citim datele din termometrul

if(buffer[8]!=crc8(buffer,8))

{

//verifica suma citit kontrol CRC

lcd_goto(0x40);

lcd_puts(" CRC8 ERROR ");

}

measure=(uint16_t)buffer[0]+(((uint16_t)buffer[1])<<8);// 2 bytes de date temperatura

if(measure&0x8000)

{

// daca rezultatul este negativ se stocheaza informatii despre caracterul și converteste numarul de cod de pe o U2 pozitiv

subzero=1;

measure ^= 0xFFFF;

measure += 1;

}

else

{

subzero=0;

}

//împartiti numarul de pe partea întreaga

temp_int=measure>>4;

temp_fract=(measure&0x000F)*625;

if (temp_int<33)

{

lcd_goto(0x40);

lcd_puts("Tmp-Mot=");

if(subzero)

{

lcd_puts("-");

}

else

{

lcd_puts("+");

}

sprintf((char*)buffer,"%03d.%04d",temp_int,temp_fract);

lcd_puts((char*)buffer);

lcd_puts("C ");

}

else

{

lcd_goto(0x40);

lcd_puts("TEMP MOTOR MARE!");

}

}

// *************************************************************************************

while(1)

{

if (j>=30)

{

termometru();

j=0;

}

ADC_SetChannel(6);

StartConversion(); // Start citire potentiometru

while (IsConversionReady() == 0);

DutyAinitial=DutyA;

DutyA=GetConversion();

if (DutyA>DutyAinitial)

{

DutyAPozitie=DutyA;

DutyAinitial=DutyAinitial++;

PWM_SetDutyA(DutyAinitial);

DutyA=DutyAinitial;

}

if (DutyA<DutyAinitial)

{

DutyAPozitie=DutyA;

DutyAinitial=DutyAinitial–;

PWM_SetDutyA(DutyAinitial);

DutyA=DutyAinitial;

}

ADC_SetChannel(7);

StartConversion(); // Start citire potentiometru

while (IsConversionReady() == 0);

DutyBinitial=DutyB;

DutyB=GetConversion();

PWM_SetDutyB(DutyB);

DutyAPozitieProcent=(DutyAPozitie*100)/255;

DutyAProcent=(DutyA*100)/255;

DutyBProcent=(DutyB*100)/255;

sprintf((char*)buffer,"Viteza %03d < %03d",DutyAPozitieProcent,DutyAProcent);

lcd_goto(0); //randul 1

lcd_puts((char*)buffer);

j=j++;

}

}

PWM

#include <avr/io.h>

#include "types.h"

// TCCR0A register defines

/// COM0A 1..0

#define PWM_OC2A_DISCONN ((u8)0x00)

#define PWM_OC2A_TOGGLE ((u8)0x40)

#define PWM_OC2A_CLEAR ((u8)0x80)

#define PWM_OC2A_SET ((u8)0xC0)

/// COM0B 1..0

#define PWM_OC2B_DISCONN ((u8)0x00)

#define PWM_OC2B_TOGGLE ((u8)0x10)

#define PWM_OC2B_CLEAR ((u8)0x20)

#define PWM_OC2B_SET ((u8)0x30)

// WGM0 1..0

#define PWM_WGM_NORMAL ((u8)0x00)

#define PWM_WGM_PWM_PHS_CORR ((u8)0x01)

#define PWM_WGM_CTC ((u8)0x02)

#define PWM_WGM_PWM_FAST ((u8)0x03)

// TCCR0B register defines

// FOC0A and FOC0B

#define PWM_FORCE_OUTP_CMP_A ((u8)0x80)

#define PWM_FORCE_OUTP_CMP_B ((u8)0x40)

// WGM2 bit 2

#define PWM_WGM_PWM_TOP_OCRA ((u8)0x08)

// CS 2..0

#define PWM_NO_CLOCK ((u8)0x00)

#define PWM_NO_PRESC ((u8)0x01)

#define PWM_PRESC_8 ((u8)0x02)

#define PWM_PRESC_64 ((u8)0x03)

#define PWM_PRESC_256 ((u8)0x04)

#define PWM_PRESC_1024 ((u8)0x05)

#define PWM_EXT_FALLING ((u8)0x06)

#define PWM_EXT_RISING ((u8)0x07)

// Timer/Counter interrupt bits for TIMSK0 and TIFR0 registers

#define PWM_OVFL_INT ((u8)0x01)

#define PWM_OC_A_INT ((u8)0x02)

#define PWM_OC_B_INT ((u8)0x04)

void PWM_Init(void)

{

DDRD |= 0xC0;

TCCR2A =0b10100001;

// PWM_OC2A_SET | PWM_OC2B_SET | PWM_WGM_PWM_PHS_CORR // PWM_WGM_PWM_FAST;

TIMSK2 = 0x00;

OCR2A = 0x00;

OCR2B = 0x00;

TCCR2B = 0x00;

}

void PWM_Start(void)

{

TCCR2B |= PWM_NO_PRESC; // PWM_PRESC_1024;

}

void PWM_SetDutyA(u8 val)

{

OCR2A = val;

}

void PWM_SetDutyB(u8 val)

{

OCR2B = val;

}

Capitoul X

Schema electrică a plăcii de dezvotare EvB 5.1

Concluzii

Bibliografie

Bibliografie