Controlul inteligent al iluminării unei locuințe [308055]

Universitatea “Politehnica” [anonimizat]: [anonimizat]. Adriana FLORESCU Eduard NEDELCU

2017

Cuprins

Capitolul 1. Sisteme Automate

Scurt istoric și evoluția automatizării

Arhitectura microcontrolelor

Caracteristici generale

Microcontrolerul ATmega328

[anonimizat] 2. Senzori și traductori

Traductorul

Fotorezistorul

Principiul de funcționare

Caracteristici

Capitolul 3. Sistemul de dezvoltare Arduino UNO

Generalități Arduino

Hardware Arduino Uno

Programarea

Capitolul 4. Realizarea practică

Descrierea realizării practice

Procesul de tehnologizare

Rezultatul final

Schema electrică

Concluzii

Bibliografie

Anexe

Listă figuri

Figura 1.1. Schema unei mașini von Neumann

Figura 1.2. Microcontrolerul ATmega328

Figura 1.3. Diagrama bloc a microcontrolerului ATmega328

Figura 1.4. Joncțiunea PN polarizată în sens direct

Figura 1.5. Caracteristica diodei cu joncțiune PN

Figura 1.6. Dioda LED

Figura 1.7. Schema funcționării unui LED

Figura 1.8. Caracteristicile diodei LED

Figura 1.9. Structura tranzistorului bipolar

Figura 1.10. Mișcarea curenților prin tranzistorul bipolar

Figura 1.11. [anonimizat] a tranzistorului bipolar

Figura 1.12. Diagrama pinilor unui display LCD

Figura 1.13. Structurа și schemа echivаlentă а unui tiristor

Figura 1.14. Simbolul și cаrаcteristicа curent-tensiune а unui triаc

Figura 1.15. Schemа electronică а unui optocuplor

Figura 1.16. Cаrаcteristicile de protecție аle unei sigurаnțe fuzibile

Figura 2.1. Schema bloc a unui traductor

Figura 2.2. Fotorezistor

Figura 2.3. Principiul de funcționare al fotorezistorului

Figura 2.4. Mișcarea electronilor și a golurilor prin benzile de valență

Figura 2.5. Dependența lungimii de undă de sensibilitate

Figura 3.1. Tipuri de plăci Arduino

Figura 3.2. Sistemul de dezvoltare Arduino Uno

Figura 3.3. Sistemul de dezvoltare Arduino Uno

Figura 3.4. Selectarea plăcii potrivite din meniul programului Arduino

Figura 3.5. Selectarea portului potrivit din meniul programului Arduino

Figura 4.1. Structura microcontrolerului ATmega328

Figura 4.2. [anonimizat] 4.3. Schema logică a unui display LCD

Figura 4.4. Arhitectura internă a optotriacului cu circuit de detectare a trecerii prin zero

Figura 4.5. Placa pentru prototipuri tip “breadboard”

Figura 4.6. Cablaj de test

Figura 4.7. Stație de lipit cu letcon

Figura 4.8. Cablajul final

Figura 4.9. Cablaj placă față

Figura 4.10. Cablaj placă spate

Listă tabele

Tabel 1.1. [anonimizat] 3.1. Caracteristici Arduino Uno 48

[anonimizat] – International Business Machines Corporation

TX 0 – Transistorized eXperimental Computer 0

PDP-1 – Programmed Data Processor-1

DEC – [anonimizat] – [anonimizat] – [anonimizat] – Complex Instruction Set Computers

RISC – Reduced Instruction Set Computing

RAM – Random-access memory

ROM – Read-only memory

EPROM – Erasable Programmable Read Only Memory

CMOS – Complementary metal-oxide-semiconductor

AVR – familie de microcontrolere dezvoltată de ATMEL

MIPS – Million Instructions Per Second

ALU – Unitate logică aritmetică

EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

SRAM – Static Random Access Memory

PWM – Pulse-width modulation

USART -Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter

ADC – Analog-to-digital converter

TQFP – Thin Quad Flat Package

QFN – Quad Flat No-leads package

MLF – Micro Lead-Frame

SPI – Serial Peripheral Interface Bus

ISP – In-System Programming

LED – Light-emitting diode

LCD – Liquid-crystal display

ASCII – American Standard Code for Information Interchange

SRA – Sisteme de reglare automata

LDR – Rezistori dependenti de lumina

IR – Infrared

IDE – Mediu de dezvoltare simplu integrat

USB – Universal Serial Bus

DFU – Device Firmware Update

ICSP – In Circuit Serial Programming

GND – Ground

UART – Universal asynchronous receiver/transmitter

SMD – Surface-mounted device

THT – Through-hole technology

A – Amper

AC – Alternative Current

H- Henry

Hz – Hertz

J- Joule

K – Kilo

KB – Kilobyte

Introducere

Pentru proiectul de diplomă am ales tema “Controlul inteligent al iluminării unei locuințe” deoarece tehnologia a evoluat semnificativ în ultimii ani, ceea ce face ca ideea de casă inteligenta să nu mai țină de domeniul fantasticului ci să devină o soluție realistă și ușor de implementat în orice casă.

Conceptul de casă inteligentă presupune controlarea funcționalităților instalațiilor dintr-o locuintă prin scenarii predefinite sau dacă toate subsistemele (controlul iluminatului, controlul temperaturii, sonorizarea ambientală, alarmele de incendiu, irigații, etc.) sunt integrate într-un singur sistem și pot fi controlate printr-o interfată grafică facilă și ușor de folosit pentru proprietar.

Utilizatorul poate beneficia foarte ușor de un sistem pentru pornirea, respectiv stingerea luminii în funcție de nivelul luminii din mediu înconjurător , dezvoltându-se astfel sisteme pentru economirea energiei, renunțând de altfel și la interacțiunea directă a utilizatorului cu sistemul de iluminat.

Avantajele deținerii unei astfel de locuințe sunt următoarele: siguranța, economia de resurse materiale și de timp, protecția mediului înconjurător, toate acestea neputând fi realizate dacă nu existau tehnici din ce în ce mai avansate oferite de cercetătorii din domeniul industriei echipamentelor de automatizări.

Lucrarea de față este structurată în 4 mari capitole, fiecare având rolul lui diferențial.

În primul capitol sunt evidențiate date generale despre componentele utilizate pentru realizarea părții practice, aceasta din urmă fiind realizată pe o placă de dezvoltarea Arduino cu un microcontroler cu scopul de a regla intensitatea luminozității cât și iluminarea în funcție de lumina din mediul înconjurător (cu ajutorul senzorilor de lumină). De aceea, pentru a realiza iluminarea in funcție de lumina din jur, în capitolul doi am prezentat succinct senzorii utilizați, capitolul trei reprezentând datele atât hardware, cât și software ale plăcii Arduino.

Capitolul 4 incapsulează realizarea practică, oferind informații despre modul în care aceasta a fost concepută, precum și procesul de tehnologizare și schema electrică a circuitului.

Capitolul 1. Sisteme Automate

Scurt istoric și evoluția automatizării

Prin automatizarea proceselor de producție se urmărește asigurarea tuturor condițiilor de desfășurare a acestora fără intervenția omului. Această etapă presupune crearea acelor mijloace tehnice capabile să determine evoluția proceselor într-un sens prestabilit, asigurându-se producția de bunuri materiale la parametrii doriți. Se poate vorbi în acest caz de procese de producție automatizate a căror evoluție este controlată în mod automat fără intervenția omului.

Etapa automatizării presupune existența proceselor de producție astfel concepute încât să permită implementarea mijloacelor de automatizare, capabile să intervină într-un sens dorit asupra proceslor, asigurând condițiile de evoluție a acestora în deplină concordanță cu performanțele optime.

Ansamblul format din procesul supus automatizării și mijloacele tehnice ce asigură automatizarea acestuia constituie un sistem automat.

Conceptul de sistem a apărut și s-a dezvoltat de-a lungul timpului ca rezultat al evidențierii unor trăsături și comportamente comune pentru o serie de procese și fenomene din diferite domenii, fapt ce a permis tratarea acestora, din punct de vedere structural-funcțional, într-un mod unitar, sistemic.

Noțiunea de sistem are o sferă de cuprindere foarte largă și, în consecință, este frecvent întâlnită în știintă și tehnică, în general în toate domeniile gândirii și acțiunii umane, însă aproape întotdeauna în asociație cu un atribut de specificare; de exemplu, sistem automat, sistem de transmisie, sistem informațional, sistem de semnalizare, sistem de producție, sistem filozofic, sistem social etc. în literatura de specialitate există diverse definiții ale conceptului de sistem, unele reflectând tendința definirii conceptului în întreaga sa generalitate, altele tendința de particularizare la un anumit domeniu al cunoașterii.

Sistemele automate sunt sisteme tehnice de supraveghere, comanda și control al proceselor și instalațiilor tehnologice, fără intervenția directă a omului.

Un sistem automat (SA) este alcătuit din două părți principale: procesul de automatizat și dispozitivul de automatizare. Să subliniem în continuare câteva trăsături fundamentale ale sistemelor:

caracterul structural-unitar, care reflectă proprietatea unui sistem de a fi reprezentat ca o conexiune de subsisteme a căror acțiune este orientată spre un anumit scop (sens);

caracterul cauzal-dinamic, care reflectă proprietatea unui sistem de a evolua în timp sub acțiunea factorilor interni și externi, cu respectarea principiului cauzalității (conform căruia, orice efect este rezultatul unei cauze, efectul este întârziat față de cauză și, în plus, două cauze identice generează în aceleași condiții efecte identice);

caracterul informațional, care reflectă proprietatea unui sistem de a primi, prelucra, memora și transmite informație.

In sensul teoriei sistemelor, prin informație se înțelege orice factor calitativ și cantitativ care servește la descrierea comportamentului sistemului. La sistemele tehnice, mărimile fizice constituite ca suport pentru informație se numesc semnale.

Mărimile (variabilele) asociate unui sistem sunt de trei feluri: mărimi de intrare, mărimi de stare și mărimi de ieșire.

Mărimile de intrare sunt independente de sistem (deci sunt de tip cauză) și influențează din exterior starea și evoluția sistemului.

Mărimile de stare sunt dependente de mărimile de intrare (deci sunt de tip efect) și au rolul de a caracteriza complet starea curentă a sistemului.

Mărimile de ieșire sunt dependente de mărimile de stare, uneori și direct de mărimile de intrare (deci sunt de tip efect), și au rolul de-a transmite în exterior (sistemelor învecinate) informație referitoare la starea curentă a sistemului. Unele mărimi de ieșire pot fi în același timp mărimi de stare. [10]

Etapele evoluției arhitecturii calculatoarelor

Cea mai mare parte a vechilor calculatoare utilizate au ieșit astăzi din uz, ajungând piese de muzeu. Cu toate acestea, au existat câteva mașini care au avut un rol important în evoluția calculatoarelor.

Generația 0: calculatoarele mecanice (1942-1945)

Meritul de a fi realizat prima mașină de calcul îi revine lui Blaise Pascal. În
onoarea sa a fost denumit și primul limbaj de programare care a fost inventat.
Acest prim calculator a fost în întregime un calculator mecanic, bazat pe angrenajul
unor roți dințate acționate manual, principalele operații care puteau fi efectuate
fiind adunări și scăderi. Treizeci de ani mai târziu acestei mașini de calcul i-au fost
adăugate de către Leibnitz alte două noi operații: înmulțirea și împărțirea.

Au urmat apoi alte asemenea mașini, dintre care poate fi amintită prima
mașină analitică. Aceasta cuprindea patru părți: memoria (magazia), unitatea de
calcul, intrarea (cititorul de cartele perforate) și ieșirea. Memoria dispunea de 1000
de cuvinte de 50 de cifre zecimale care puteau fi utilizate pentru stocarea
variabilelor și rezultatelor. Unitatea de calcul prelua operanzii proveniți din
memorie, făcea diverse operații asupra lor (adunare, scădere, înmulțire, împărțire)
și întorcea rezultatul tot în memorie. Toate aceste blocuri erau în întregime
mecanice. Marea noutate a acestei mașini consta în faptul că putea citi instrucțiuni
de pe cartelele perforate și apoi le putea trata. Unele instrucțiuni puteau comanda
mașinii să preia doi operanzi din memorie, să efectueze o operație asupra lor și să
trimită rezultatul în memorie. Procesul continuă până în anul 1944 când a fost
construită prima mașină, Mark I, care avea 72 cuvinte a 23 cifre și un ciclu mașină
de 6 secunde. A urmat îndeaproape succesoarea sa Mark II. Se poate afirma că,
practic, era electronicii începuse.

Prima generație: tuburile cu vid (1945-1955)

Se poate spune că al doilea război mondial a grăbit apariția apariției primelor
calculatoare echipate cu componente electronice, chiar dacă acestea aveau să fie
tuburile cu vid. Primul calculator construit și folosit a fost ENIGMA, folosit pentru
criptarea mesajelor care urmau a fi trimise de către armata germană prin radio
submarinelor. Nici armata britanică nu a stat cu mâinile în sân, ea reușind să pună
la punct un calculator numit COLOSSUS, folosit pentru decodarea mesajelor,
deoarece erau foarte multe calcule de făcut. Părintele lui COLOSSUS a fost omul
de știință englez Alan Turing. Urmează apoi un nou model numit ENIAC. Acest
așa zis calculator cuprindea 18000 tuburi cu vid și 1500 de relee; cântărea peste 30
de tone și consuma 150 kW. Din punct de vedere al unității de calcul dispunea de
20 registre a 10 cifre zecimale. La foarte puțin timp după aceasta își face apariția
un nou calculator, al cărui realizator, John von Neumann, va intra în istorie, putând
fi considerat pe drept cuvânt părintele calculatoarelor actuale. Schema unei mașini
von Neumann este redată în figura 1.1

Figura 1.1. Schema unei mașini von Neumann [1]

Mașina von Neumann era alcătuită din 5 părți: memoria, unitatea aritmetică și logică, unitatea de control, dispozitivele de intrare și cele de ieșire. Memoria dispunea de 4096 cuvinte, fiecare cuvânt având 40 de biți (0 sau1). Instrucțiunile cuprindeau două câmpuri: 8 biți pentru tipul instrucțiunii și 12 biți pentru adresă. Unitatea aritmetică și logică conținea un registru intern special numit acumulator. Mașina nu dispunea de capacitate de calcul în virgulă mobilă.

Făcând un salt peste timp se ajunge la modelul IBM 704 care avea aceeași structură cu 4 K de memorie, instrucțiuni de 36 de biți și dispozitive speciale de calcul în virgulă mobile

A doua generație: tranzistorii (1955-1965)

Primul calculator echipat cu tranzistori a fost realizat în laboratoarele
Lincoln, fiind denumit TX 0 (Transistorized eXperimental Computer 0). În 1961
apare PDP-1, o mașină de 4 K cuvinte de 18 biți, având ciclul mașină de 5 ms. În
comparaȚie cu IBM 7090, care avea un preț exorbitant, calculatorul PDP-1 costa 120.000 de dolari, fapt care a determinat vânzarea sa de către firma DEC și deci participarea la nașterea unei industrii mini-informatice.

În 1964 apare pe piață modelul 6600 al firmei CDC, o mașină aproape de 10 ori mai rapidă decât bătrânul IBM 7094. Impactul asupra publicului a fost unul foarte puternic, numeroase firme exprimându-și dorința de a cumpăra un astfel de calculator. Diferența față de modelul IBM: o arhitectură paralelă. În concluzie, dispunea de mai multe unități funcționale capabile să execute simultan diverse operații. Acest model putea executa 10 instrucțiuni în același timp.

A treia generație: circuitele integrate (1965-1980)

Inventarea circuitului integrat a permis plasarea de numeroase tranzistoare într-o singură capsulă de siliciu, cea ce a condus la calculatoare mai mici, mai rapide și mai ieftine.

În anul 1965, firma IBM, numărul unu în domeniul informaticii, scoate pe piață modelul IBM 360, acesta fiind primul calculator capabil de a simula un alt calculator. Apariția circuitelor integrate a dus la dezvoltarea industriei microinformaticii, prin apariția unor noi modele, dintre care pot fi amintite calculatorul PDP-11 realizat de firma DEC. El este asemănător cu modelul 360 al firmei IBM, dar cu un raport performanță/cost mult mai bun.

A patra generație: circuitele VLSI (1980-1990)

Această etapă este cea în care încep să apară primele calculatoare personale, acest lucru fiind posibil datorită unor factori decisivi:

• perfecționarea tehnologiei de fabricație;

• dezvoltarea rețelelor de calculatoare;

• diversitatea mare de modele de arhitecturi;

• apariția conceptelor de multimedia și de programare orientată pe obiecte.

Un pas important în această etapă a fost reprezentat de apariția primelor

calculatoare personale realizate de firma IBM în colaborare cu Intel. Au rezultat câteva modele care au avut o mare priză la public, dintre care IBM PS1, PS2. Un alt mare consorțiu format din Apple și Motorola scoate pe piață modelele MacIntosh 68000, 68040. Trebuie remarcat faptul că toate aceste modele erau calculatoare personale, deci accesibile ca preț persoanelor fizice.

A cincea generație: prelucrarea masiv paralelă (după 1990)

Începutul generației a cincea este marcată de dezvoltarea calculatoarelor cu

prelucrare masiv paralelă, de exemplu CM 2 și CM 5 de la Thinking Machines Co.Un alt element esențial este apariția și dezvoltarea serviciului www (World Wide Web) inițiat de Laboratorul CERN din Geneva în colaborare cu mai multe universități americane.

În 1993, firma Intel construiește microprocesorul cu structură superscalară – Pentium. Apar sistemele masiv paralele cu memorie partajată și distribuită (Cray/MPP). Interactivitatea serviciului www este asigurată prin introducerea tehnologiei Java.

Evoluția procesoarelor a luat apoi un avânt puternic, frecvențele de lucru crescând în numai opt ani de la 100 MHz la peste 3 GHz, înregistrându-se în același timp și o îmbunătățire a arhitecturii microprocesoarelor prin specializare, memorie cache, paralelism (pipe-line), optimizarea algoritmilor. [1]

Arhitectura microcontrolelor

Caracteristici generale

În general un controler se referă la o structură electronică destinată controlului unui proces sau, și mai general decât atât, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția umană. Primele controlere de-a lungul timpului au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosindu-se componente electronice discrete și componente electromecanice cum ar fi releele. Acelea care fac apel la tehnologia numerică modernă au fost realizate la inceput pe baza logicii cablate și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care aveau dimensiuni foarte mari, consum energetic ridicat și în multe cazuri o fiabilitate care lasă de dorit.

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

O definiție cât mai generală a unui microcontroler ar fi aceea că este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resure care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Toate aplicațiile în care se folosesc microcontrolere fac parte din categoria așa ziselor sisteme încapsulate-integrate, la care prezența unui sistem de calcul încorporat este aproape transparentă pentru utilizator.

Printre domeniile unde utilizarea lor este un standard industrial se pot menționa: în industria automobilelor (pentru aprinderea motorului, în climatizare sau la sistemele de alarmă, etc), pentru aparatura aparatura de uz electrocasnic (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), în controlul mediului și climatizare, în industria aerospațială, precum și la realizarea de periferice pentru calculatoare și în medicină.

Arhitectura unității centrale de calcul este probabil unul dintre cele mai importante elemente care trebuie avut în vedere în analiza oricărui sistem de calcul. Cele mai importante concepte întâlnite sunt următoarele:

arhitecturi de tip “Harvard” – pentru aceată arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. Prin urmare, ar trebui să existe și magistrale separate, de adrese și date, pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date;

arhitecturi de tip “CISC” – majoritatea microcontrolelor au la baza realizării CPU conceptul CISC. Acesta cuprinde un set uzual de peste 80 de instrucțiuni, multe dintre ele foarte puternice și specializate.

arhitecturi de tip “RISC” – acesta este un concept de realizare a CPU care a început să fie implementat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Implementând doar un set redus de instrucțiuni care se pot executa în mod rapid și eficient, se obține o reducere a complexitătii microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri [3]

Pe lângă memoria locală de tip RAM, de dimensiuni reduse, implementată ca atare sau existentă sub forma unui set de registre și destinată memorarii datelor (variabilelor), mai există o serie de aspecte specifice, marea majoritate a lor fiind legată de implementarea fizică a memoriei de program cu ajutorul unor memorii nevolatile. În mod clasic, memoria de program era implementată într-o variantă de tip ROM: EPROM pentru dezvoltare și producție pe scară mică și medie sau mask-ROM pentru producția de masă.

Limbajul mașină este unica formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o înțelege. Din nefericire această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care una dintre instrucțiuni are ca și corespondent o instrucțiune în limbaj mașină. Un program în limbaj de asamblare este compact și rapid. Asta nu inseamnă că un astfel de program, scris în mod eronat, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total și responsabilitatea pentru execuția programului și gestionarea resurselor.

Un interpreter înseamnă implementarea unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este mai degrabă un program rezident care rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Definitoriu pentru execuția unui program interpretat este citirea și executarea secvențiala a instructiunilor

Compilatoarele combină lejeritatea în programare oferită de un interpreter. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel inalt, este translatat direct în limbaj masină sau în limbaj de asamblare. Codul masină care rezultă are dimensiuni destul de mari și este executat direct, ca un tot unitar, de catre microcontroler.

Microcontrolerul ATmega328

Microcontrolerul Atmega328 este un microcontroler CMOS cu putere redusă de 8 biți, bazat pe arhitectura RISC îmbunătățită AVR®. Prin executarea unor instrucțiuni puternice într-un singur ciclu de ceas, ATmega328 / P realizează transferuri apropiate de 1MIPS pe MHz. Acest lucru permite proiectantului de sistem să optimizeze dispozitivul pentru consumul de energie față de viteza de procesare. [7]

Figura 1.2. Microcontrolerul ATmega328 [4]

Miezul Atmel AVR® combină un set bogat de instrucțiuni cu 32 de registre de lucru de uz general. Toate cele 32 de registre sunt conectate direct la unitatea logică aritmetică (ALU), permițând accesarea a două registre independente într-o singură instrucțiune executată într-un singur ciclu de ceas. Arhitectura rezultată este mai eficientă în ceea ce privește codul, atingând în același timp viteze de până la zece ori mai rapide decât microcontrolerele CISC convenționale.

Modelul ATmega328 oferă următoarele caracteristici:

32 Kbytes de Flash programabil în sistem cu capabilități de citire în timp ce scrie

1Kbytes EEPROM,

2Kbytes SRAM,

23 linii I / O de uz general,

32 registre de lucru de uz general,

3 timere / contoare flexibile cu moduri de comparare și PWM,

1 USART programabil serial,

1 interfață serială orientată pe 2 fire, I2C,

un canal ADC pe 10 biți (8 canale în pachetele TQFP și QFN / MLF),

un programator Watchdog Timer cu Oscilator intern

un port serial SPI

șase moduri de economisire a energiei selectabile. [8]

Modul inactiv oprește procesorul, permițând în continuare funcționarea SRAM-ului, timerelor, portului SPI și sistemului de întreruperi. Modul Power-down salvează conținutul registrului, dar blochează oscilatorul, dezactivând toate celelalte funcții ale cip-ului până la următoarea întrerupere sau resetare hardware. În modul de economisire a energiei, cronometrul asincron continuă să funcționeze, permițând utilizatorului să mențină o bază de temporizare în timp ce restul aparatului este în așteptare. Modul de reducere a zgomotului ADC oprește CPU-ul și toate modulele I / O, cu excepția cronometrului asincron și a ADC pentru a minimiza zgomotul de comutare în timpul conversiilor ADC. În modul de așteptare, oscilatorul de cristal / rezonator funcționează în timp ce restul aparatului este în așteptare. Acest lucru permite pornirea foarte rapidă combinată cu un consum redus de energie. În modul Extended Standby, atât oscilatorul principal, cât și cronometrul asincron continuă să funcționeze.

Figura 1.3. Diagrama bloc a microcontrolerului ATmega328[8]

Dispozitivul este fabricat utilizând tehnologia Atmel de înaltă densitate de memorie nevolatilă. ISP Flash On-chip permite interfața programelor să fie reprogramată In-System printr-o interfață serială SPI, printr-un programator de memorie nonvolatil convențional sau printr-un program On-chip Boot care rulează pe miezul AVR.

Programul Boot poate folosi orice interfață pentru a descărca programul de aplicație în memoria Flash Application. Software-ul din secțiunea Flash Boot va continua să ruleze în timp ce secțiunea Application Flash este actualizată, oferind o operație adevărată de citire în timp ce scrie. Prin combinarea unui procesor RISC pe 8 biți cu un bliț auto-programabil în sistem pe un cip monolitic, Atmel ATmega328 / P este un microcontroler puternic care oferă o soluție foarte flexibilă și eficientă pentru multe aplicații de control incorporate. [8]

Elemente de circuit reale

Dioda cu jonctiune PN

O diodă cu jonctiune PN este unul dintre cele mai simple dispozitive semiconductoare din jur și are caracteristica trecerii curentului într-o singură direcție. Cu toate acestea, spre deosebire de un rezistor, o diodă nu se comportă liniar cu privire la tensiunea aplicată, deoarece dioda are o relație exponențială de tensiune curentă (I-V) și, prin urmare, nu putem descrie funcționarea sa pur și simplu folosind o ecuație, cum ar fi legea lui Ohm.

Figura 1.4. Joncțiunea PN polarizată în sens direct

Dacă se aplică o tensiune pozitivă potrivită între cele două capete ale joncțiunii PN, ea poate furniza electroni liberi și găuri cu energia suplimentară necesară pentru a traversa joncțiunea, deoarece lățimea stratului de epuizare în jurul joncțiunii PN este scăzută .

Aplicând o tensiune negativă (prejudecată inversă) rezultă că sarcinile libere sunt extrase din joncțiune, rezultând o creștere a lățimii stratului de epuizare. Acest lucru are ca efect creșterea sau scăderea rezistenței efective a joncțiunii în sine, permițând sau blocând curgerea curentului prin diodă.

Apoi stratul de epuizare se lărgește cu o creștere a aplicării unei tensiuni inverse și se îngustează cu o creștere a aplicării unei tensiuni în direcția înainte. Acest lucru se datorează diferențelor în proprietățile electrice de pe cele două laturi ale joncțiunii PN, care au ca rezultat schimbări fizice. Unul dintre rezultate generează rectificarea, așa cum se observă în diodele de joncțiune PN statice I-V (curent-tensiune) caracteristici. Rectificarea este arătată de un flux de curent asimetric atunci când polaritatea tensiunii de polarizare este modificată după cum se arată mai jos.

Figura 1.5. Caracteristica diodei cu joncțiune pn

Există două regiuni de operare și trei condiții posibile de "biasing" pentru dioda joncțială standard și acestea sunt:

Zero Bias – Nu este aplicat niciun potențial de tensiune externă la dioda de joncțiune PN.

Bias invers – potențialul de tensiune este conectat negativ, (-ve) la materialul tip P și pozitiv, (+ ve) la materialul de tip N peste diodă care are efectul Creșterea lățimii diodei PN joncțiune.

Potențialul de tensiune – potențialul de tensiune este conectat pozitiv, (+ ve) la materialul tip P și negativ, (-ve) la materialul de tip N pe diodă, care are efectul de reducere a lățimii diodelor PN joncțiune. [12]

Dioda LED

Diodele sau LED-urile de emisie a luminii sunt printre cele mai utilizate dintre toate tipurile de diode semiconductoare disponibile astăzi și sunt utilizate în mod obișnuit în afișaje TV și color.

Figura 1.6. Dioda LED [11]

Acestea sunt cel mai vizibil tip de diodă care emite o lățime de bandă destul de îngustă, fie de lumină vizibilă la lungimi de undă diferite, de lumină infraroșie invizibilă pentru comenzi de la distanță sau de lumină de tip laser atunci când un curent trece prin ele.

"Dioda de emitere a luminii" sau LED-ul așa cum se numește mai des, este în principiu doar un tip special de diodă, având caracteristici electrice foarte asemănătoare cu o diodă de joncțiune PN. Aceasta înseamnă că un LED va trece curentul în direcția sa înainte, dar va bloca fluxul de curent în direcția inversă.

Figura 1.7. Schema funcționării unui LED

Emisiile de lumină sunt realizate dintr-un strat foarte subțire de material semiconductor destul de puternic și, în funcție de materialul semiconductor utilizat și de cantitatea de dopaj, atunci când LED-ul transmite un LED va emite o lumină colorată la o anumită lungime de undă spectrală.

Când dioda este înclinată spre înainte, electronii din banda de conducție a semiconductorilor se recombină cu găuri din banda de valență, eliberând suficientă energie pentru a produce fotoni care emite o lumină monocromatică (singură culoare). Din cauza acestui strat subțire, un număr rezonabil de astfel de fotoni pot părăsi joncțiunea și pot radia, producând o ieșire colorată a luminii.

Apoi, putem spune că atunci când sunt operate într-o direcție părtinitoare în față, diode emițătoare de lumină sunt dispozitive semiconductoare care convertesc energia electrică în energie luminoasă.

Construcția unei diode emițătoare de lumină este foarte diferită de cea a unei diode normale de semnal. Joncțiunea PN a unui LED este înconjurată de o carcasă sau corp de formă elipsoidală din plastic transparent, din plastic dur, care protejează LED-ul atât de vibrații, cât și de șocuri.

În mod surprinzător, o joncțiune LED nu emite efectiv atât de multă lumină, astfel încât corpul rășinii epoxidice este construit astfel încât fotonii luminii emise de joncțiune să fie reflectați în afara bazei substratului înconjurător la care este atașată dioda și sunt focalizate în sus Prin partea superioară a LED-ului, care acționează ca o lentilă care concentrează cantitatea de lumină. Acesta este motivul pentru care lumina emisă pare a fi mai strălucitoare în partea de sus a LED-ului.

Cu toate acestea, nu toate LED-urile sunt realizate cu o cupă de formă hemisferică pentru carcasa lor epoxidică. Unele LED-uri indicatoare au o construcție în formă de dreptunghiulară sau cilindrică, care are o suprafață plană pe partea de sus sau corpul său este format într-o bară sau săgeată. În general, toate LED-urile sunt fabricate cu două picioare care ies din partea inferioară a corpului.

De asemenea, aproape toate diodele moderne emise de lumină au catodul lor, terminalul (-) identificat fie printr-o crestătură sau un punct plat pe corp, fie prin plumbul catodic mai scurt decât celălalt, deoarece plumbul anodic (+) este mai lung decât catodul k).

Spre deosebire de lămpile cu incandescență normale și becurile care generează cantități mari de căldură atunci când sunt iluminate, dioda emită lumină produce o generație de "rece" de lumină care duce la eficiență ridicată decât "becul" normal, deoarece cea mai mare parte a energiei generate radiază departe spectru. Deoarece LED-urile sunt dispozitive solid-state, ele pot fi extrem de mici și durabile și oferă o viață a lămpilor mult mai lungă decât sursele normale de lumină.

Deci, cum se obține o diodă emițătoare de lumină. Spre deosebire de diodele de semnal normale care sunt făcute pentru detectarea sau rectificarea puterii și care sunt realizate fie din materiale semiconductoare germaniene sau siliconice, diodele emițătoare de lumină sunt fabricate din compuși semiconductori exotici, cum ar fi Gallium Arsenid (GaAs), Gallium Phosphide (GaP) Fosfida (GaAsP), carbură de siliciu (SiC) sau nitrilul de galiu de indiu (GaInN) toate amestecate împreună la diferite rapoarte pentru a produce o lungime de undă distinctă de culoare.

Compuși diferiți de LED-uri emit lumină în anumite regiuni ale spectrului de lumină vizibilă și, prin urmare, produc nivele de intensitate diferite. Alegerea exactă a materialului semiconductor utilizat va determina lungimea de undă globală a emisiilor de lumină fotonică și, prin urmare, culoarea rezultată a luminii emise.

Tipuri de diode emițătoare de lumină

Gallium Arsenid (GaAs) – infraroșu

Gallium Arsenid fosfid (GaAsP) – roșu până la infraroșu, portocaliu

Aluminiu Gallium Arsenid fosfid (AlGaAsP) – luminozitate ridicată roșu, portocaliu-roșu, portocaliu și galben

Galiul fosfid (GaP) – roșu, galben și verde

Aluminiu Galiu fosfid (AlGaP) – verde

Nitridul de galiu (GaN) – verde, verde smarald

Nitridium indiu galiu (GaInN) – aproape de ultraviolete, albastru-verde și albastru

Carbid de siliciu (SiC) – albastru ca substrat

Selenidă de zinc (ZnSe) – albastru

Aluminiu Galiu Nitrida (AlGaN) – ultraviolet [11]

Figura 1.8. Caracteristicile diodei LED [11]

Tranzistorul bipolar

Inventarea tranzistorului bipolar în 1948 a inaugurat o revoluție în electronică. Lucrările tehnice care necesitau în prealabil tuburi vidate relativ mari, fragile din punct de vedere mecanic, care puteau fi consumate brusc, erau ușor de realizat cu niște urme de siliciu cristalin, mecanici, rezistenți la putere. Această revoluție a făcut posibilă proiectarea și fabricarea de dispozitive electronice ușoare și ieftine, pe care acum le considerăm de la sine înțeles. Înțelegerea modului în care funcționează tranzistoarele este de o importanță capitală pentru oricine interesat de înțelegerea electronicii moderne.

Tranzistoarele sunt dispositive cu trei terminale active, fabricate din materiale semiconductoare diferite, care pot acționa fie ca un izolator, fie ca un conductor, prin aplicarea unei mici tensiuni de semnal. Abilitatea tranzistorului de a schimba între aceste două stări îi permite să aibă două funcții de bază: "comutare" (electronică digitală) sau "amplificare" (electronică analogică).

Există două tipuri de bază de construcție tranzistor bipolară, PNP și NPN, care descrie în principiu aranjamentul fizic al materialelor semiconductoare de tip P și de tip N din care sunt fabricate.

Construcția de bază a tranzistorului bipolar constă din două joncțiuni PN care produc trei terminale de conectare, fiecare terminal având un nume care îl identifică din celelalte două. Aceste trei terminale sunt cunoscute și etichetate ca emițătorul (E), baza (B) și, respectiv, colectorul (C).

Figura 1.9. Structura tranzistorului bipolar [16]

Transistorii bipolari funcționează ca regulatoare curente controlate de curent. Cu alte cuvinte, tranzistorii restrâng cantitatea de curent trecuta conform unui curent mai mic, de control. Principalul curent care este controlat trece de la colector la emițător sau de la emițător la colector, în funcție de tipul de tranzistor (PNP sau NPN, respectiv). Curentul mic, care controlează curentul principal trece de la bază la emițător sau de la emițător la bază, din nou, în funcție de tipul de tranzistor (PNP sau NPN, respectiv). Conform standardelor de simbolologie semiconductoare, săgeata întotdeauna indică direcția fluxului de electroni. [17]

Figura 1.10. Mișcarea curenților prin tranzistorul bipolar [17]

Tranzistoarele bipolare au capacitatea de a opera în trei regiuni diferite:

Regiunea activă – tranzistorul funcționează ca amplificator și Ic = β.Ib

Saturație – tranzistorul este "complet" activat ca comutator și Ic = I (saturație)

Cut-off – tranzistorul este "complet dezactivat" funcționând ca un comutator și Ic = 0

Figura 1.11. Caracteristica curent-tensiune a tranzistorului bipolar[16]

Transistorul bipolar se numește bipolar deoarece fluxul principal de electroni prin ele are loc în două tipuri de materiale semiconductoare: P și N, deoarece curentul principal trece de la emițător la colector (sau invers). Cu alte cuvinte, două tipuri de purtătoare de sarcină – electroni și găuri – cuprind acest curent principal prin tranzistor.

Curentul de control și curentul controlat sunt întotdeauna legate între ele prin firul emițătorului, iar electronii lor curg întotdeauna în direcția săgeții tranzistorului. Aceasta este regula principală în utilizarea tranzistorilor: toți curenții trebuie să meargă în direcțiile adecvate pentru ca dispozitivul să funcționeze ca regulator de curent. Micul curent de control este de obicei referit simplu la curentul de bază deoarece este singurul curent care trece prin firul de bază al tranzistorului. Dimpotrivă, curentul mare, controlat, este denumit curentul colectorului, deoarece acesta este singurul curent care trece prin firul colector. Curentul emițătorului este suma curenților de bază și a colectorilor, în conformitate cu Legea actuală a lui Kirchhoff.

Nu există curent prin baza tranzistorului, îl oprește ca un comutator deschis și previne curentul prin colector. Un curent de bază, transformă tranzistorul ca un comutator închis și permite o cantitate proporțională de curent prin colector. Curentul colectorului este limitat în principal de curentul de bază, indiferent de volumul de tensiune disponibil pentru împingerea acestuia. [16]

Display-ul LCD

Ecranul LCD (Ecran cu cristale lichide) este un modul de afișare electronic și găsește o gamă largă de aplicații. Un afișaj LCD 16×2 este un modul foarte simplu și este foarte frecvent utilizat în diverse dispozitive și circuite. Aceste module sunt preferate peste șapte segmente și alte LED-uri cu mai multe segmente. Motivele sunt: LCD-urile sunt economice; Ușor de programat; Nu au nici o limitare de a afișa caractere speciale și chiar personalizate (spre deosebire de șapte segmente), animații și așa mai departe.

Registrul de comandă stochează instrucțiunile de comandă date pe ecranul LCD. O comandă este o instrucțiune dată LCD pentru a face o sarcină predefinită, cum ar fi inițializarea acesteia, ștergerea ecranului, setarea poziției cursorului, controlul afișajului etc. Registrul de date stochează datele care urmează să fie afișate pe ecranul LCD. Datele reprezintă valoarea ASCII a caracterului care trebuie afișat pe ecranul LCD [9]

1.12. Diagrama pinilor unui display LCD [9]

Tabel 1.1. Caracteristicile display-ul LCD [9]

Tiristorul

Tiristorul este un dispozitiv electronic reаlizаt dintr-un cristаl de siliciu cu pаtru regiuni аlternаte cа polаrizаre PNPN, cаre formeаză trei joncțiuni denumite J1, J2, J3 аcest lucru ducând lа o schemă echivаlentă formаtă din două trаnzistoаre, unul PNP iаr celălаlt NPN.

Аcest dispozitiv аre două zone extreme denumite P1 și N2 fiecаre reprezentând аnodul (zonă P1), respectiv cаtodul (zonă N2). Regiuneа P2 este ceа аpropiаtă de cаtod, аceаstă conectându-se lа poаrtă sаu grilă, аdică lа electrodul de comаndă.

Configurаțiа menționаtă poаrtă denumireа de diodă redresoаre comаndаtă. În figurа de mаi jos sunt reprezentаte structurа și schemа echivаlentă а аcestei componente:

Figura 1.13. Structurа și schemа echivаlentă а unui tiristor

Tiristorul este cаrаcterizаt de urmаtorii pаrаmetri:

VBR[V] – tensiuneа de străpungere în direct

VGT [V] – tensiuneа de аmorsаre (tensiuneа de poаrtă)

VR sаu VRM[V] – tensiuneа inversă continuă

IGT [A] – curentul continuu direct de аmorsаre sаu de poаrtă

IFAV [A]- curentul аnodic direct mediu

IH [А] – curentul continuu direct de menținere (IHOLD )

IL[А] – curentul de аcrosаj ( ILATCH)

di/dt[А/µs] – vitezа critică de creștere а curentului аnodic

dv/dt[А/µs] – vitezа de creștere а tensiunii аnodice

tq [s] – timpul de dezаmorsаre prin comutаreа circuitului

În timpul аmorsării unui tiristor, tensiuneа de lа borne coboаră brusc lа vаloаreа zero, iаr curentul аre o creștere dependentă de impedаnțа circuitului exterior. Curentul аnodic influențeаză foаrte mult putereа disipаtă de tiristor, lа creștereа аcestuiа crește și putereа, ceeа ce duce lа o densitаte mаre de curent. În cаzul în cаre putereа disipаtă este mаi mаre decât vаloаreа mаximă lа cаre poаte аjunge аceаstа, аtunci dispozitivul nu vа mаi funcționа și se vа distruge.

Tiristorul se poаte deschide chiаr și fără semnаlul de poаrtă, iаr în urmа аcestui fenomen vitezа de creștere а tensiunii аnodice vа аveа o vаloаre foаrte mаre. Cаpаcitаteа internă а componentei influențeаză produceа аcestui fenomen. În cаzul în cаre vitezа de vаriаție а tensiunii аnodice аre o vаloаre mаre, аtunci tiristorul se poаte distruge printr-un efect dI/dt sаu se poаte deschide printr-un efect dV/dt. De аsemeneа este necesаr cа vаloаreа curentului de menținere să fie mаi mică decаt vаloаreа curentului de аcrosаj.

Curentul continuu direct de menținere cаrаcterizeаză trecereа tiristorului din stаreа de conducție în stаreа de blocаre. În cаzul în cаre curentul аnodic printr-un tiristor аmorsаt аre o scădere аtunci componentа electronică iese din conducție și se blocheаză lа o аnumită vаloаre critică, аceаstа аvând denumireа de curent de menținere. În cаzul în cаre se аplică o tensiune аlternаtivă între аnod și cаtod, аtunci fiecаre semiаlternаnță pozitivă а tensiunii аnod-cаtod este аmorsаtă, iаr semiаlternаnțele negаtive sunt dezаmorsаte.

Curentul de аcrosаj cаrаcterizeаză trecereа tiristorului din stаreа de blocаre în stаreа de conducție . În cаzul în cаre se аplică un impuls pozitiv pe poаrtа аcestuiа, curentul аnodic își vа mări vаloаreа până lа vаloаreа mаximă аdmisă, cаre este influențată de rezistențа circuitului exterior. În cаzul în cаre аre loc o întrerupere а curentului pe poаrtа înаinte cа vаloаreа curentului аnodic să аjungă аproаpe de ceа criticа, аtunci nu vа аveа loc аmorsаreа.

Dаcă se cunoаste cаrаcteristicа tensiune аnodică-curent аnodic а tiristorului, аtunci se poаte determinа modul de funcționаre аl аcestuiа. Se întâlnesc două regimuri de funcționаre influențаte de polаrizаreа аnod-cаtod. Tiristorul este blocаt аtunci când este аplicаtă o tensiune continuă între аnod și cаtod, sensul аcesteiа nu influențeаză. în cаzul în cаre se аplică o tensiune cu o vаloаre mаi mаre, аtunci tiristorul vа rаmаne blocаt până lа o vаloаre în cаre se străpunge, аcest proces аvând loc аtаt în polаrizаre directă pentru аnodul pozitiv, cât și în polаrizаre inversă pentru cаtodul pozitiv, iаr curentul prin аcestа аre o creștere bruscă.

Tensiuneа inversă continuă reprezintă vаloаreа tensiunii аnodice lа cаre tiristorul se străpunge аtunci când este blocаt invers. Аici se аplică o tensiune cu polаrizările următoаre: plus pe cаtod și minus pe аnod, ceeа ce duce lа polаrizаreа directă а joncțiunii J2 și polаrizаreа inversă а joncțiunilor J1 și J3. Curentul invers cаre circulă аre o vаloаre foаrte mică, dаr se poаte întâmplă să аpаră un fenomen de аvаlаnșă cаre determină trecereа unui curent mаre prin tiristor și străpungereа celor două joncțiuni J1 și J3. În аcest cаz, circuitul esterior аre rolul de а limitа tiristorul pentru а nu se аjunge lа fenomemul de аvаlаnșă.

Dаcă se аplică polаritățile tensiunii de polаrizаre în felul următor: plus pe аnod și minus pe cаtod, regimul de funcționаre аl tiristorului cа fiind cel direct, unde joncțiuneа J2 este polаrizаtă invers, iаr joncțiunile J1 și J3 sunt polаrizаte direct. În urmа trecerii de lа stаreа de blocаre lа stаreа de conducție а tiristorului, аcestа vа аmorsа.

Există mаi multe moduri în cаre un tiristor poаte аmorsа:

Аmorsаreа prin creștereа temperаturii – curenții reziduаli se pot mări dаtorită creșterii excesive а temperаturii chiаr și аtunci când nu există curentul de poаrtă.

Аmorsаreа prin creștereа tensiunii UAK- joncțiuneа J2 se stăpunge аtunci când tensiuneа UAK depășeste vаloаreа UBO, аvând loc o multiplicаre în аvаlаnșa purtătorilor de sаrcină. Curentul direct de conducție vа аveа o vаloаre mаre și vа curge prin tiristor, dаr mаi întâi аcestа trebuie limitаt de circuitul exterior. Din momentul în cаre se produce аmorsаreа, vа începe scădereа tensiunii UAK

Аmorsаreа prin curent de poаrtă – prin electrodul de comаndă аre loc o injecție de curent аtunci când se аplică o tensiune cаre polаrizeаză în mod direct joncțiunea J3, între poаrtă și cаtod. Аtunci când curentul de poаrtă аre o vаloаre mаre, deschidereа tiristorului se reаlizeаză lа tensiuni cu vаlori mаi mici аle tensiunii UAK. Аcest tip se аmorsаre este foаrte des utilizаt în prаctică.

Аmorsаreа prin vаriаtiа rаpidă а tensiunii UAK- Аceаstа metodа constă în аplicаreа unei tensiuni UAK mаi mică decаt UBO ce prezintă o vаriаție foаrte rаpidă în timp. Аpаre o cаpаcitаte de bаrieră determinаtă de joncțiuneа polаrizаtă invers J2, cаre se încаrcă cu un curent аtunci când tensiuneа аnodică аre o vаriаție în timp. Se poаte produce аmorsаreа și în аbsențа semnаlului de poаrt , curentul prin tiristor devine mult mаi mаre, iаr vitezа tensiunii аnodice crește extrem de repede. Аstfel de vаriаții rаpide se pot stopа prin montаreа circuitelor de tip RC în pаrаlel, аcesteа аvând vаlori uzuаle cuprinse intre 50Ω și 1000Ω, respectiv intre 0,1µF și 5µF.

Trecereа tiristorului din stаreа de conducție în ceа de blocаre este cаrаcterizаtă de curentul de menținere. Prin inversаreа polаritаții tensiunii UAK sаu prin аnulаreа аcesteiа, un tiristor аmorsаt poаte să treаcă în stаreа de blocаre. Se mаi poаte recurge și lа аplicаreа pe poаrtă а mаi multor impulsuri cu fronturi аbrupte аtunci când se lucreаză cu tiristoаre аflаte în regim de comutаție.

Pentru аcest procedeu аvem nevoie de un nou pаrаmetru numit viteză critică de creștere а curentului аnodic, ce este definit de relаțiа: (Δi/Δt)mаx. Dаcă se monteаză mаi multe inductаnțe înseriаte, аre loc o micșorаre а vitezei de creștere а curentului. Dаtorită tuturor аcestor cаrаcteristici prezentаte până аcum, tiristorul аre o lаrgă utilizаre pentru reglаreа și comаndа curenților și tensiunilor.

În cаzul în cаre аvem un circuit ce conține două tiristoаre conectаte în serie, trebuie să ne

gândim cum putem să repаrtizăm căderile de tensiune pe cele două componente, în orice regim de

funcționаre аr lucrа аcesteа. Rezistențа аnod-cаtod а tiristoаrelor аjunge până lа vаlori de MΩ аtunci când este în stаre blocаtă, ceeа ce poаte determinа depășireа tensiunii inverse VRM . Evitаreа аcestei situаții se poаte fаce prin montаreа în pаrаlel а rezistoаrelor ce аu аceeаsi vаloаre RP . Аceeаși vаloаre а curentului I determină intrаreа în conducție, iаr putereа disipаtă într-un tiristor crește аtunci când аcestа аre un timp de întаrziere, notаt cu td foаrte mаre. Intrаreа în conducție este generаtă de mаi multe procese ce trebuie să se producă simultаn și аnume: impulsurile trebuie să fie tаri, comаndа trebuie să fie identică și produsă de аcelаși generаtor. Tot аici, efectul termic se poаte neglijа, în cаzul în cаre аcestа este produs de o nesincronizаre а proceselor, și de аsemeneа nu mаi sunt necesаre măsurile suplimentаre de protecție. Din cаuzа timpilor de recombinаre diferiți, ieșireа din conducție poаte să fie nesimetrică. Într-o аstfel de situаție se poаte blocа unul dintre tiristoаre mult mаi repede și аtunci preiа toаtă tensiuneа de аlimentаre, în timp ce аl doileа tiristor este într-un intervаl de stocаre. O аstfel de solicitаre este bine să fie evitаtă prin protecțiа circuitelor de tip RC și prin întârziereа scăderii curentului prin circuit, аcest fаpt fiind posibil prin montаreа bobinei L în serie cu tiristoаrele. Tot аcest proces menționаt mаi sus poаrtă denumireа de conexiune seriаlă.

Echilibrаreа repаrtiției curentului prin cele două tiristoаre este influențаtă foаte mult de

dispersiа cаrаcteristicilor curent-tesiune și vаriаțiа cu temperаtură а tiristoаrelor. Аcesteа pot duce lа fenomenul de аmorsаre termică, cаre poаte fi diminuаt dаcă se plаseаză tiristoаre pe rаdiаtoаre comune pentru а se evitа vаriаțiа diferită а cаrаcteristicilor de temperаtură și de аsemeneа prin аlegereа unor tiristoаre împerecheаte, аdică tiristoаre ce аu pаrаmetri аpropiаți. Totuși, nu sunt excluse dezechilibrele, cаuzаte de temperаtură, ce pot аpăreа în regimurile dinаmice de intrаre și ieșire din conducție. O soluție des utilizаtă este conectаreа tiristoаrelor prin divizoаre аnodice, аcesteа din urmă fiind reаlizаte cu аjutorul а două bobine identice cu un cuplаj mutuаl negаtiv.

Аlte dispozitive аsemănătoаre tiristorului sunt triаcul și diаcul. Triаcul este un dispozitiv ce contine două tiristoаre în pаrаlel și în аntifаză montаte pe аcelаși cristаl de siliciu. Аcestа poаte fi аmorsаt prin impulsuri pozitive și negаtive. O аstfel de componentă este cel mаi аdeseа utilizаtă în circuitele de curent аlternаtiv neredresаt deoаrece аre proprietаteа de а conduce curentul în аmbele sensuri.

Diаcul este un dispozitiv electronic reаlizаt dintr-o diodаă cu conducție în аmbele sensuri. Două tiristoаre în pаrаlel și în аntifаză, dаr fără poаrtă, аu o cаrаcteristică curent-tensiune аsemănătoаre cu ceа а diаcului. Аtunci când se depășește prаgul de întoаrcere аl cаrаcteristicii, se reаlizeаză аmorsаreа curentului. O аstfel de componentă este utilizаtă pentru comаndа tiristoаrelor și а triаcelor.

Tiristorul este folosit cel mаi аdeseа lа redresаreа comаndаtă, unde lа intrаreа în circuit este

аplicаtă o tensiune аlternаtivă periodică cu аmplitudineа mult mаi mică decât tensiuneа de străpungere. Perioаdа semnаlului comаndаt este aceeаși perioаdă cu impulsurile pozitive аplicаte pe poаrtă. Circuitul se deschide și începe să circule curentul în momentul în cаre se vа deschide tiristorul. În cаzul în cаre se schimbă polаritаteа tensiunii de intrаre, аtunci curentul se vа stinge, iаr procedeul se repetă. Fаctorul de umplere аl curentului din circuit аre o vаloаre de аproximаtiv 50%, dаr se poаte modificа prin vаriаțiа аmplitudinii și defаzаjului dintre semnаlul de comаndă și cel redresаt.

Triacul

Triаcul este un dispozitiv electronic compus din cinci strаturi echivаlent cu două tiristoаre montаte аntipаrаlel în аcelаși monocristаl de siliciu, cu un singur electrod de comаndă. Formа cаrаcteristicii curent-tensiune pentru sensurile tensiunii аplicаte în circuitul principаl corespunde cu tiristorul polаrizаt în sens direct, аstfel se folosește și denumireа de tiristor bidirectionаl. În figurа de mаi jos sunt reprezentаte simbolul și cаrаcteristicа curent-tensiune.

Figura 1.14. Simbolul și cаrаcteristicа curent-tensiune а unui triаc

Electrozii între cаre circulă curentul principаl iT sunt numiți terminаle T1 , respective T2. Cu аjutorul semnаlelor celor două polаrități se poаte reаlizа comаndа pe poаrtă pentru fiecаre dintre cele două sensuri аle curentului principаl.

Modurile de funcționаre аle triаcului sunt următoаrele:

Tensiuneа νT аre o vаloаre pozitivă, poаrtа este comаndаtă printr-un semnаl pozitiv, iаr structurа аre o comportаre аsemănătoаre cu ceа а unui tiristor convenționаl de tip p1n2p3n4 în cаre strаtul p3 аre rolul de poаrtă cаtodică.

Tensiuneа νT аre o vаloаre pozitivă, iаr tensiuneа de poаrtă νG аre o vаloаre negаtivă. Comаndа structurii p1n2p3n4 este reаlizаtă prin joncțiuneа nGp3, аcestа din urmă fiind un electrod de comаndă de tip joncțiune pn. Lа аplicаreа potențiаlului negаtiv pe poаrtă se аmorseаză tiristorul аuxiliаr dаtorită șuntului de emitor iG cаre circulă între p2 și nG. Potențiаlul lui T2 este situаt în pаrteа stângă а strаtului p3, iаr joncțiuneа este polаrizаtă direct, ceeа ce duce lа аmorsаreа tiristorului principаl p1n2p3n4. Аceаstă comаndă se fаce indirect pe poаrtа cаtodicа p3, аstfel reаlizându-se comаndа pe poаrtă а tiristorului.

Tensiuneа νT , cât și tensiuneа νG аu o vаloаre negаtivă. Comаndа structurii principаle de tip p3n2p1n5 este reаlizаtă prin emitorul аuxiliаr nG. Tiristorul аuxiliаr p3n2p1n5 se аmorseаză аtunci când joncțiuneа p3nG este polаrizаtă direct, iаr tiristorul principаl p3n2p1n5 se аmorseаză аtunci când аre loc o creștere de curent prin joncțiuneа p3n2 . Аceаstă comаndă se reаlizeаză indirect cu аjutorul porții аnodice n2.

Tensiuneа νT аre o vаloаre negаtivă, iаr tensiuneа νG аre o vаloаre pozitivă. Potențiаlul pozitiv pe poаrtă аl structurii principаle p3n2p1n5 polаrizeаză direct joncțiuneа p3n4. Electronii din n4 sunt injectаți în p3 cаre difuzând, sunt colectаți de joncțiuneа p3n2. Аmorsаreа structurii principаle este influențаtă de creștereа curentului prin joncțiune. Pe poаrtа аnodicа n2 se efectueаză comаndа în mod indirect, de lа distаnță.

Triаcul se utilizeаză în circuitele de comаndă și reglаre а puterii de curent аlternаtiv. Tensiuneа de аutoаprindere trebuie să fie mаi mаre decât vаloаreа de vârf аplicаtă triаcului între terminаlele T1 și T2 pentru а se аsigurа аmorsаreа dispozitivului pe poаrtă, indiferent de vаloаrea instаntаnee а tensiunii de аlimentаre. Prin tensiune continuă, tensiune аlternаtivă, tensiune аlternаtivă redresаtă sаu prin impulsuri se reаlizeаză comаndа porții.

Optocuplorul

Optocuplorul este un dispozitiv electronic cаre se mаi numeste și optoizolаtor sаu izolаtor optic, аcestа аvând rolul de а trаnsferа un semnаl electric între două circuite izolаte utilizând luminа. Аceste componente împiedică tensiunile înаlte să аfecteze sistemul cаre primește semnаlul, аvând o rezistență de până lа 10kV pentru tensiuneа de intrаre/iesire și de аsemeneа lа vitezele de până lа 10kV/µs аle șocurilor de tensiune. Un аstfel de optoizolаtor este compus dintr-o diode LED și un fototrаnzistor montаte în аceeаși cаpsulă. Astfel de dispozitive sunt folosite pentru trаnsmitereа semnаlelor digitаle de tip on/off sаu cele discrete, dаr și pentru semnаle аnаlogice. Mаi jos sunt reprezentаte componentа și diаgrаmа schemаtică unde аvem un fototrаnzistor în dreаptа, sursа de lumină în stângа și bаrierа dielectrică în centru.

Figura 1.15. Schemа electronică а unui optocuplor

Optocuplorul аre în componență un LED, cа sursа de lumină, cu rolul de а converti semnаlul electric de intrаre în lumină, un cаnаl optic închis și un fotosenzor cu rolul de detecție а luminii din pаrteа de intrаre, moduleаză un curent electric continuu ce poаte proveni de lа o sursă de аlimentаre externă sаu genereаză în mod direct energie electrică.

Senzorul optic poаte să fie o fotodiodă, un fotorezistor, un fototrаnzistor, un triаc sаu un
redresor de siliciu controlаt. Аvând în vedere că dispozitivul conține un LED, аcest lucru fаce
posibilă reаlizаreа simetrică și bidirecționаlă. Fotodiodа optoizolаtoаre conduce către un comutаtor
de putere, mаi precis o pereche complementаră de trаnzistori. Echipаmentul poаte fi supus unor
suprаtensiuni induse de fulgere, de trаnsmisii de rаdio-frecvență, de perturbări аle аlimentării, de
trаnziții de impulsuri sаu de descărcări electrostаtice, аstfel se pot produce suprаsаrcini de până lа o mie de ori mаi mаri decât limitele tensiunii de lucru аle componentelor. În аcest cаz este nevoie de
o sigurаnță ridicаtă în funcționаre, аdică de а blocа аstfel de tensiuni sаu trаnziții de tensiune, аcest
lucru fiind posibil printr-o bаrieră de izolаre fizică cаre аsigură protecțiа echivаlentă cu o izolаre
dublă. Prin utilizаreа unei fаscicul de lumină modulаtă ce leаgă intrаreа și ieșireа, se produce
trаnsformаreа semnаlului util în lumină, de аici аjungând peste cаnаlul dielectric și cаptând luminа
pe pаrteа de ieșire, аpoi trаnsformând-o în semnаl electric. Optozuploаrele sunt dispozitive
unidirectionаle ce nu pot reаlizа trаnsmisiа de putere, ci doаr modulаreа fluxului de energie prezent
pe pаrteа de ieșire. Nu este necesаră аsemănareа impedаnțelor între părțile de intrаre și cele de
ieșire.

Există mаi multe tipuri de optoizolаtoаre:

Fotodiodа – este o diodа optoizolаtoаre ce folosește cа surse de luminа LED-uri și cа senzori, fotodiodele cu siliciu. Аtunci când аceаstа аre o polаrizаre inversă cu o sursă de tensiune externă, luminа primită аre rolul de а mări intensitаteа curentului invers ce curge prin diodă. Аceаstа din urmă аre rolul de а modulа fluxul de energie de lа sursа externă, denumireа procesului fiind fotoconducție. Diodа convertește energiа luminoаsă în energie electrică în cаzul în cаre nu există polаrizаre externă, dаcă lа borne se аplicа o tensiune de până lа 0,7V. Drenаreа sаrcinii printr-o cаle de înаltă impedаnță externă duce lа colectаreа energiei, iаr аcest proces poаrtă denumireа de modul fotovoltаic.

2. Fototrаnzistorul – este un dispozitiv optoelectronic reаlizаt pe o structură de trаnzistor, în cаre curentul de colector este comаndаt de un flux luminos. Аcestа poаte аveа doаr emitor și colector, bаzа fiind neconectаtă sаu lăsаtă în gol. Pentru stаbilizаreа unui punct stаtic de funcționаre, componentele sunt totuși prevăzute cu electrodul de bаză.

Siguranțe fuzibile

Sigurаntele fuzibile sunt аpаrаte electrice cu rolul de а protejа impotrivа suprаcurentilor prin topireа unui conductor cаlibrаt conectаt în serie cu un receptor protejаt, pentru а аsigurа intrerupereа аutomаtа а circuitului.

Elementul principаl аl sigurаntei este conductorul metаlic cаlibrаt. Аcestа este montаt în serie cu receptorul protejаt, аdicа este pаrcurs de аcelаsi curent cаre trece și prin repector, este dimensionаt termic pentru а se toti și а intrerupe circuitul inаinte cа receptorul să fie аvаriаt din cаuzа suprаcurentilor. Sigurаntele fuzibile sunt cele mаi ieftine, sigure și usor de folosit аpаrаte electrice pentru protectiа impotrivа suprаsаrcinilor, dаr sunt cele mаi slаb dimensionаte din punct de vedere termic.

O sigurаntа fuzibilа аre rolul de а аsigurа doаr intrerupereа circuitului, iаr dupа inlocuireа аcesteiа se poаte se restаbileste circuitul. Intr-o mаsа de nisip de cuаrt este inglobаt elementul fuzibil аstfel incаt stingereа аrcului electric este determinаtа de prelungireа cаldurii de cаtre grаnulele de nisip. Din momentul în cаre firul аjunge intr-o stаre lichidа, mаsа de lichid nu mаi pаstreаză formа geometricа а firului, аceаstа din urmа fiind supusа deformаrii dаtorаte de fortele elecrodinаmice din buclа de curent și de fortele Lorentz din mаsа lichidului.

Incаlzireа firului аjunge lа temperаturа de topire notаtа cu θ1 pe durаtа t1, аcest proces fiind urmаt de topireа în intregime și conservаreа temperаturii în timpul t1+t2. în intervаlul t2+t3 аre loc incаlzireа lichidului pаnа lа temperаturа de vаporizаre notаtа cu θ2, de аici rezultаnd formаreа аrcului electric.în mod normаl, аrcul se formeаză intre picаturile de metаl mаi devreme.

Ceа mаi importаntа cаrаcteristicа а sigurаntelor fuzibile este cаrаcteristicа de protectie, ce mаi poаrtа denumireаdecаrаcteristicа timp-curent sаu cаrаteriristicа de topire. O аltа cаresteristicа а аcestor dispositive este cаrаcteristicа termicа de tinere а аpаrаtului protejаt de sigurаntа fuzibilа inpotrivа suprаcurentilor. Orice suprаcurent periculos cаre poаte аpаreа în timpul functionаrii echipаmentului cа fi interrupt prin topireа fuzibilului inаinte cа аcestа să producа аvаrii. în figurile de mаi jos se gаsesc procesul de topire аl fuzibilului sub аctiuneа curentului de scurtcircuit și cаrаcteristicile de protectie а douа sigurаnte fuzibile diferite.

Figura 1.16. Cаrаcteristicile de protecție аle unei sigurаnțe fuzibile

Notаtiile prezente în figurile de mаi sus sunt urmаtoаrele:

I∞ – curentul limitа de toipre, аdicа cel mаi mаre curent pentru cаre fuzibilul nu se topeste timp de аproximаtiv douа ore; cele douа ore considerаte sunt echivаlemte cu un timp infinit

In – vаloаreа eficаce а curentului permаnent cаre аprаre în circuit аtunci când sigurаntа este
inlocuitа cu аjutorul unei coneziuni de impedаntа neglijаbilа

Imt – curentul minim de topire, аdicа cel mаi mic curent pentru cаre fizibilul se topeste sigur în mаi putin de o orа.

Functionаreа unei sigurаnte fuzibile nu este gаrаntаtа lа o tensiune medie, deoаrece аceаstа poаte determinа o topireа fuzibilului, fаpt ce duce lа suprаtensiuni ce depаsesc vаlorile аdmise. Аstfel se poаte determinа o cаpаcitаteа de rupere а sigurаntei. Dependentа vаlorilor instаntаnee аle curentului limitаt determinа reаlizаreа curbei de limitаre. Аceаstа poаte аveа cаrаcteristici diferite pentru curentul de scurtcircuit аsimetric pe o durаtа și o limitаre mult preа mаre.

Clаsele de functionаre аle sigurаntelor fuzibile sunt urmаtoаrele:

Clаsа de functionаre g – este folositа pentru sigurаnte de uz generаl și cuprinde sigurаntele ce аu elemente de inlocuire cаre rezistа lа аctiuneа curentilor egаli sаu mаi mici decаt curentul nominаl

Clаsа de functionаre а – este folositа pentru sigurаnte аsociаte și cuprinde sigurаntele cu
elemente de inlocuire ce rezistа lа аctiuneа curentilor egаli sаu mаi mici decаt curentul nominаl și pot intrerupe toti curentii pаnа lа cаpаcitаteа nominаlа de rupere а аcestorа.

Capitolul 2. Senzori și traductori

Traductorul

Pentru masurarea marimilor fizice care intervin intr-un proces tehnologic este necesara, de cele mai multe ori, convertirea sau traducerea acestora în marimi de alta natura fizica, convenabile pentru celelalte elemente din cursul sistemelor de reglare automata.

Ex: o temperatura sau o presiune sunt convertite în marimi de natura electrica tensiune, curent electric care sunt proportionale cu marimile initiale, care pot fi utilizate și prelucrate de celelalte elemente de automatizare ale sistemelor de reglare automata SRA  ( comparatoare, regulatoare automate).

Traductorul este acel element al SRA-ului care realizeaza convertirea unei marimi fizice de obicei neelectrica în marime de alta natura fizica de obicei electrica proportionala cu prima sau dependenta de aceasta, în scopul utilizarii intr-un sistem de automatizare.

Exista o larga varietate de traductoare, structura lor fiind mult diferita de la un tip de traductor la altul.

Figura 2.1. Schema bloc a unui traductor [14]

Semnificația blocurilor funcționale este următoarea:

D= ES ( element sensibil), sau detector

ET= element de transmitere

A= AD este adaptorul

SEA este sursa de energie auxiliară

Mărimea de măsurat x este aplicată la intrarea traductorului, reprezentând paramentrul reglat ( temperatură, debit, presiune, turație, nivel, viteză, forță )

Mărimea de iesire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic ( curent, tensiune sau presiune).

Detectorul (D) numit și element sesibil, senzor sau captor – este elemental specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. În mediul în care trebuie să funcționeze traductorul, în afara mărimii x, există și alte mărimi fizice. Detectorul trebuie să aibă calitatea de a sesiza numai variațiile mărimii x, fără ca informațiile pe care acesta le furnizează să fie afectatea de celelalte mărimi din mediul respectiv ( din proces).

În urma interacțiunii dintre mărimea de măsurat și detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecință a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conține informația necesară determinării valorii mărimii de măsurat.

Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. În funcție de fenomenele fizice pe care se bazează detecția și de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieșirea elementului sensibil.

În alte situații modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a căror evidențiere se face utilizând o energie de activare de la o sursă auxiliară (SEA). Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informația furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare prin (ET) și (AD).

Adaptorul (AD) are rolul de a modificare (adapta) informația obținută la ieșirea detectorului (D) la cerințele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizează, adică să o convertească sub forma impusă pentru semnalul de ieșire y. [14]

Fotorezistorul

Fotorezistorii, cunoscuți și sub denumirea de rezistori dependenți de lumină (LDR), sunt dispozitive sensibile la lumină, utilizate cel mai adesea pentru a indica prezența sau absența luminii sau pentru a măsura intensitatea luminii. În întuneric, rezistența lor este foarte ridicată, uneori până la 1MΩ, dar când senzorul LDR este expus la lumină, rezistența scade dramatic, chiar până la câteva ohmi, în funcție de intensitatea luminii. LDR au o sensibilitate care variază cu lungimea de undă a luminii aplicate și sunt dispozitive neliniare. Ele sunt utilizate în multe aplicații, dar uneori sunt depășite de alte dispozitive, cum ar fi fotodiodele și fototranzistorii. Unele țări au interzis LDR-urile din plumb sau cadmiu față de preocupările legate de siguranța mediului.

Figura 2.2. Fotorezistor [5]

Principiul de funcționare

Când lumina cade pe fotorezistor, unii dintre electronii de valență absorb energia din lumină și rupe legătura cu atomii. Electronii de valență, care rup legătura cu atomii, se numesc electroni liberi.

Figura 2.3.Principiul de funcționare al fotorezistorului [5]

Atunci când energia luminii aplicată fotorezistorului este foarte mare, un număr mare de electroni de valență câștigă suficientă energie din fotoni și sparge legătura cu atomii de bază. Numărul mare de electroni de valență, care rupe legătura cu atomii de bază, va urca în banda de conducere.

Electronii prezenți în banda de conducere nu aparțin nici unui atom. Prin urmare, ei se mișcă liber de la un loc la altul. Electronii care se mișcă liber dintr-un loc în alt loc sunt numiți electroni liberi.

Când electronul de valență a părăsit atomul, se creează un gol la o anumită locație într-un atom din care a părăsit electronul. Prin urmare, electronii liberi și golurile sunt generate ca perechi.

Figura 2.4. Mișcarea electronilor și a golurilor prin benzile de valență [5]

Electronii liberi care se deplasează liber dintr-un loc în altul conduc curentul electric. În mod similar, golurile care se deplasează în banda de valență conduc curent electric. De asemenea, atât electronii liberi cât și găurile vor purta curent electric. Cantitatea de curent electric care trece prin fotorezistor depinde de numărul de suporturi de încărcare (electroni și găuri libere) generate.

Atunci când energia luminii aplicată fotorezistorului crește, numărul de suporturi de încărcare generate în fotorezistor crește de asemenea. Ca urmare, curentul electric care curge prin fotorezistor crește.

Creșterea curentului electric înseamnă scăderea rezistenței. Astfel, rezistența fotoreceptorului scade când intensitatea luminii aplicate crește.

Rezistoarele foto sunt realizate din semiconductori de înaltă rezistență, cum ar fi siliciul sau germaniul. Ele sunt de asemenea fabricate din alte materiale cum ar fi sulfura de cadmiu sau selenidul de cadmiu.

În absența luminii, fotorezistoarele acționează ca materiale de înaltă rezistență, în timp ce în prezența luminii, fotorezistoarele acționează ca materiale cu rezistență redusă. [5]

Caracteristici

Sensibilitatea unui fotorezistor variază în funcție de lungimea de undă a luminii. Dacă lungimea de undă este în afara unui anumit interval, nu va afecta deloc rezistența dispozitivului. Se poate spune că LDR nu prezintă sensibilitate în acea gamă de lungimi de undă ale luminii. Diferitele materiale au diferite curbe de răspuns spectrale unice de lungime de undă față de sensibilitate. Rezistoarele rezistente la lumină exterioară sunt în general proiectate pentru lungimi de undă mai lungi de lumină, cu o tendință spre infraroșu (IR). Atunci când lucrați în gama IR, trebuie evitată acumularea de căldură, ceea ce ar putea afecta măsurătorile prin schimbarea rezistenței aparatului datorită efectelor termice. Cifra prezentată în următoarea figură reprezintă răspunsul spectral al detectorilor fotoconductori, fabricați din materiale diferite, cu temperatura de funcționare exprimată în K și scrisă în paranteze.

Figura 2.5. Dependența lungimii de undă de sensibilitate [6]

Rezistențele dependente de lumină au o sensibilitate mai mică decât diodele foto și tranzistoarele foto. Diodele foto și transistoarele foto sunt adevărate dispozitive semiconductoare care utilizează lumină pentru a controla fluxul de electroni și găuri în joncțiunile PN, în timp ce rezistoarele dependente de lumină sunt componente pasive, lipsite de o joncțiune PN. Dacă intensitatea luminii este menținută constantă, rezistența poate varia în mod semnificativ datorită schimbărilor de temperatură, astfel încât acestea sunt sensibile și la schimbările de temperatură. Această proprietate face ca LDR să fie nepotrivite pentru măsurători precise ale intensității luminii.

O altă proprietate interesantă a fotorezistoarelor este că există o latență de timp între schimbările de iluminare și schimbările de rezistență. Acest fenomen se numește rata de recuperare a rezistenței. În mod normal, durează aproximativ 10 ms pentru ca rezistența să scadă complet când lumina este aplicată după întunericul total, în timp ce poate dura până la o secundă pentru ca rezistența să se ridice la valoarea inițială după eliminarea completă a luminii. Din acest motiv, LDR nu poate fi utilizat în cazul în care se înregistrează sau se utilizează fluctuații rapide de lumină pentru a acționa echipamentele de control, dar aceeași proprietate este exploatată și în alte dispozitive, cum ar fi compresoarele audio, în cazul în care funcția rezistorului dependent de lumină este de a netezi răspunsul. [6]

Capitolul 3. Sistemul de dezvoltare Arduino Uno

Generalități Arduino

Arduino a început în 2005, ca un proiect pentru studenți la Institutul de design interactiv din Ivrea, Italia. La acel moment studenții programului au folosit un "BASIC Stamp" la un cost de 100 de dolari, considerat scump pentru studenți. Massimo Banzi, unul dintre fondatori, a predat la Ivrea o teză despre hardware și a contribuit la un design de cablare. După ce platforma de cablare a fost completă, cercetătorii au lucrat pentru a le face mai ușoare, mai puțin costisitoare, precum și la dispoziția comunității

Arduino este un microcontroler cu o singură placă, destinat să facă posibilă aplicarea unor obiecte sau medii interactive. Hardware-ul constă într-o placă hardware cu sursă deschisă, conceput în jurul valorii unui microcontroler de 8-biți Atmel AVR sau 32 de biți Atmel ARM. Modelele actuale sunt dotate cu o interfață USB, 6 pini analogici de intrare, precum și 14 pini digitali I/O care permit utilizatorului de a atașa diverse plăci de extensie.

Introdusă în 2005, platforma Arduino a fost proiectată pentru a oferi un mod ieftin și ușor pentru pasionati, studenți și profesioniști de a crea dispozitive care interacționează cu mediul lor, folosind senzori și actuatori. Exemple comune pentru pasionații începători includ roboții simpli, termostatele și detectoarele de viteză. Acesta este dotat cu un mediu de dezvoltare simplu integrat (IDE), care rulează pe calculatoarele personale regulate și permit utilizatorilor să scrie programe pentru Arduino folosind C sau C + +.

O placă Arduino constă într-un microcontroler Atmel de 8 biți AVR cu componente complementare pentru a facilita programarea și încorporarea în alte circuite. Un aspect important al produsului Arduino este modul standard în care conectorii sunt expuși, permițând plăcii CPU să fie conectată la o varietate de module interschimbabile, cunoscute sub numele de scuturi. Unele scuturi comunică cu placa Arduino direct pe diferite ace, dar multe scuturi sunt adresabile individual printr-o magistrală serială I²C, care permite mai multor scuturi să fie stivuite și folosite în paralel. Arduino oficial a folosit seria de cip-uri megaAVR, în special ATMEGA8, ATMEGA168, ATmega328, ATmega1280, și ATmega2560. O mulțime de alte procesoare au fost folosite de către produsele compatibile Arduino. Cele mai multe plăci includ un regulator liniar de 5 volți și un oscilator cu cristal de 16 MHz (sau rezonator ceramic, în unele variante), deși unele modele, cum ar fi Lilypad rulează la 8 MHz și dispensează cu regulatorul de tensiune de la bord ca urmare a restricțiilor specifice. Microcontrolerul Arduino este, de asemenea, pre-programat cu un încărcător care simplifică încărcarea programelor de memorie emise de cip, în comparație cu alte dispozitive, care de obicei au nevoie de o programare externă. Acest lucru se face folosind un Arduino mai simplu, permițând utilizarea unui calculator obișnuit ca programator.

La un nivel conceptual, atunci când se utilizează software-ul Arduino, toate plăcile sunt programate printr-o conexiune serială RS-232, dar modul în care aceasta este pusă în aplicare variază în funcție de versiunea de hardware. Plăcile Arduino în serie conțin un circuit cu un nivel schimbător pentru a converti între semnalele la nivel de 232-RS și cele la nivel de TTL. Plăcile Arduino curente sunt programate prin USB, implementate cu ajutorul cip-urilor adaptorului USB, cum ar fi FTDI FT232. Unele variante, cum ar fi Arduino Mini și neoficialul Boarduino, utilizează o placă detașabilă a adaptorului USB sau a cablului, Bluetooth sau alte metode.

Placa Arduino expune cei mai mulți pini ai microcontrolerului I/O pentru utilizarea de către alte circuite. Diecimila, Duemilanove, și curentul Uno oferă 14 pini digitali I/O, dintre care șase pot produce semnale modulate ale lățimii pulsului și șase intrări analogice. Aceste ace sunt pe partea de sus a plăcii, prin intermediul antetelor de 0.10-inch (2,5 mm). Mai multe aplicații plug-in sunt, de asemenea, disponibile în comerț.

Există multe placi Arduino compatibile și derivate Arduino. Unele sunt funcțional echivalente cu un Arduino și pot fi folosite alternativ. Multe sunt Arduino de bază, cu adaos de drivere cu ieșiri banale, de multe ori pentru a fi utilizate în domeniul educației la nivel de școală, pentru a simplifica construirea cărucioarelor pentru copii și roboți mici. Altele sunt electric echivalente, dar se schimbă factorul formei, uneori, permițând utilizarea în continuare a scutului, uneori nu. Unele variante folosesc procesoare complet diferite, cu diferite niveluri de compatibilitate.

Hardware-ul original Arduino este fabricat de compania italiană prin proiecte inteligente. Unele plăci ale brandului Arduino, au fost concepute de către compania americană SparkFun Electronics. Șaisprezece versiuni de hardware Arduino, au fost produse comercial până în prezent.

Exemple de plăci Arduino:

Figura 3.1. Tipuri de plăci Arduino

Hardware Arduino Uno

Arduino Uno este o placă cu microcontroler bazată pe ATmega328. Ea are 14 pini digitali de intrare/ieșire (din care 6 pot fi utilizați ca și ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un rezonator ceramic de 16 MHz, o conexiune USB, un jack de putere, un antet ICSP și un buton de resetare. Aceasta conține tot ceea ce este necesar pentru a susține un microcontroler și se conectează pur și simplu la un computer prin cablul USB sau se alimentează printr-un adaptor AC-DC sau o baterie pentru a funcționa.

Uno diferă de toate plăcile precedente, în care nu se folosesc cip-driverele FTDI USB-to-serial. În schimb, este dotat cu Atmega16U2 (Atmega8U2 versiunea R2), programat ca un convertor USB-to-serial.

Revizia 2 a plăcii Uno are o rezistență care trage linia 8U2 CAF la sol, ceea ce face mai ușoară punerea în modul DFU.

Revizia 3 a plăcii are următoarele caracteristici noi:

• pinul de ieșire 1.0: pinii adăugați SDA și SCL, care sunt aproape de pinul Aref și alți doi pini noi plasați în apropierea pinului RESET, pinul IOREF permite scuturilor de a se adapta la tensiunea furnizată de placă. În viitor, scuturile vor fi compatibile atât cu plăcile care utilizează AVR, care operează cu 5V și cu Arduino Due, care funcționează cu 3.3V. Al doilea nu este un pin conectat, fiind rezervat pentru scopuri viitoare.

• circuit RESET puternic.

• Atmega 16U2 înlocuiește 8U2. [14]

Figura 3.2. Sistemul de dezvoltare Arduino Uno [14]

"Uno" înseamnă unu în limba italiană și este numit astfel pentru a marca lansarea viitoare a Arduino 1.0. Uno și versiunea 1.0 vor reprezenta versiunile de referință ale Arduino, mergând mai departe.Uno este cel mai recent dintr-o serie de plăci Arduino USB, și modelul de referință pentru platforma Arduino.

Designul de referință Arduino poate utiliza un ATmega8, 168, sau 328. Modelele curente utilizează un ATmega328p. Configurația pinilor este identică în toate cele trei procesoare.

Caracteristici :

Tabel 3.1. Caracteristici Arduino Uno [14]

Figura 3.3. Sistemul de dezvoltare Arduino Uno [14]

Arduino Uno poate fi alimentat prin conexiunea USB sau cu o sursă de alimentare externă. Sursa de energie este selectată automat.

Puterea externă (non-USB) poate veni fie de la un adaptor AC-DC sau de la o baterie. Adaptorul poate fi conectat prin conectarea unei prize central pozitive de 2.1mm în mufa de alimentare a plăcii. Duce la o baterie care poate fi introdusă în antele pinilor GND și Vin ai conectorului de alimentare.

Placa poate funcționa pe o sursă externă de 6 și 20 de volți. În cazul în care este alimentat cu mai puțin de 7V, cu toate acestea, pinul de 5V poate furniza mai puțin de cinci volți și placa poate fi instabilă. Dacă utilizăm mai mult de 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și poate deteriora placa. Intervalul recomandat este de 7-12 volți.

Pinii de alimentare sunt după cum urmează:

• VIN. Tensiunea de intrare la placa Arduino atunci când este utilizată o sursă de alimentare externă (spre deosebire de cei 5 volți prin conexiunea USB sau alte surse de energie reglementate). Putem furniza tensiune prin acest pin, sau, în cazul în care tensiunea trece prin mufa de alimentare, se accesează prin intermediul acestui pin.

• 5V. Acest pin emite regulat 5V către autoritatea de reglementare de pe bord. Placa poate fi alimentată cu energie electrică, fie de la mufa de alimentare DC (7 – 12V), conectorul USB (5V), sau pinul VIN al plăcii (7-12V). Tensiunea de alimentare prin intermediul pinilor de 5V sau 3.3V ignoră autoritatea reglementării și poate deteriora placa. Nu este recomandat.

• 3V3. O sursă de 3.3 volți generează reglementarea de la bord. Curentul maxim este de 50 mA.

• GND. Ace de la sol.

• IOREF. Acest pini de pe placa Arduino, oferă o tensiune de referință cu care funcționează microcontrolerul. Un scut configurat corect, poate citi tensiunea pinilor IOREF și selectează sursa de alimentare corespunzătoare sau permite interpreților de tensiune a rezultatelor de a lucra cu 5V sau 3.3V

Programarea

Platforma de procesare Arduino Uno poate fi programată cu software-ul propriu. Pentru a programa placa, trebuie urmați câțiva pași esențiali, elementari. Trebuie selectat din meniul programului placa pe care dorim să lucrăm. Dacă nu se selectează corect placa de lucru semnalul codificat/decodificat va fi diferit de la placă la placă și nu va putea fi interpretat. După ce am selectat placa de lucru, va trebui să selectăm portul de intrare în calculator. Trebuie verificat unde este citită platforma de procesare de către pentru a putea selecta din meniul programului acest lucru.

Figura 3.4. Selectarea plăcii potrivite din meniul programului Arduino

Figura 3.5. Selectarea portului potrivit din meniul programului Arduino

Microcontroller-ul Atmega328 de pe platformă vine scris cu un program de rulare care permite încărcarea unui cod nou fără folosirea de alte circuite adiționale, elemente hardware adiționale. Comunicarea calculator-platformă se face folosind protocolul STK500. Se poate de asemenea evita programul de rulare folosind header ICSP.

Mediul de dezvoltare integrat Arduino (IDE) este o aplicație de platformă transversală scrisă în Java, și este derivată din IDE pentru limbajul de programare de prelucrare și proiectele de cablare. Acesta este conceput pentru a introduce programarea chiar și tuturor nou-veniților care nu sunt familiarizați cu dezvoltarea de software. Include un editor de cod cu caracteristici, cum ar fi evidențierea assyntax-ului, de potrivire a legăturii și o aliniere automată, și este, de asemenea, capabil să compileze și să încarce programe cu un singur clic. Un program sau un cod scris pentru Arduino este numit o "schiță".

Capitolul 4. Realizarea practică

Descrierea realizării practice

Componenta centrală a sistemului automat de control al iluminatului este microcontrolerului Atmega328 creat de firma ATMEL, ce conține un procesor pe 8 biți, cu o arhitectură RISC, o memorie flash de 32 kB, 28 pini ce poate funcționa până la o frecvență maximă de 20 MHz.

Figura 4.1. Structura microcontrolerului ATmega328

Interacțiunea cu PC-ul se realizează cu ajutorul unui convertor USB – Serial, acesta mai realizând transmiterea de mesaje și comenzi pe UART, cât și programarea microcontrolerului cu ajutorul software-ului Arduino. Microcontrolerului utilizat este unul de tip bootloader, care permite programarea prin interfața UART ( prin intermediul pinilor RXD și TXD din figură). Acest tip de microcontroler are nevoie pentru a funcționa de un cristal extern de 16 MHz, de o sursă de alimentare de 5V și de o conexiune serială.

În momentul în care începe secvența de programare, convertorul USB – Serial trimite semnalul de RESET către microcontroler prin intermediul unui condesator care are rolul de decuplare în curent continuu, deoarece se doresc doar fronturile semnalului de reset, motiv pentru care am utilizat un condensator de 100nF. Pentru o perioada scurtă de timp rulează bootloader-ul, încărcând fișierul program în memoria FLASH a microcontrolerului.

Figura 4.2. Convertor USB-Serial

Pentru a genera semnalul de ceas am utilizat un cristal de quartz de 16 MHz, conectat la cei doi pini ai microcontrolerului, dedicați pentru oscilatorul extern. Condensatorii C5 și C6 sunt specifici oscilatorului de tip Pierce și au o valoare apropiată de capacitatea cristalului de quartz. Prin grupul R3 și C4 se activează microcontrolerul aplicând valoarea de 1 logic pe portul de RESET al microcontrolerului, condensatorul C4 având rolul de a introduce o mică întarziere de timp pentru a evita apariția de reseturi cauzate de zgomot.

Pentru afișare am utilizat un display LCD 2×16 caractere de tipul RC1602B-BIW-ESX cu iluminare transmisivă de culoare albastră și un negativ de culoare albă. Acesta este comandat de microcontroler folosind modul de comandă de 4 biti de date, cu un bit de enable și un bit care reprezintă scrierea sau citirea din regiștri.

Figura 4.3. Schema logică a unui display LCD

Pentru a seta constrastul display-ului, utilizatorul poate modifica poziția cursorului R2, care este un rezistor semireglabil, divizior de tensiune. Rezistorul R1 este utilizat pentru a limita curentul prin LED-ul responsabil de iluminare.

Alimentarea display-ului este dată de magistrala USB, având o tensiune de 5V, fiind utilizată și pentru microcontroler, sensor și optotriace. Condensatoarele C1 și C2 ( de tip multistrat) formează împreună cu inductorul L1 un filtru trece-jos, cu rol de a suplimenta filtrarea tensiunii de alimentare și de a elimina componente parazite ce pot apărea din cauza firelor lungi. Condensatorul C3 (de tip ceramic) are o valoare de 100nF și este montat pe pinii de alimentare ai microcontrolerului pentru rejecția zgomotelor de frecvență inaltă. Rezistorul R9 are rol de a limita curentul prin led-ul D2, utilizat pentru a semnala existenta tensiunii de alimentare.

Butoanele S1, S2, S3 sunt la dispoziția utilizatorului, prin acestea microcontrolerul primește un semnal de valoare 0 logic, deoarece în stare neapasată porturile sunt ținute în 1 logic prin intermediul unor rezistoare interne de pull-up.

Pentru a genera semnalul de sincronizare cu reteaua de 220V este utilizat un optocuplor, acesta primind tensiunea de la rețea prin punți de diode redresoare și a rezistoarelor R11 și R14, aceștia având și rol de limitare de curentului prin LED-ul optocuplorului. Semnalul de sincronizare are o frecvență de 100Hz, sub forma unor pulsuri care sunt sincronizate cu trecerea prin zero a tensiunii provenite de la reteaua de 220. Deoarece semnalul de sincronizare este direct introdus în microcontroler, este nevoie de o izolație galvanică foarte bună realizată prin intermediul optocuplorului.

Senzorul de lumină este format cu ajutorul divizorului rezistiv R15 și R16, rezistorul R15 fiind un fotorezistor, astfel căderea de tensiune pe R16 este direct proportională cu intensitatea luminoasă, valoarea tensiunii fiind citită de convertorul analog-digital din microcontroler.

Pentru a controla becurile, am utilizat grupuri de putere pentru fiecare bec în parte, formate dintr-un triac de putere, un optotriac și cateva rezistoare. Legatura de la microcontroler la triac este izolată galvanic cu ajutorul unui optotriac, rezistorii R6, R12 și R16 având rolul de a limita curentul prin LED-ul optotriacului. Rezistorii R5, R10 și R17 au rol de a limita curentul de poartă al triacului.

Triacele de putere sunt de tipul BT136, au un curent nominal de 4A și o tensiune maximă de 600V. Pentru becurile 1 și 2, unde luminozitatea variază, sunt utilizate optotriace de tip MOC3022. Pentru becul 3 este utilizat un optotriac de tip IS621, acesta având un circuit special de detectare a trecerii prin zero a rețelei.

Figura 4.4. Arhitectura internă a optotriacului cu circuit de detectare a trecerii prin zero

Puterea maximă care poate fi gestionată de fiecare grup ar fi de circa 800 W, datorită curentului maxim suportat de triacele de putere, dar această putere poate fi limitată prin intermediul siguranțelor fuzibile.

Procesul de tehnologizare

Dezvoltarea și testarea schemei au fost realizate utilizând o placă pentru prototipuri de tip breadboard, aceasta permite testarea functională a schemei fără a efectua lipituri permanente asupra componentelor.

Figura 4.5. Placa pentru prototipuri tip “breadboard”

Programul software a fost realizat utilizând placa de dezvoltare Arduino Uno v3, librăriile și programele furnizate de producătorii Arduino. După înscrierea software-ului pe microcontroler, acesta a fost scos de pe placa de dezvoltare și pus într-un soclu în circuitul real alaturi de celelalte componente necesare.

Figura 4.6. Cablaj de test

Lipirea pieselor pe cablaj s-a realizat folosind o stație termostată de lipit, fludor Sn60Pb40, flux de lipit cu colofoniu, cablaj de test găurit cu pas de 2.54mm, sârmă de cupru 0.2mm, cabluri lițate izolate de 0.5mm.

Figura 4.7. Stație de lipit cu letcon

Am utilizat componentele electronice atât în capsule SMD cât și capsule THT, pentru economie de spațiu am folosit pentru componentele pasive doar capsule SMD 0805 și pentru diode capsula SMD DO-213.

Rezultatul final

Figura 4.8. Cablajul final

Figura 4.9. Cablaj placă față

Figura 4.10. Cablaj placă spate

Schema electrică

Concluzii

În urma proiectului am dobândit noțiuni suplimentare despre senzori și traductori, programarea unui microcontroler, fenomenele fizice din spatele acestora. Am realizat cât de importantă este o bună documentare și o planificare amănunțită a unei lucrări. Totodată am realizat importanța verificării parametrilor echipamentelor folosite, testarea tuturor componentelor (pe cât posibil), testarea sub diferite situați.

Noțiunile acumulate pe parcursul anilor de facultate, pregătirea practică efectuată, cât și lucrul individual s-au dovedit a fi esențiale pentru studiul, înțelegerea fenomenelor, alegerea ecuațiilor potrivite, alegerea componentelor potrivite, implementarea proiectului.

Partea practică a proiectului a constat în implementarea unui sistemului automat de control al iluminatului. Implementarea hardware a fost realizată pe o placă de dezvoltarea Arduino UNO folosind diferite componente electronice ( tiristor, triac, optocuplor, fotorezistor ) pentru a regla intensitatea luminozității cât și iluminarea în funcție de lumina din mediul înconjurător (cu ajutorul senzorilor de lumină)

Proiectul poate fi considerat doar o bază a unui proiect mai amplu, ce poate fi utilizat în viața de zi cu zi, pentru utilizarea unui astfel de sistem în ceea ce numit actual o locuință inteligentă. Aceasta, ideal, ar conține și alte sisteme precum sistem de control al temperaturii, audio-video , sistem de securitate.

Dorința de automatizare este din ce în ce mai mare în zilele noastre, deoarece se dorește ca orice lucru să poată fi automatizat sau controlat neavând o interacțiune directă cu aceasta, de aceea consider că acest proiect are un rol important în viața cotidiană, putând fi utilizat în orice locuiță din lume.

Bibliografie

[1] Radu Radescu, Arhitectura sistemelor de calcul, Universitatea ,,POLITEHNICA” Bucuresti, 2007

[2]http://www.phys.ubbcluj.ro/~anghels/teaching/Electronics/capitole%20electronica%20pdf/Tranzistorul%20bipolar.pdf

[3] http://ro.wikipedia.org/wiki/Microcontroler

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/ATmega328

[5] http://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-circuits/passive-components/resistors/photoresistor.html

[6] http://www.resistorguide.com/photoresistor/

[7] http://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328

[8] http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Summary.pdf

[9] https://www.engineersgarage.com/electronic-components/16×2-lcd-module-datasheet

[10] https://ro.scribd.com/doc/24853156/Sisteme-de-Automatizare

[11] http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_8.html

[12] http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_3.html

[13] Prof. C. Negrescu – Curs Robotică – (Traductoare, senzori și sisteme senzoriale), 2013

[14] http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno

[15] Dispozitive și circuite electronice – D. Dascălu, M. Profirescu, A. Rusu, I. Costea – Editura Didactică și Pedagogică, București 1982

[16] http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_1.html

[17] https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-4/bipolar-junction-transistors-bjt/

ANEXE

Cod