Controlul Si Reglarea Temperaturii Interioare Intr Un Autoturism

PROIECT DE DIPLOMĂ

Controlul și reglarea temperaturii interioare într-un autoturism

CUPRINS

Capitolul 1. Generalități privind sistemele de climatizare

Capitolul 2. Proiectarea unui sistem de climatizare pentru un autoturism

2.1. Structura și algoritmul buclei de reglare

2.2. Proiectarea unui sistem de climatizare

Capitolul 3. Alegerea și dimensionarea elementelor componente ale sistemului de climatizare

Capitolul 4. Proiectarea și realizarea circuitelor electrice și electronice

Capitolul 5. Proiectarea și realizarea pachetelor software

Capitolul 6. Teste și concluzii

Bibliografie

Capitolul 1.

Generalități privind sistemele de climatizare

Ca o componentă a siguranței active, starea de bine a șoferului este un factor esențial al abilităților acestuia de a conduce. Climatul din habitaclu are efect direct asupra abilităților șoferului, stresului și siguranței de a conduce. O temperatură interioară confortabilă este influențată de temperatura ambientală exterioară autovehiculului și de debitul de aer:

Temperatură ambientală exterioară scăzută, de ex. -20°C o Temperatură ambientală interioară mai mare 28°C o Debit de aer mai mare: 8 kg/min

Temperatură ambientală exterioară mare, de ex. 40°C o Temperatură ambientală interioară mai scăzută 23°C o Debit de aer mai mare: 8 kg/min

Temperatură ambientală exterioară moderată, de ex. 10°C o Temperatură ambientală interioară mai mare 21.5°C o Debit de aer mai mic: 4 kg/min

Fig. 1.1. Temperatura într-un vehicul cu AC și fără AC

Studii științifice efectuare de Organizația de Sănătate Mondială au arătat că abilitățile individului de a se concentra și de a reacționa sunt diminuate sub prezența stresului.

Căldura împovărează corpul uman.

Fig. 1.2. Curbe de confort

Temperatura ideală de șofat este undeva între 20°C și 22°C, echivalentul zonei A în tabelul de mai jos.

Razele puternice de soare pot crește temperatura interioară cu mai mult de 15°C peste temperatura ambientală – mai ales în zona capului. Aici efectele supraîncălzirii sunt cele mai periculoase.

Temperatura corpului crește și bătăile inimii se intensifică. Respirăm mai greu de asemenea. Creierul nu primește destul oxigen. Momentan ne aflăm în zona B a aceluiași tabel. Zona C reprezintă maximul suportat de om. Deja repercusiunile expunerii la o astfel de temperatură pot fi dintre cele mai grave.

Fig. 1.3. Trepte de confort

Specialiștii denumesc această zonă, zona de “stres climatic”. Studii au arătat că o creștere a temperaturii de la 25°C la 35°C reduce perceperea senzorială a individului și puterea acestuia de araționa cu 20%. S-a stabilit că aceasta reducere este echivalentă cu oconcentrație a alcoolului în sânge de 0.5 mililitri.

Aerul condiționat – un sistem ce menține temperatura aerului la un nivel confortabil corpului uman, și care în același timp purifică și deshidratează aerul.

Afirmația conform căreia sistemul de aer condiționat produce aer rece este cumva greșită, în sensul că sistemul nu produce aer rece ci extrage căldura din aerul aflat deja în vehicul.

Detentor

Condesatorul are rolul de a ridica presiunea refrigerentului care iese din evaporator și de a întreține circulația acestuia în sistem. Compresorul este pus în mișcare, prin ambreiajul electromagnetic numai în momentul în care motorul este pornit.

Condensorul este cea mai “rece” parte a sistemului de aer condiționat.

În instalația de aer condiționat cu supapă de destindere termostatică, rezervorul are rolul de a stoca și deshidrata agentul de răcire.

Supapa de destindere termostatică (detentorul) are două funcții:

face trecerea fluidului de la înaltă la joasă presiune – destinderea

reglează tot timpul cantitatea de fluid ce se destinde în funcție de temperatura de ieșire din evaporator. Într-adevăr, o temperatură prea scăzută înseamnă o evaporare în curs de realizare, deci incompletă și prezența lichidului la ieșirea din evaporator.

Conductele de legătură leagă diferitele componente ale circuitului pentru transferarea fluiduluide de la unul la altul. Sunt formate dintr-o parte rigidă (tub de aluminiu), o parte elastică (furtun de cauciuc), racorduri și garnituri, elemente pentru absorbția zgomotului și supape.

Furtunurile elastice sunt din materiale speciale(elastomeri multistrat) deoarece freonul are proprietatea de a trece prin cauciuc.

Fig. 1.5. Sistemul de AC cu orificiu tub sau orificiu calibrat

Fig. 1.6. Distribuția aerului

Pentru reglarea temperaturii cât mai eficace și mai rapid, robinetul de încălzire a fost înlocuit cu un volet de amestec. Acesta autorizează combinarea aerului cald cu cel rece, de la poziția de căldură maximă(tot aerul trece pe lângă radiatorul de încălzire), până la poziția de frig maxim (aerul nu trece decât pe lângă evaporator).

Un alt element este voletul de reciclare al aerului, care selecționează intrarea aerului din exterior sau îl recirculă pe cel din interior. Utilizatorul poate deci, alege izolarea de aerul din exterior, în anumite cazuri particulare și temporare(aer exterior viciat, temperatură exterioară ridicată, etc.). Această utilizare nu poate fi decât temporară deoarece aerul din interior este viciat, ceea ce poate duce la aburirea geamurilor. Mai există de asemenea și voleți de repartizare a aerului, în funcție de dorința utilizatorului.

Fig. 1.7. Climatizare manuală – aranjarea voleților pentru răcirea aerului

Voletul de recirculare este închis, ceea ce înseamnă că doar aerul exterior cald intră în instalație, traversând evaporatorul. Voletul către aerotermă este de asemenea închis, aerul acum rece ne având nevoie să fie încălzit.

Fig. 1.8. Climatizare manuală – aranjarea voleților pentru răcirea maximă a aerului

În cazul în care se dorește răcirea maximă a aerului, voletul de recirculare închide admisia de aer exterior, folosind în acest moment aerul din habitaclu, astfel aerul introdus în sistem are deja o temperatură mai scăzută.

Fig. 1.9. Climatizare manuală – aranjarea voleților pentru încălzirea aerului

În momentul când se dorește încălzirea aerului interior, aerul este dirijat prin aerotermă, iar trecerea acestuia prin evaporator se face fără schimb de căldură. Compresorul nu este pornit, deci agentul de răcire nu circulă prin evaporator.

Fig. 1.10. Climatizare manuală – aranjarea voleților pentru combinarea aerului

În cazul ajustării temperaturii, voletul de amestec este deschis parțial, permițând astfel unui procent din aerul rece să treacă prin aerotermă. Unghiul de deschidere al voletului de amestec determină temperatura aerului la gurile de ventilație, și astfel, prin varierea acestui unghi se obține temperatura dorită.

Climatizarea automată are rolul de a menține temperatura în habitaclu la un anumit nivel, fără intervenția umană.

Fig. 1.11. Graficul variației de temperatură pentru stabilirea unui nivel confortabil În cazul climatizării manuale, utilizatorul trebuie să “caute” setările necesare unui nivel al temperaturii confortabil, în sensul că trebuie să ajusteze viteza ventilatorului, poziția voletului de amestec, etc. În cazul climatizării automate, calculatorul face această “căutare”, și din acest motiv, temperatura aerului oscilează mult mai puțin până la găsirea valorii cerute (așa cum este arătat în Fig. 1.11.).

Producătorii de mașini s-au straduit în diverse moduri să inoveze asupra modului în care se încălzește interiorul mașinilor, de la introducerea unor sisteme de încălzire auxiliară, până la radiatoare electrice suplimentare și la bujii incandescente pe instalația de răcire.

Orice sistem de încălzire și ventilație este supus unui set simplu de cerințe funcționale, care se regăsesc în diferite standarde. Aceste cerințe pot fi rezumate după cum se prezintă în continuare:

tempreratura din interiorul vehiculului trebuie să poată fi reglată;

căldura trebuie să fie disponibilă cât mai repede posibil;

căldura trebuie să poată fi distribuită spre diferitele părți ale vehiculului;

cabina trebuie să fie ventilată cu aer proaspăt la un nivel minim de zgomot;  trebuie să fie facilitată dezaburirea tuturor geamurilor;  controlul trebuie să fie ușor de realizat.

Cerințele de mai sus, deși nu defininesc în totalitate sistemul de încălzire și ventilație, dau o imagine asupra condițiilor impuse acestuia. Cu cât sistemul de control este mai complex, cu atât sunt mai bine îndeplinite condițiile impuse. Dar cu cât sistemul este mai complex, evident este și mai scump.

Datorită schimbărilor temperaturii exterioare și a vitezei de deplasare se produc modificări ale temperaturii din interiorul motorului. Aceste variații fac necesare reajustări manuale frecvente ale încălzirii interiorului.

Un sistem electronic automat pentru controlul încălzirii păstrează constantă temperatura dorită, la o valoare fixată, într-o gamă posibilă largă.

Folosind o astfel de abordare în rezolvarea problemei, se obțin următoarele avantaje:

Interiorul vehiculului este întotdeauna la temperatura dorită, fără a depinde de turația motorului, viteza de deplasare și temperatura exterioară;

Încălzire rapidă a interiorului după o pornire la rece;

Reacție rapidă la schimbarea valorii prescrise.

Obiectivele temei de licență:

Tema „Controlul și reglarea temperaturii interioare într-un autoturism” presupune dezvoltarea unei aplicații privind schimbarea temperaturii din interiorul unei mașini, în funcție de preferințele utilizatorului. Vor fi înregistrate date privind temperatura din mașină.

Consider că acest lucru este semnificativ pentru o lucrare de diplomă, deoarece nu toată lumea are posibilitatea să cumpere o mașină cu AC. Obiectivul principal al lucrarii este acela de a permite tuturor persoanelor ce dețin o mașina, să folosească un sistem de reglare a temperaturii din interior, renunțând astfel la mersul cu geamurile deschise.

Analiza cerințelor:

Crearea unei aplicații care constă în verificarea temperaturii din interiorul unei mașini și menținerea constantă a acesteia la nivelul impus de utilizator.

Specificații:

Aplicația trebuie să ofere utilizatorului posibilitatea de a:

vizualiza date referitoare la temperatura din interiorul mașinii

reglarea temperaturii după nivelul de confort

Aerul condiționat asigură în multe sensuri un climat optim pentru șofer și pasageri. Pe lângă efectul de răcire, AC filtreaza și curăță aerul, scăzând și umiditatea.

În mod uzual, mașinile moderne, cu sistem de climatizare automat, în momentul când este pornit motorul, dacă butonul de AC nu este OFF, sau pe ECON, această funcție este automat activată. Practic, funcția de AC poate fi dezactivată oricând prin simpla apăsare de buton, și repornită oricand.

Conform unui studiu, bordul mașinii, bancheta, sunt plasticuri care emit benzen, o toxină cauzatoare de cancer. Pe lânga faptul că provoacă cancer, vă otrăvesc oasele, determină anemie și reduce numărul de celule albe din sânge.

Benzenul este o toxină care afectează rinichii și ficatul, și este foarte dificil pentru organism să elimine această substanță toxică. Expunerea prelungită poate provoca leucemie, crescând riscul de cancer și poate produce, de asemenea, avort spontan, etc.

Nivelul acceptabil de benzen în interior este de 50mg. O mașină parcată în interior(garaj) cu geamurile închise va conține 400-800 mg. Dacă este parcată în

aer liber, la soare, la temperaturi de peste 16° C, nivelul de benzen se situează între

2000-4000 mg, de 40 ori nivelul acceptabil, și oamenii din mașină vor inhala inevitabil un exces de toxine.

Pe timpul iernii poți avea un habitaclu uscat fără umiditate și geamuri aburite.

Atunci când sunt folosite în mod frecvent și întreținute, mașinile funcționează mai bine, sunt mai receptive și opereaza cu o mai mare economie de combustibil.

Sistemul de aer condiționat este foarte asemanator. Folosirea sistemului AC oferă beneficiul de a avea un aer cpeste 16° C, nivelul de benzen se situează între

2000-4000 mg, de 40 ori nivelul acceptabil, și oamenii din mașină vor inhala inevitabil un exces de toxine.

Pe timpul iernii poți avea un habitaclu uscat fără umiditate și geamuri aburite.

Atunci când sunt folosite în mod frecvent și întreținute, mașinile funcționează mai bine, sunt mai receptive și opereaza cu o mai mare economie de combustibil.

Sistemul de aer condiționat este foarte asemanator. Folosirea sistemului AC oferă beneficiul de a avea un aer curat și uscat în mașină. Starea bună de funcționare este cel mai bine întreținută prin utilizare.

Sistemului de control constă din un sensor de temperatură, o unitate electronică de control (controlerul), un selector pentru valoarea temperaturii

(potențiometru) montat pe bordul automobilului și un electroventil. Sensorul de temperatură este montat în interiorul vehiculului, lângă podea, pe bord sau lângă cupolă.

Funcționarea sistemului de control

Sensorul de temperatură măsoară temperatura din interiorul vehiculului. În vederea obținerii unui semnal pentru temperatura din interior, care este reprezentativ și reacționează la schimbările de temperatură, aerul din interior trebuie să fie trecut în mod constant prin zona sensorului.

Semnalele de la sensorul de temperatură sunt evaluate conform unei relații prestabilite și comparate de către controler cu temperatura dorită.

Temperatura dorită este fixată cu ajutorul unui potențiometru montat în bordul automobilului.

Controlerul furnizează la ieșire impulsuri ce deschid electroventilul la intervale de timp regulate de aproximativ 4 secunde. Timpul de deschidere al electroventilului depinde de diferența între valoarea curentă a temperaturii și valoarea dorită.

Electroventilul controlează cantitatea de căldură transferată în circuitul aerului de încălzire de schimbătorul de căldură. Pasagerii nu pot sesiza variațiile de temperatură datorită succesiunii rapide a impulsurilor de acționare a electroventilului.

Unitatea de control cuprinde următoarele blocuri funcționale:

Sursă de alimentare (stabilizată);

Circuit de evaluare și amplificator;

Generator de tensiune în dinți de fierăstrău și comparator;

Driver și etaj de ieșire;  Potențiometru de prescriere a temperaturii dorite (cu întrerupător).

Structura unității de control este prezentată in figura 1.12.

Semnalul furnizat unității de control de sensorul de temperatură este aplicat unui circuit de evaluare și, după ce semnalul rezultat este amplificat, acesta este aplicat comparatorului. În comparator tensiunea variabilă este comparată cu semnalul de referință furnizat de generatorul de tensiune în dinți de fierăstrău.

Impulsurile obținute prin această comparare au nivel suficient pentru a comanda etajul driver. Etajul de ieșire comută curenți de ordinul 1A, ceruți de acționarea electroventilului. În acest fel, electroventilul este comandat cu impulsuri ce au un factor de umplere precizat de controler.

Acest factor de umplere asigură controlul corect al transferului de căldură de la schimbătorul de căldură.

Comutatoarele acționate de potențiometrul de prescriere permit prescrierea valorilor temperaturilor de încălzire până la o valoare maximă (încălzire continuă – limita din dreapta) sau asigură deconectarea (limita din stânga).

Mașina are multe geamuri, care acționează ca un catalizator pentru creșterea rapidă a temperaturii din interior. Aceste geamuri lasă lumina soarelui sa patrundă în mașină, astfel temperatura din interior poate să se dubleze, față de temperatura de afară.

Cei mai mulți oameni cred că, culoarea mașinii este cel mai important factor pentru a determina ce mașina se încălzește mai repede, dar se înșeală, deoarece factorul determinant este culoarea interiorului mașinii. Mașinile care au interiorul de culoare închisă, se încălzesc mult mai repede.

Alte părți ale mașinii, cum ar fi volanul și bordul, pot de asemenea sa ajute la creșterea temperaturii din interior, din cauza culorilor închise.

Dacă mașina este parcată în soare, dăcă culoarea ei este închisă, temperatura interioară ajunge la valori insuportabile.

Tabel 1.1. Temperatura într-o mașină lăsată la soare (32° C)

Dacă fixăm temperatura dorită pe LOW, înseamnă că răcirea se va face continuu, fără a face nici un reglaj de temperatură (termostatare). În acest mod, vom ajunge să tușim și chiar să căpătăm un guturai. Este preferabil să reglăm temperatura la o valoare convenabilă, care să nu fie prea scazută! Astfel, funcționarea compresorului de AC este rațională, iar noi nu vom fi supuși unui șoc termic prea important, când vom ieși din habitaclul răcit, afară – la temperaturi de peste 30° C.

Dacă sistemul de climatizare este manual, trebuie să avem grijă să reglam viteza ventilatorului astfel ca după un timp, debitul de aer rece să fie mai mic, evitând îmbolnăvirea. De asemenea, trebuie să corelăm viteza ventilatorului de aer cu temperatura realizată! Cu cât setăm pe viteză mai mare, cu atât mai puțin răcit va fi aerul introdus în habitaclu.

Nu este deloc sănătos să intrăm de la temperaturile de afară, care pot depăși 40°C, într-un habitaclu unde sunt 20°C și unde prin grilele de aer sosește aer rece!

Trebuie să avem în vedere moderația, în acest caz, fixarea unei temperaturi convenabile, care poate fi 25-26°C.

Creșterea consumului de carburant este un fenomen normal, ca și scăderea performanțelor dinamice ale mașinii, în timpul funcționarii AC. Însa folosirea AC ne aduce un supliment de confort și chiar siguranță rutieră.

Capitolul 2.

Proiectarea unui sistem de climatizare pentru un autoturism

În dezvoltarea aplicației am folosit programul AVR Studio pentru programarea microcontrolerului, iar pentru partea hardware următoarele componente:

sursă de aer rece și sursă de aer cald

elemente de dirijare

senzor de temperatură

microcontroler

display

butoane

g) surse de tensiune

AVRStudio este un mediu software dezvoltat de Atmel pentru scrierea în limbaj de programare C, compilarea și simularea de programe destinate microcontrolerelor produse de această companie.

Microcontrolerul Atmega128 este un microcontroler CMOS pe 8-biți de mică putere bazat pe arhitectură RISC.

Atmel AVR combină un set bogat de instrucțiuni cu 32 registre de lucru de uz general. Toate cele 32 de registre sunt conectate direct la unitate logică aritmetică (ALU).

ATmega128 oferă următoarele caracteristici:

128 Kbytes memorie flash programabila cu posibilitatea de citire in timp ce scrie

4Kbytes EEPROM

4Kbytes SRAM

53 linii I/O de uz general

32 registre de lucru de uz general

Real Time Counter (RTC) – numărător în timp real

2 USART

un port serial SPI

Fig. 2.1. Microcontroler ATMega 128

Arhitectura AVR are două spații de memorie principale: memoria de date și spațiul de memorie de program. În plus, ATmega128 are o memorie EEPROM pentru stocarea de date. Toate cele trei spații de memorie sunt liniare și regulate.

ATmega128 conține 128Kbytes memorie reprogramabilă Flash, dar din moment ce toate instrucțiunile AVR sunt de 16 sau 32 de biți, memoria Flash este organizată ca 64K x 16.

Fig. 2.2. Harta memoriei de program

Atmel AVR ATmega128 suportă două configurații diferite pentru memorie SRAM.

Tabel 2.1. Configurare memorie SRAM

2.1. Structura și algoritmul buclei de reglare

Structura buclei de reglare este prezentată în următoarea figură:

Fig. 2.1.1. Structura buclei de reglare a temperaturii

Temperatura prescrisă este comparată cu temperatura setată de utilizator, iar diferența de temperatura spune microcontrolerului dacă să crească sau sa scadă temperatura din habitaclu.

Bucla de reglare a temperaturii este prezentată în figura 2.1.2.

Fig. 2.1.2. Bucla de reglare a temperaturii

În graficul de mai sus am ilustrat valoarea temperaturii prescrise (Ɵ*) la 22°C.

Pentru a demonstra funcționarea buclei de reglare a temperaturii am stabilit un hysteresis (h) de 1°C astfel că, ventilatorul de aer rece pornește cand temperatura reală este mai mare decat suma dintre temperatura prescrisă și hysteresis (Ɵ > Ɵ* + h), iar ventilatorul de aer cald pornește cand temperatura reală este mai mică decât diferența dintre temperatura prescrisă și hysteresis (Ɵ < Ɵ* – h).

Un alt algoritm neconvențional de reglare a temperaturii îl constituie logica fuzzy.

Logica fuzzy a fost definită în 1965 de către prof. Lotfi Zadeh de la Universitatea Californiei din Berkeley. Spre deosebire de logica clasică, în care se lucrează cu două valori de adevăr exacte (notate de ex. 0 pentru fals și 1 pentru adevărat), logica fuzzy folosește o plajă continuă de valori logice cuprinse în intervalul [0, 1], unde 0 indică falsitatea completă, iar 1 indică adevărul complet. Astfel, dacă în logica clasică un obiect poate aparține (1) sau nu (0) unei mulțimi date, logica fuzzy lucrează cu gradul de apartenență al obiectului la mulțime, acesta putând lua valori între 0 și 1.

Logica fuzzy oferă instrumentele necesare pentru reprezentarea în sistemele inteligente a unor concepte imprecise cum sunt „mare”, „fierbinte”, „ieftin” ș.a., concepte numite variabile lingvistice sau variabile fuzzy. Pentru reprezentarea acestora se folosesc seturile fuzzy, care captează din punct de vedere cantitativ interpretarea calitativă a termenilor.

Bazate pe logica fuzzy, sistemele fuzzy sunt considerate un caz particular al sistemelor expert (motiv pentru care mai sunt denumite și sisteme expert fuzzy (Fig. 2.1.3)), sisteme care oferă o metodă flexibilă pentru tratarea incertitudinii.

Japonia este țara cu cele mai multe sisteme fuzzy implementate, mai ales în domeniile vânzărilor și a urmăririi producției. De asemenea, multe sisteme fuzzy au fost înglobate în unele dintre bunurile de larg consum: mașini de spălat rufe, cuptoare cu microunde, aparate foto, aparate de aer condiționat, etc.

Fig. 2.1.3. Sistem expert fuzzy

2.2. Proiectarea unui sistem de climatizare

Sistemul de climatizare a fost proiectat după următoarea schemă funcțională:

Fig. 2.2.1. Schema funcțională a sistemului de climatizare

Cu ajutorul interfeței LAN utilizatorul are posibilitatea de a modifica temperatura de la distanță cu ajutorul unui dispozitiv conectat la rețea.

LCD-ul afișează temperatura din habitaclu și mesaje referitoare la aceasta. Tastatura(butoanele) îi dă posibilitatea utilizatorului să modifice temperatura din habitaclu, în funcție de preferințele acestuia, și anume să o mărească sau să o scadă.

Sistemul cu microcontroler este programat să primească date prin intermediul interfeței LAN, să preia datele de la senzorul de temperatură, să afișeze aceste date pe LCD, să scaneze tastatura și să observe când se fac modificări asupra temperaturii, să dea comandă către driver.

Driver-ul primește comandă de la microcontroler și în funcție de preferințele utilizatorului și de temperatura din habitaclu, acesta pornește ventilatorul de aer rece sau pe cel de aer cald.

Senzorul de temperatură măsoară temperatura din habitaclu continuu, iar cu ajutorul microcontroler-ului și al driver-ului, menține temperatura dorită de utilizator.

Pentru sursă de aer cald și sursă am aer rece am folosit un modul Peltier. Toate aceste componente sunt alimentate la 3.3V, 5V, respectiv 12V.

Capitolul 3.

Alegerea și dimensionarea elementelor componente ale sistemului de climatizare

3.1. Sistemul cu microcontroler

Sistemul de automatizare este realizat sub forma unui sistem de dezvoltare cu microcontroler. Acest sistem este proiectat și realizat cu ajutorul pachetelor de programe Orcad 9.2.

Microcontrolerul ales este Atmega128 și face parte din familia AVR produsă de Atmel. Alegerea sa a fost făcută din următoarele considerente:  Frecvența de ceas de 16MHz este suficientă pentru dirijarea unei intersecții precum și pentru îndeplinirea taskului de comunicație la distanță.

 Oferă un număr suficient de porturi 53 de linii de intrare/ieșire programabile.

Schema sistemului cu microcontroler Atmega128 este redată în figura

Fig. 3.1.2. Cablajul imprimat al sistemului cu microcontroler

Pentru fiecare pin al porturilor microcontrolerului s-a folosit o rezistență de limitare a curentului cu valoarea de 510 ohmi.

Realizarea practică a acesteui sistem este redată în imaginile următoare.

Fig. 3.1.3. Partea superioară a plăcii cu microcontroler

Fig. 3.1.4. Partea inferioară a plăcii cu microcontroler

3.2. Interfața de comunicație Ethernet-SPI

Interfața de comunicație permite conectarea unui microcontroler la o rețea de tip Ethernet. Aceasta realizează un schimb de informații cu microcontrolerul la o viteză de până la 10 Mbit/s prin intermediul unei interfețe SPI(Serial Peripheral Interface).

Fig. 3.2.1. Interfața de comunicație Ethernet-SPI

Circuitul a fost proiectat folosind pachetul Cadence Orcad 9.2. Schema utilizată se bazează pe microcontrolerul ENC28J60 produs de firma Microchip.

ENC28J60 este un controler Ethernet stand-alone cu o interfață de comunicație în standard Serial Peripheral Interface (SPI). Acesta este conceput pentru a permite conectarea la o rețea Ethernet a unui controler echipat cu SPI.

ENC28J60 îndeplinește toate specificațiile IEEE 802.3 și oferă un modul DMA pentru transfer rapid de date, precum și hardware-ul pentru controlul protoclului IPv4.

Fig. 3.2.2. Circuitul ENC28J60

IPv4 (Internet Protocol version 4) este un protocol fara conexiune, utilizat în rețele ce folosesc schimburi de pachete și folosește adrese pe 32 de biți, ce limitează spațiul la 2^32 adrese. IPv4 își rezervă blocuri speciale de adrese pentru rețele private (~ 18 milioane de adrese) și adresele multicast ( ~ 270 de milioane de adrese).

Fig. 3.2.3. Adresa IPv4

ENC28J60 funcționează la o frecvență dată de un cuarț de 25MHz și poate genera tactul de funcționare pentru un dispozitiv extern prin pinul CLKOUT. El dispune și de un pin wake-on-lan (WOL) ce îi permite activarea altor dispozitive aflate în modul de consum redus(sleep).

ENC28J60 constă din șapte blocuri majore funcționale:

O interfață SPI, care servește ca o comunicare canal între controlerul gazdă și ENC28J60.

Registrele de control, care sunt folosite pentru a controla și monitoriza ENC28J60.

Un registru tampon RAM dual port pentru pachetele de datele primite și pachetele de date transmise.

Un arbitru pentru a controla accesul la registrul tampon RAM atunci când cererile sunt făcute din DMA.

Interfața bus care interpretează datele și comenzile primite prin intermediul interfeței SPI.

MAC (Medium Access Control) modul care pune în aplicare IEEE 802.3 conform cu logica MAC.

PHY (fizic Layer) modul care codifică și decodifică datele analogice, care este prezent pe răsucirea perechilor de interfață.

Dispozitivul conține, de asemenea, și alte blocuri de sprijin, cum ar fi oscilator, regulator de tensiune on-chip, traducători de nivel pentru a oferi toleranță de 5V la I / O și sistemul logicii de control.

ENC28J60 este alimentată la 3.3V dar, cu toate acestea, ea a fost proiectată pentru a fi integrată cu ușurință în sistemele de 5V.

Pentru realizarea interfeței SPI-Ethernet a fost utilizată schema electronică din figura următoare.

Fig. 3.2.4. Schema electronică a interfeței

Pentru aceasta a rezultat cablajul imprimat de mai jos.

Fig. 3.2.5. Cablajul imprimat al interfeței SPI-Ethernet

Această schemă utilizează pentru conectarea fizică la rețea un conector de tip MAGJACK. Acesta are integrat sistemul magnetic precum și posibilitatea utilizării pentru tehnologia POE(power over ethernet), asigurând viteze de 10Mbps.

Fig. 3.2.6. Conectorul de rețea Magjack

Fig. 3.2.7. Structura internă a conectorului

Acest conector a fost ales deoarece are integrate elementele de cuplare magnetică, precum și diodele de protecție. Mai mult, are și două leduri ce sunt utilizate de două din ieșirile procesorului ENC28J60 pentru semnalizarea activității sau stării sale.

Conectorul Magjack permite și alimentarea circuitului din care face parte prin linia de comunicație utilizând tehnologia PoE(Power Over Ethernet).

În continuare sunt prezentate etapele algoritmului de realizare a programului pentru microcontroler:

se configurează porturile microcontrolerului;

se configurează comunicația SPI pentru microcontroler;

se setează regiștrii de configurare ai circuitului ENC28J60(adresea IP, marcă de rețea și server gateway deoarece acesta nu are implementat algoritmul de negociere a unei adrese dinamice DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol));

se așteaptă primirea unui pachet cererut prin rețea;

se detectează tipul pachetului;

dacă protocolul este https (Hypertext Transfer Protocol Secure) se generează pagina ce va fi servită.

Modul de conectare al acestora este redat de tabelul de mai jos.

Tabel 3.2.1. Modul de conectare al microcontrolerului cu interfața

Pentru măsurarea temperaturii am folosit senzorul de temperatură DS18B20.

3.3. Senzorul de temperatură

Senzorul de temperatură DS18B20 este produs de firma Dallas

Semiconductors ce nu necesită alte componente pentru condiționarea semnalului și poate măsura temperaturi cuprinse între -55°C și +125°C cu o acuratețe de ± 0.5% în plaja de temperaturi de -10°C … + 85°C.

Fig. 3.3.1. Versiuni constructive ale senzorului de temperatură

Rezoluția senzorului este selectabilă între 9 și 12 biți. Conversia temperaturii pe 12 biți este realizată în maxim 750ms.

Schema bloc a senzorului este redată în figura următoare.

Fig. 3.3.2. Schema bloc a senzorului de temperatură

Senzorul conține două registre de 8 biți pentru stocarea nivelului minim și maxim al alarmei (TH și TL) și un registru de configurare prin intermediul căruia programatorul poate stabili conversia temperaturii în format digital pe 9, 10, 11 sau

12 biți. Acest lucru stabilește pasul de incremenatre a valorilor măsurate : 0.5, 0.25, 0.125 și 0.0625°C.

Rezoluția implicită este de 12 biți.

Valorile TH și TL sunt stocate într-o memorie nevolatilă EEPROM astfel că ele vor fi disponibile chiar dacă alimentarea senzorului a fost întreruptă.

Comunicația cu senzorul se face pe un singur pin cu 3 stări logice, protocolul de comunicație bazându-se pe un cod pe 64 de biți.

O particularitate a acestui senzor este aceea de a putea opera fără să aibă o alimentare externă.

Alimentarea se poate face printr-un rezistor de pull-up așa cum se poate observa și în figura 3.3.3.

Fig. 3.3.3. Alimentarea senzorului DS18B20 printr-un rezistor de pull-up

Pachetul informațional transferat de senzor este format din 16 biți. Biții 15 – 12 sunt biții ce determină semnul temperaturii citite. Când aceștia sunt zero logic (0) temperatura este pozitivă, iar pentru valoarea unu logic (1) este negativă.

Pentru o rezoluție pe 11 biți bitul zero nu este definit. Pentru o rezoluție pe 10 biți bitul 0 și bitul 1 nu sunt definiți. Pentru o rezoluție pe 9 biți bitul 0, bitul 1 și bitul 2 nu sunt definiți.

Alimentarea senzorului de temperatură se poate face fără o sursă

externă(Fig. 3.3.5.) sau de la o sursă externă(Fig. 3.3.4.)

Fig. 3.3.4. Alimentarea senzorului de la o sursă externă

Fig. 3.3.5. Alimentarea senzorului fără o sursă externă

Memoria senzorului este de tip SRAM, însă anumite informații nu sunt pierdute la întreruperea alimentării datorită unei memorii EEPROM în care sunt stocate valorile temperaturilor trigger pentru alarmă și octetul de configurare. Scrierea acestora se face întotdeauna în memoria EEPROM și sunt automat încărcate în memoria RAM la alimentare.

Senzorul DS18B20 conține un cod unic de 64 biți. Structura acestuia este următoarea :

Fig. 3.3.6. Structura senzorului DS18B20

Primii 8 biți reprezintă un CRC și sunt urmați de 48 de biți ce reprezintă o serie unică de identificare a senzorului. Ultimii 8 biți codifică familia senzorului.

Fig. 3.3.7. Organizarea memoriei senzorului

Registrul de configurare este de 8 biți din care doar biții 6 și 7 sunt utilizați pentru a defini rezoluția ce conversie a temperaturii. Inițial aceștia au valoarea 1. Ceilalți biți nu pot fi accesații fiind utilizați de senzor pentru operații interne.

Tabel 3.3.1. Durata de conversie

Senzorul dispune de un port pe un singur bit. Comunicația cu acesta

presupune transmiterea datelor începând cu cel mai puțin semnificativ bit. Senzorul se află în permanență în stare slave, iar linia pe care este conectat este în permanență lineră. Astfel, pe aceeași linie pot fi conectate mai multe dispozitive.

Secvența de comunicație cu senzorul cuprinde 3 etape:

Inițializarea

Comenzi ROM

Comenzi de accesare a funcțiilor senzorului.

Senzorul nu va răspunde dacă aceste etape nu sunt percurse.

Etapa de inițializare constă într-un impuls de reset.

Comenzile ROM :

Search ROM(F0H) – este comanda de interogare a codurile de 64 de biți. În acest fel dispozitivul master poate determina numărul și tipurile dispozitivelor conectate pe linia de comunicație.

Read ROM(33H) – permite citirea codului de 64 de biți de la un senzor fără accesarea celorlalte dispozitive.

Match ROM(55H) – permite căutarea unui anumit dispozitiv cu un anumit cod ROM.

Skip ROM(CCH) – comanda permite accesarea tuturor dispozitivelor fără a cere codul ROM.

Alarm Search(ECH) – dispozitivul master poate prin această comandă să testeze starea alarmei pentru dispozitivele care au setat acest parametru.

Comenzile pentru accesarea funcțiilor senzorului sunt date în următorul tabel:

Tabel 3.3.2. Comenzile pentru accesarea funcțiilor senzorului

3.4. Butoanele

Modificarea și setarea temperaturii se face cu ajutorul a trei butoane, dar se poate face și de la distanță, cu ajutorul unui modul de internet. Butoanele au rolul de a mări, micșora sau seta temperatura dorită.

Circuitul pentru butoane a fost proiectat în Cadence Orcad 9.2.

Fig. 3.4.1. Circuitul pentru butoane

Pentru aceast circuit a rezultat următorul cablaj.

Fig. 3.4.2. Cablajul pentru butoane

3.5. Display

Pentru afișarea temperaturii folosesc un display WH2004L－TMI－ET#.

Fig. 3.23. Display WH2004L – TMI – ET#

Modulul de afișare LCD are două registre de 8 biți, un registru de instrucțiuni (IR) și un registru de date (DR).

În registrul de instrucțiuni sunt stocate instrucțiunile pentru ștergerea display-ului și mutarea cursorului, precum și informații de adresa pentru memoria RAM a display-ului (DDRAM) și pentru generatorul de caractere (CGRAM).

Registrul de date stochează temporar date care urmează să fie scrise sau citite din DDRAM sau CGRAM.

Când informațiile de adresă sunt scrise în registrul de instrucțiuni, datele sunt stocate în registrul de date din DDRAM sau CGRAM.

Aceste două registre pot fi selectate cu ajutorul semnalului de selectare a registrului (RS).

Tabelul 3.5.1. Operații ce se pot face pe LCD

Caracteristicile generale ale LCD-ului sunt date în următorul tabel:

Tabel. 3.5.1. Caracteristici generale ale LCD-ului

3.6. Sursă de aer cald și sursă de aer rece

Orice sistem de climatizare are nevoie de o sursă de aer cald și o sursă de aer rece. Eu am folosit un modul Peltier.

Oamenii de știință de la începutul secolului XIX, Thomas Seebeck și Jean Peltier, au descoperit fenomenele care stau la baza industriei termoelectrice de astăzi. Seebeck a constatat că, dacă este plasat un gradient de temperatură între intersecțiile a două conductoare diferite, curent electric va circula. Peltier, pe de altă parte, a aflat că trecerea curentului prin două conductoare electrice diferite, provoacă căldură ce poate fi emisă sau absorbită la intersecția cu materiale.

Fig. 3.6.1. Modul Peltier

3.6.1. Structura modulului Peltier

Perechile de tablete P / N sunt conectate electric în serie, dar termic în paralel. Substraturile ceramice metalizate oferă platforma pentru tablete și clapetele mici conductoare care le conectează.

Fig. 3.6.1.1. Construcția unui modul Peltier

Când tensiunea de curent continuu este aplicată la modulul, purtătorii de sarcină pozitivă și purtătorii de sarcină negativă din matricea de tablete absorb energia termică de la o suprafață de substrat și o transferă în partea opusă. Suprafața unde energia termică este absorbită devine rece; suprafața opusă în care energia termică este transferată, devine fierbinte. Inversarea polarității va duce la inversarea părților.

Caracteristicile modulului Peltier sunt prezentare în următorul tabel:

Tabel 3.6.1. Caracteristici modul Peltier

Capitolul 4. Proiectarea și realizarea circuitelor electrice și electronice

Schemele circuitele electrice și electronice au fost proiectate și realizate în Cadence Orcad 9.2.

Testele și verificarea circuitele electrice și electronice au fost făcute în Proteus 8.1.

OrCAD este un pachet software distribuit de Cadence Design Systems, și este folosit în principal pentru proiectarea schemelor electronice. Software-ul este utilizat în special de ingineri electroniști pentru proiectare și de tehnicieni electroniști pentru a crea scheme electronice și printuri electronice pentru producția circuitelor imprimate.

Numele OrCAD este compus din numele firmei și originile software-ului: Oregon și CAD.

Proteus este un sistem virtual de modelare. Acesta este instrumentul perfect pentru ingineri pentru a testa proiectele cu microcontroler înainte construirea unui prototip fizic. Una dintre principalele funcționalități ale Proteus este simularea circuitelor. Proteus vine cu caracteristici de depanare extinse, inclusiv puncte de întrerupere. Pe scurt Proteus este un program folosit pentru a simula interacțiunea dintre software-ul ce rulează pe un microcontroler și orice dispozitiv analog sau digital conectat la acesta.

Fig. 4.1. Schema microcontrolerului

Fig. 4.2. Cablajul microcontrolerului

Fig. 4.3. Schema driverului

Fig. 4.4. Cablajul driverului

Fig. 4.5. Schema butoanelor

Fig. 4.6. Circuitul butoanelor

Capitolul 5.

Proiectarea și realizarea pachetelor software

Proiectarea și realizarea pachetelor software au la bază următoarea schemă funcțională:

Fig. 5.1. Schema funcțională a software-ului

După etapa de inițializare are loc etapa de citire a temperaturii și comenzii.

Fig. 5.2. Schema blocului – citire temperatură și comandă

Această etapă este formată din 3 subetape:

scanare senor de temperatură

scanare butoane și citire comunicație

evaluare temperatură prescrisă și temperatură reală

În prima subetapă senzorul de temperatură este scanat pentru aflarea temperaturii inițiale.

Subetapa a doua este realizată cu ajutorul întreruperilor. Se verifică dacă butoanele sunt apasate, sau dacă utilizatorul folosește interfața LAN pentru modificarea temperaturii.

În ultima subetapă se stabilește valoarea temperaturii prescrise și cea a temperaturii reale și se trece la etapa a treia din schema funcțională a software-ului (Fig. 5.1).

Fig. 5.3. Schema blocului – testare temperatură

Etapa a treia – testarea temperaturii – presupune compararea temperaturii reale cu cea prescrisă și comandarea ieșirilor în funcție de temperatura reală. Dacă temperatura reală este mai mare decât suma dintre temperatura prescrisă și hysteresis pornește ventilatorul de aer rece (ieșirea 1), altfel pornește ventilatorul de aer cald (ieșirea 2).

Dacă temperaturile sunt egale nu se comandă nici una din ieșiri și se întrerupe bucla software.