FUNDAȚIA PENTRU CULTURĂ ȘI ÎNVĂȚĂMÂNT IOAN SLAVICI TIMIȘOARA [304465]

FUNDAȚIA PENTRU CULTURĂ ȘI ÎNVĂȚĂMÂNT “IOAN SLAVICI” TIMIȘOARA

UNIVERSITATEA “IOAN SLAVICI” [anonimizat].Dr. Ing. Conf. Dr. Ing. Ciprian-Bogdan Chirilă

ABSOLVENT: [anonimizat]-Gheorghe Niculea

TIMIȘOARA

-2019-

FUNDAȚIA PENTRU CULTURĂ ȘI ÎNVĂȚĂMÂNT “IOAN SLAVICI” TIMIȘOARA

UNIVERSITATEA “IOAN SLAVICI” [anonimizat] a [anonimizat]. Ciprian-Bogdan Chirilă

Absolvent: [anonimizat]-Gheorghe Niculea

TIMIȘOARA

-2019-

Cuprins

Cuprins …………………………………………………………………………………………………………………….3

Capitolul 1. Introducere ……………………………………………………………………………………………..7

Capitolul 2. Porți de garaj automatizate………………………………………………………………………9

2.1. Clasificarea ușilor de garaj automatizate…………………………………………………………………9

2.2. Tipul de poartă conform principiului de funcționare……………………………………………….12

2.3. Definirea sistemului de acționare pentru o poartă automatizată………………………………..14

2.4. Componentele de siguranță și comandă aplicate în ansamble de automatizări porți ……16

2.4.1. Componentele de comandă aplicate în sisteme de automatizare porți…………….16

2.4.2. Componentele de siguranță utilizate în sisteme de automatizare porți……………19

2.4.3. Componente de avertizare utilizate în sisteme de automatizare porți……………..21

Capitolul 3. Proiectarea execuția și implementarea unei porți automatizate ……………….22

3.1. Proiectarea și simularea machetei………………………………………………………………………..23

3.2. [anonimizat]………………………………………30

3.2.1. Caracteristici Arduino UNO……………………………………………………………………..31

3.2.2. Microcontrolerul ATMEGA328P……………………………………………………………..34

3.3. Proiectarea și implementarea părții electronice………………………………………………………36

3.3.1. Proiectarea și arhitectura software pentru microcontroler…………………………….43

3.3.2. Funcția MAIN………………………………………………………………………………………..44

3.4. Verificarea și testarea sistemului de automatizare porți…………………………………………..45

Capitolul 4. Concluzii………………………………………………………………………………………………….47

Bibliografie…………………………………………………………………………………………………………………49

Anexa 1. Codul sursă…………………………………………………………………………………………………..50

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA de Inginerie Electrică și Tehnologia Informației

DEPARTAMENTUL Calculatoare și tehnologia informației

Proiectul de Finalizare a studiilor a studentului Dan-Gheorghe Niculea

Tema proiectului de finalizare a studiilor: Porți Automatizate a sistemului de intrare într-un garaj

Termenul pentru predarea proiectului de diplomă: 15 Iunie 2019

Elemente inițiale pentru elaborarea proiectului de finalizare a studiilor: Pentru realizarea proiectului s-a facut o documentare in domeniul portilor de garaje automatizate.

Conținutul proiectului de finalizare a studiilor: Lucrarea este structurată astfel.

În capitolul 1 avem o introducere ce descrie lucrarea și prezintă conținutul acesteia pe capitole.

În capitolul 2 avem o prezentare în detaliu a tehnologiilor necesare implementării porților de garaje automatizate.

În capitolul 3 este prezentată maniera de proiectare, execuția si implementare unei porți automatizate.

În subcapitolul 3.1 este prezentată proiectarea si simularea machetei propuse.

În subcapitolul 3.3 este prezentată proiectarea și implementarea montajului electronic.

În subcapitolul 3.3.1 este prezentată proiectarea și implementarea software a montajului.

În subcapitolul 3.4 este prezentată verificarea și testarea machetei.

În capitolul 4 se trag concluziile.

Material grafic: Lucrarea conține material grafic suficient reprezentând diagrame de bloc si secvențe de cod ale comenzilor utilizate.

Locul de documentare pentru elaborarea proiectului de diplomă: Documentarea pentru proiect a fost realizată la facultate și la biblioteca facultații.

Data emiterii temei: 07 Octombrie 2018

Coordonator stințific

Conf. Dr. Ing. Ciprian-Bogdan Chirilă

REFERAT

PRIVIND PROIECTUL DE DIPLOMĂ

A

ABSOLVENTULUI : Dan-Gheorghe Niculea

DOMENIUL Calculatoare și tehnologia informației

SPECIALIZAREA Tehnologia informației

PROMOȚIA 2019

Titlul proiectului: Porți Automatizate a sistemului de intrare într-un garaj

Structura proiectului:

Cuprins

Capitolul 1. Introducere

Capitolul 2. Porți de garaj automatizate

Capitolul 3. Proiectarea execuția și implementarea unei porți automatizate

Capitolul 4. Concluzii

Bibliografie

Anexa 1. Codul sursă

Aprecieri asupra conținutului proiectului de DIPLOMĂ (finalizare a studiilor), mod de abordare, complexitate, actualitate, deficiențe

Modul de abordare este unul ingineresc. Partea de contribuții este înglobată într-un singur capitol dar toate aspectele dezvoltării proiectului sunt bine evidențiate în subcapitole.

Se face o prezentare a părții teoretice și anume a tehnologiilor din zona porților automate: sisteme de comandă, sisteme de sigurantă, sisteme de avertizare.

Complexitatea lucrarii este decentă, logică aplicației este dată de implementarea unei porti automatizate.

Tematica lucrării este una actuală ea îmbină tehnologii de producție CAD/CAM cu montaje electrice și electronice controlate prin cod rulat de un controller.

Nu sunt deficiențe în etapele de dezvoltare software.

Aprecieri asupra proiectului (se va menționa: numărul titlurilor bibliografice consultate, frecvența notelor de subsol, calitatea și diversitatea surselor consultate; modul în care absolventul a prelucrat informațiile din surse teoretice)

Lucrarea are un numar de 15 referințe biliografice: cărți, manuale și chiar site-uri web. Nu sunt note de subsol dar candidatul a fost îndrumat în direcția utilizării în text a formulei de citare pe baza de paranteze drepte.

(se va menționa: opțional locul de documentare și modul în care absolventul a realizat cercetarea menționându-se contribuția autorului)

Concluzii (coordonatorul proiectului trebuie să aprecieze valoarea proiectului întocmit, relevanța studiului întreprins, competențele absolventului, rigurozitatea pe parcursul elaborării proiectului, consecvența și seriozitatea de care a dat dovadă absolventul pe parcurs)

Proiectul este bine structurat, este relevant pentru stadiul actual al domeniului în special în cel al automatizării porților de acces. Absolventul a dat dovadă de pricepere în toate fazele de dezvoltare a unui proiect software cu consecvență și seriozitate.

Redactarea proiectului îndeplinește cerințele academice de redactare (părți, capitole, subcapitole, note de subsol și bibliografie).

Consider că proiectul îndeplinește/ nu îndeplinește condițiile pentru susținere în sesiunea de Examen de LICENȚĂ (finalizare a studiilor) din IULIE 2019 și propun acordarea notei ………………

Oradea,

Data

Coordonator științific

Conf. Dr. Ing. Ciprian-Bogdan Chirilă

Capitolul 1.

Introducere

Siguranța reprezintă o prioritate pentru fiecare din noi, de aceea casa reprezintă locul de adăpost în care ne simțim protejați, de aceea nevoia de securitate este una din cele de bază. Porțile automate reprezintă una dintre piesele de bază pentru o casă inteligentă. De aceea o astfel de casă depășește nivelul pasiv al unei locuințe clasice, tehnologia inteligentă încorporată și mecanismele de securitate lucrând eficient pentru a te bucura de un confort maxim. De aceea, este posibil să îți placă o poartă batantă, ale căror mișcări ies din tiparul celor standard.

Din cele mai vechi timpuri, deși este greu de crezut, prima ușă automată apărută este în urmă cu mai bine de 2000 de ani, nu avea sisteme de siguranță, nu era nici ușoară, iar întregul mecanism de funcționare presupunea un angrenaj complicat. De aceea ușile automate, așa cum le știm noi, au apărut mult târziu odată cu dezvoltarea tehnologică, atunci când omul a reușit să pună în armonie părțile mecanice cât și cele electronice. Astfel, porțile automatizate au fost echipate cu o multitudine de tehnologii, pentru o utilizare cât mai usoară ( diferite tipuri de ansamble acționate de motoare electrice, dispozitive pneumatice, mecanice de tip scripete sau piuliță cu surub) acestea fiind comandate de către un utilizator prin diferite metode. Dacă mecanizarea îl elibereaza pe om de efortul fizic și consumul ridicat de energie, automatizarea este cea care urmărește eliminarea intervenției directe a omului.

Fig.1. Elemente poartă automatizată.

Sistemul de porți automatizate, reprezintă o investiție, ce poate aduce un plus de valoare a oricărei incinte de uz rezidențial, comercial sau industrial. Odată ce aceste locații sunt dotate cu porți automatizate, te poți bucura de o securitate mai mare, un control mult mai bun asupra propietații și de economie de timp atunci când sunt utilizate. Un alt avantaj al porților automatizate, sunt acelea ca pot fi acționate la fel ca o telecomandă de televizor, și ușurința accesului atunci când se vor utiliza, în momentul, când se va intra cu mașina în garaj, curte sau orice perimetru securizat.

În prezent, nu se poate concepe, ca un spațiu nou construit, fie că este vorba de o cladire industrială, de birouri chiar și de cele rezidențiale să nu fie valorificate și cu o poartă sau ușă de acces automatizată. Devenind astfel o necesitate de zi cu zi, având în vedere multitudinea de soluții existente pe piață, dacă orice construcție, care este prevăzută cu o incintă, un perimetru, indiferent că vorbim de o reședintă sau o zonă industrială, vedem necesitatea de zi cu zi, ca acestea, să fie dotate cu o poartă de acces ( chiar si sub formă de barieră ) mai ales pentru accesul într-o platformă industrială cu mulți angajați, unde accesul de face cu mașina cât si pedestru, iar în funcție de accesul de securitate specific, al angajatului, accesul să se facă prin diferite porți sau uși automatizate până pe linia de producție, sau în zona de birouri unde este cazul.

Astfel orice poarta sau ușă să poată fi controlată atât local cât și de la distanță știind exact în orice moment unde se află fiecare angajat și a altor persoane aflate ocazional ( cu alte scopuri ) în clădire sau zona respectivă. Pentru zone rezidențiale conceptul de automatizare părea că se încadrează în domeniul ștințifico-fantastic. Nu mai este cazul și astăzi, când casa inteligentă a devenit realitate, rămânând însă un concept inedit. Așa se face automatizarea, un proces care permite controlul automat al tuturor dispozitivelor dintr-o casă cu o simpla apasare de buton sau cu o comandă vocală, mai mult, automatizarea înseamnă ca toate aceste dispozitive să poată comunica, trimite informații către utilizator și răspunde la comenzi.

Scopul proiectului este de a realiza un model de automatizare a unei porți de acces în garaj pentru o casă și de a demonstra potențialiilor clienți ai dezvoltatorului modul de funcționare/implementare a unui concept de poartă automatizată cât și capabilitatea dezvoltatorului de a executa diferite tipuri de porți uzuale, până la un model inovator.

Având în vedere dinamica dezvoltarii actuale, de pe piață a automatizărilor de tot felul, în prezent, porțile automatizate au devenit uzuale, de aceea ideea acestui proiect, se vrea ca în primul rând comerciantul să poată demonstra nivelul și capabilitatea în a inova și deschiderea către idei noi.

Ideea acestui proiect vrea să implementeze o soluție a unei porți de garaj batantă neconvențională, acționată cu ajutorul unor motoare de curent continuu care acționează o poartă articulată culisant/batantă.

Capitolul 2 prezintă diferite automatizări utilizate pentru porți și uși existente, capitolul 3 prezintă partea practică a lucrarii. În ultimul capitol se prezintă concluziile finale ale acestei lucrări.

Capitolul 2.

Porți de garaj automatizate

În acest capitol se va prezenta diferite modele de porți și uși ce pot fi automatizate, categoriile de automatizări care pot fi adaptate pentru fiecare tip de ușă sau poartă. Se vor prezenta diferite sisteme de porți și uși, detalii de funcționare reale, apoi se va construi un model de poartă automatizată acesta fiind si scopul acestui proiect.

2.1. Clasificarea ușilor de garaj automatizate

Sistemele pentru porți automatizate sunt împarțite în 2 tipuri, în funcție de modul în care sunt construite. Acestea sunt:

➽ porți batante

➽ porți culisante

Porțile batante (Fig.2.1) sunt porți care se deschid fie în interior, fie în exterior și pot fi simple sau duble. Acest tip de poartă poate suporta automatizare cu braț simplu sau articulat. În general, tipul de braț al automatizării este influiențat de dimensiunea stâlpului porții și de greutatea porții.[1]

Fig.2.1. Exemplu de poartă batantă.

Și porțile batante pot avea diferite modele de deschideri care pot fi:

➽ porți batante cu dublă deschidere ( Fig.2.2.a)[1]

➽ porți batante dublă-pliere ( Fig.2.2.b)[1]

Automatizarea pentru porți batante este compusă din diferite ansamble principale: Ansamblul motor-manetă, se mai numește și cot, deoarece mecanismul seamănă cu un braț indoit la cot. Există două părghii fixate de o balama. Toate părțile sunt interconectate prin șuruburi si bucse, iar unitatea este montată pe un stâlp de transport.

Ansamblul liniar. Acest tip de automatizare funcționează pe principiul prelungirii și scurtării tijei. Momentul de rotație de la motor la canat, poate fi transmis prin intermediul unei roți dințate.

Porțile batante sunt un tip destul de comun de poartă, deoarece pot efectua acțiunea necesară, deschiderea/închiderea porții, atât înspre exterior cât și spre interior. Pentru situații în care spațiul este limitat și nu permite realizarea porțiilor cu dubla deschidere, se poate apela la un sistem de porți batante cu dublă-pliere cu deschidere pe o parte.

a) Poartă batantă cu dublă deschidere b) poartă batantă dublă-pliere

Fig.2.2. Tipuri de porți batante.

Porți culisante (Fig.2.3.) [2] sunt acele porți care se deschid glisand stanga-dreapta pe o sina cu role sau pe un set de role suspendate. O automatizare de poarta culisanta va actiona poarta si o va ghida pe sina sau pe setul de role, necesitand un spatiu mai mare de-a lungul gardului pentru deschiderea completa a acesteia. Aceste porti automatizate sunt, in general, mai fiabile si se preteaza pentru curtile spatioase.

Fig.2.3. Exemplu de poartă culisantă

Principale caracteristici ale deschiderilor pe care acestea le are, sunt :

➽ porți culisante pe orizontală:

◇ poartă culisantă pe orizontală articulată ( Fig.2.4. a )[2]

◇ poartă culisantă pe orizontală rigidă ( Fig.2.4. b)[2]

➽ porți culisante pe verticală:

◇ poartă culisantă pe verticală articulată ( Fig.2.4. c )[2]

◇ poartă culisantă pe verticală rigidă ( Fig.2.4. d )[2]

poartă culisantă pe orizontală articulată b) poartă culisantă pe orizontală rigidă

c) poartă culisantă pe verticală articulată d) poartă culisantă pe verticală rigidă

Fig.2.4. Tipuri de porți culisante.

Porțile culisante sunt atractive, elegante și economisesc în mod semnificativ spațiul pentru deschiderea lor. Acestea reprezintă o opțiune bună dacă nu există suficient spațiu pentru o poartă batantă. Setul de porți culisante, indiferent dacă ai porți facute din fier forjat, PVC, lemn sau alt material, te poți bucura de echipamentul electric. Oricare dintre acestea pot beneficia de elementele mecanismului: motor, brațe, panou de comandă interior si exterior, fotocelule si lampă semnalizatoare si videointerfon.

Fiecare dintre acestea are tresături specifice și, într-o mare parte din cazuri, poarta este adaptabilă.

2.2. Tipul de poartă conform principiului de funcționare

Automatizarea tipului de poartă în funcție de un anumit amplasament, la prima vedere pare o sarcină banală această alegere, în multe cazuri este destul de costisitoare, de aceea este indicat să se realizeze de specialiști.

Criteriile în alegerea unei porți automatizate, trebuie facută respectând anumite specificații, ținând cont de spațiul disponibil pentru deschiderea porții. Limitarile devenind astfel un factor decisiv, altfel spațiul disponibil poate fi limitat din cauza mai multor criterii [3]. Astfel:

➽ Porțile culisante automatizate sunt, în general, mai fiabile și se pretează pentru curțile spațioase. Necesitând un spațiu mai mare de-a lungul gardului pentru o deschidere completă. ( Fig.2.5.), acestea fiind, în general, mai fiabile fără complicații tehnice deosebite.[2]

Fig.2.5. Poartă culisantă cu deschidere mare

➽ Acolo unde nu se poate monta o poartă culisantă din motive tehnice ale spațiului restrăns, iar stâlpii sunt suficienți de lați luăm în considerare montarea porților batante (Fig.2.6.) având în vedere dispozitivul de acționare a porții. Porțile batante pe două părți fiind soluția optimă.[1]

Fig.2.6. Poartă batantă pe două părți.

➽ În situațiile în care, din punct de vedere tehnic, nu se poate realiza un montaj de poartă automatizată, principala cauză fiind spațiul îngust, se poate opta la o variantă de poartă batantă pe o singură parte (Fig.2.2.b)

➽ Pentru situațiile in care nu se poate implementa, un sistem de porți batante, din motive tehnice spatiul fiind limitat, se poate monta porți culisante articulate exact cum se poate observa în (Fig.2.4.a)

➽ Dacă nu se poate monta, în nici o situație din cele prezentate mai sus din alte motive de ordin tehnic, se poate verifica posibilitatea implementarii unei soluții de poartă culisantă pe verticală ori varianta rigidă (Fig.2.4.d), ori cea articulată ( Fig.2.4.c)

Un alt criteriu important în alegerea unei porți este dat de scopul la care este folosită poarta. Astfel cel dintâi pas, către un sistem inteligent, trebuie ținut cont de tresăturile specifice și delimitările date de teren (clădire), față de exterior, se va utiliza o poartă rigidă, care se va convecționa dintr-o structură metalică rezistentă la lovituri mecanice externe (Fig.2.5 și Fig.2.6). Dacă poarta se va folosi, pentru delimitarea perimetrului interior al unei incinte (garaj), se va folosi o poartă confecționată din materiale usoare, care să nu necesite o investiție costisitoare în sistemul de automatizare (Fig.2.4c si Fig.2.4d).

2.3. Definirea sistemului de acționare pentru o poarta automatizată

În primul rând, se pornește de la tipul de deschidere al porților, alegerea mecanismelor de acționare și tipul de automatizare. Astfel ansamblul de acționare de la porțile culisante și la cele batante, fac să fie diferite.

Porțile culisante (Fig.2.7.) [4] au ansamblul de acționare complex și cerinte de instalare mai complicate, fixarea se face pe role, șină profil V încastrabilă sau aplicată, ghidaje superioare, toate fac ca instalarea tuturor ansamblelor să fie dificilă.

Fig.2.7. Ansamblu mecanism acționare poartă culisantă

Partea de acționare (Fig.2.8.)[5] este prevazută cu un motor electric cu encoder magnetic care permite automatizarii să reacționeze si să protejeze eventualele obstacole întalnite accidental. Unitatea de comandă permite ajustarea timpilor de accelerare si încetinire la capetele de cursă.

Fig.2.8. Ansamblu de mecanism acționare poartă culisantă.

Porțile batante sunt puse in mișcare, cu ajutorul unui sistem electric de deschidere. Acest sistem este unul destul de simplu, din punct de vedere mecanic (Fig.2.9.) Sistemul de deschidere, folosindu-se de brațele mecanice, împinge sau rabatează poarta cu ușurință, atâta timp cât acest sistem este ales special pentru greutatea porții respective.

Fig.2.9. Ansamblu mecanism acționare poartă Batantă

Porțile automate batante se aseamană cu porțile normale în modul de deschidere, prin rotirea pe centrul de greutate. Motoarele liniare ( Fig.2.10.a) sunt potrivite pentru porți automate cu un spațiu redus de manevră, motoarele cu braț articulat ( Fig.2.10.b) sunt ideale pentru o poartă automată cu canaturi robuste.[1]

a) braț tracțiune b) braț rotativ

Fig. 2.10. Ansamblu mecanism acționare poartă.

2.4. Componentele de siguranță și comandă aplicate în ansamble de automatizări porți.

Un sistem de automatizare poartă are în componența sa toate elementele necesare pentru ca deschiderea și închiderea porții să poată fi realizată sigur și simplu. Pentru ca automatizarea să fie completă, categoria de accesorii reprezintă un factor decisiv în funcționarea conformă sau defectuoasă a întregii automatizări. Utilizarea componentelor de siguranță se folosesc pentru a da comanda de deschidere/închidere a porții, iar pentru detectarea diferitelor situații neprevăzute se va folosi senzorii dedicați.

2.4.1 Componentele de comandă aplicate în sisteme de automatizare porți.

Cele mai uzuale componente de comandă în automatizarea porților sunt:

➽ telecomanda;

➽ butonul de comandă;

➽ cheia (comutator) de comandă;

➽ sisteme de acces inteligente.

Telecomanda este utilizată în sisteme de control acces, pentru armarea/dezarmarea, comandă automatizări porți. Și este formată din două elemente. Receptorul, se ocupă de recepționarea semnalului de deschidere poartă, apoi se va conecta la ansamblul de acționare motor pentru a deschide/închide poarta. A doua componentă este dispozitivul de transmitere semnal denumit generic telecomandă, constructiv așa cum se poate observa în Fig.2.11.[5] pot avea diverse forme și culori.

Fig.2.11. Exemplu telecomenzi pentru automatizare poartă

Realizarea telecomenzilor, pentru deschiderea a mai multor porți din locații diferite, pot fi programate, cu unul sau mai multe butoane. Receptorul poate fi programat cu mai multe telecomenzi fiind o alternativă facilă, pentru automatizarea mai multor porți, a unei zone industriale.

Butonul de comandă este utilizat în cazul când nu se dorește a se lucra cu telecomanda sau aceasta s-a defectat, ansamblul încapsulat într-o carcasă rezistentă la intemperii fac ca elementele să fie simple din punc de vedere constructiv, datorită design-ului costul poate crește considerabil. Butonul de comandă (Fig.2.12.)[5], pe lăngă faptul că trebuie să se integreze vizual în spațiul în care acesta va fi montat, alegerea poate deveni o problemă.

Fig.2.12 Model buton comandă pentru automatizare poartă.

Cheia de comandă (Fig.2.13.) Din punct de vedere al acționarii, ansamblu este aproape identic cu al butoanelor de comandă, diferența o face că atingerea contactelor se realizează prin rotirea unei chei într-un butuc față de apăsare cum este la butonul de comandă. Avantajul major față de butonul de comandă este că, cheia de comandă poate fi acționată doar de către persoana care deține cheia potrivită.

Pentru a închide sau deschide poarta se realizează prin comutarea cheii de comandă în poziția dorită. Cheia de comandă (Fig.2.13.) [5] are trei poziții: neutră în care nu se dă comandă, limită dreapta pentru a deschide poarta și cea de limită stânga pentru a închide poarta.

Fig.2.13. Chei de comandă pentru automatizare poartă.

Sisteme de acces inteligente al accesului poate fi obținut prin metode mecanice precum încuietori și chei, sau prin metode tehnologice precum sistemele de control acces și se referă la cine, unde și când accesează anumite resurse. Un sistem de control acces determină cine și când are permisiunea să între sau să iasă. Sistemul permite accesul în baza unor date de identificare, iar atunci când o fac, accesul este permis pentru o perioada predefinită de timp, iar operațiunea este înregistrată electronic. Astfel au fost create diverse soluții dintre care merită precizat sistemul bazat pe senzori RFID. (Fig.2.14.) [5]

Când datele de autentificare sunt prezentate cititorului, acesta le trimite către panoul de comandă. Acesta le compară cu cele din lista de acces predefinită și permite sau refuză accesul, iar ulterior înregistrează electronic tranzacția.

Fig.2.14. Senzori RFID.

Un punct de control acces poate fi o ușă, turnicheții, bariera parcării sau o altă barieră fizică, atunci când accesul este controlat electronic.
Un sistem de control acces, are la bază o încuietoare electrică ce poate fi deschisă de un operator printr-un buton. Pentru a automatiză acest proces, este nevoie de un cititor care poate fi o tastatură, un cititor de carduri sau de coordonate biometrice. De obicei, cititoarele nu iau decizii, ci trimit informațiile către un panou de comandă care le verifică într-o lista de acces predefinită.

2.4.2. Componentele de siguranță utilizate în sisteme de automatizare porți.

Componentele de siguranță se împart în două categorii de funcții:

➽ pentru protecția sistemului de acționare;

➽ pentru protecția persoanelor, bunurilor care în timpul acționării porților, pot cauza diferite daune.

În prima categorie, pentru protecția sistemului de acționare, se regăsesc senzori pentru a detecta limita maximă (atunci când poarta este în poziția maximă deschisă) și limita minimă (atunci când poarta este în poziția minimă închisă). Pe piață producătorii vin cu diverse soluții de senzori care pot fi utilizați ca limitatori de cursă. Aceștia din urmă sunt și cei mai utilizați din cauza rezistentei în timp și a costului redus de fabricație. Limitatoarele de cursă (Fig.2.15.) [5] sunt acționate de o instalație în mișcare sau o parte mobilă a unui aparat, dacă acesta ajunge într-o anumită poziție (de exemplu capătul cursei). În această situație limitatorul poate deschide, închide sau deschide și închide simultan circuite electrice. Sistemul de acționare al limitatorului este prevăzut cu diferite capete (rolă, arc, braț) pentru a asigura utilitatea la diferite aplicații. Utilizarea componentelor de siguranță în automatizare porți este esențial ca sistemul de deschidere / închidere a porții să aibă o caracteristică inversare a direcției de deplasare, ca mijloc primar de siguranță. Reversul trebuie să fie operațional atât în timpul deschiderii, cât și în timpul închiderii porții. Mai mult, porțile automatizate ar trebui sa aiba un mecanism secundar de siguranță, cum ar fi fotocelulele (Fig.2.16.).

Fig.2.15. Limitatoare de cursă pentru porți.

Pe lăngă soluțiile enumerate, mai regăsim și alte rezolvari în determinarea poziției limită a unei porți. Acestea pot fi, senzori sau traductorii de forță, ce stabilesc o corespondență între mărimea de măsurat și o mărime cu un domeniu de variație calibrat, aptă de a fi recepționată, transmisă și prelucrată de echipamentele de conducere. Evident că acest sistem este mai scump decăt cele clasice cu limitatoare metalice.

Ca orice automatizare, unde sunt folosiți senzori, pot exista situații în care aceștia dau rezultate false.

În a doua categorie, pentru protecția persoanelor, bunurilor care în timpul acționării porților, pot cauza diferite daune. Se găsesc soluții cu senzori care determină posibilitatea existenței obiectelor străine în dreptul porțiilor. Senzorii Fig.2.16 [5] cei mai utilizați este cel tip barieră optică, format din două fotocelule sincronizate să comunice între ele.

Fig.2.16. Fotocelule automatizare porți.

O variantă modernă dar scumpă folosită este bariera microunde activă (Fig.2.17.), detecție de înaltă densitate și funcție discriminare exactă pentru temperatură, condiții meteo și evitarea alarmelor false datorate animalelor mici.

Fig.2.17. Barieră microunde activă

2.4.3. Componente de avertizare utilizate în sisteme de automatizare porți.

Se recomandă ca atunci cănd poarta este acționată, aceasta sa fie semnalizată prin diverse metode, pentru ca persoanele care tranzitează prin aria unei porți automatizate, să înțeleagă că este interzis să patrundă în zona de manevră a porții. Pentru a rezolva această problemă se vor monta două tipuri de semnalizări: vizuale și acustice.

Avertizare vizuală sunt cele mai răspândite în prezent. Atunci cănd poarta este pusă în mișcare, se activează un element luminos de avertizare static sau tip girofar (Fig.2.18.)[5], care poate fi văzut de la distanță. Mai ales, că acest sistem nu are un efect deranjant, asupra persoanelor aflate în apropierea locului unde deservește poarta.

Semnalizarea acustică constă în montarea unui difuzor în interiorul sistemului de avertizare vizuală sau individual. Soluția aleasă indiferent de sunetul pe care îl emite trebuie ales și adaptat situației.

Fig.2.18 Elemente de semnalizare

Utilizarea camerelor de filmat, care analizează imaginile video cu ajutorul programelor de recunoaștere obiecte, sunt o soluție tot mai raspândită în cadrul instituțiilor și companiilor. Se analizează imaginea video și pe baza informațiilor furnizate, aceasta ia decizia dacă un corp sau obiect blochează funcționarea sistemului de poartă automatizată.

Capitolul 3.

Proiectarea execuția și implementarea unei porți automatizate

Proiectarea execuția și implementarea unei porți automatizate, a pornit de la ideea unui dezvoltator de sistem poartă automatizată, de a prezenta unui comerciant sau cliențiilor direcți, capabilitățiile de proiectare și execuție tehnică a porților batante sau culisante care ies din tiparul celor standard. Modelul inovator ales prezintă complexitatea tehnică de executie și design.

Pentru realizarea machetei, după partea de documentare prezentată în capitolul 2, au fost executate pe rând etapele:

✔ proiectarea și simularea machetei cu ajutorul programelor CAD/CAM;

✔ execuția subansamblelor cu ajutorul echipamentelor specifice (manuale de tip freză,

strung și automatizate de tip CNC);

✔ asamblarea părților componente;

✔ proiectarea și implementarea software și hardware a proiectului;

✔ testarea sistemului de poartă automatizată.

În continuare se va prezenta în detaliu toate aceste etape principale și dificultățiile de execuție și implementare .

3.1. Proiectarea și simularea machetei.

Macheta realizată, reprezintă un model de poartă automatizată, perfect integrată într-o zonă rezidențială unde casa este futuristă. Poarta trebuie să se integreze conceptului smart al casei. Singurele limitări fiind spațiul de acces limitat, obțiunile de implementare alese au fost cele a unui concept de porți batante automatizate. Cu acest concept de poartă dezvoltatorul, pe lăngă porțile de acces uzuale (culisante și batante), prezintă clienților capabilitațile tehnice și deschiderea pe care o are în cele de design inovativ.

La proiectarea mechetei sa folosit programul de proiectare CAD (Solidworks Premium 2016) cu ajutorul căruia sa realizat proiecția 3D (Fig.3.1.). Pentru a vizualiza eventualele coliziuni, erori de proiectare și posibilitatea de a se executa fizic piesele de catre echipamentele avute la dispoziție. Conceptul este cultivat, rafinat, analizat, îmbunătățit și transpus întrun plan de producție printr-un proces de proiectare inginerească. Planul este documentat prin elaborarea unui set de desene inginerești care arată cum este produsul și asigură o serie de specificații care indică cum ar putea fi realizat. Proiectarea asistată de calculator și documentarea automată sunt utilizate în etapa de concepție a produsului.

Princilalele avantaje în proiectarea asistată 3D sunt;

➽ poate genera rapid și cu precizie desene 2D pentru producție;

➽ se poate selecta înca din faza incipientă cele mai potrivite  soluții  ale designului, reducând semnificativ numărul de prototipuri;

➽ este eliminată și necesitatea redesenării sau refotografierii pieselor.

Fig.3.1. Proiecția finală 3D a machetei.

Inovația produselor, reducerea timpului de intrare pe piață, îmbunătățirea calității, reducerea costurilor, încadrarea în standarde locale și globale sunt doar câteva dintre avantajele SolidWorks.

Fiind o machetă unde nu sunt restrângeri de design, principalele limitari sunt asamblarea armonioasă a pieselor existente cu cele pe care se doresc a fi proiectate.

Fig.3.2 Exemple în etapele de proiectare

Cu ajutorul simularii 3D sa realizat proiectarea tuturor elementelor și determinarea cu precizie a dimensiunilor și cotelor pentru o execuție precisă așa cum se vede și în Fig.3.2. Fiind un program parametrizat, geometria unei piese poate fi folosită pentru a defini geometria alteia, sau pentru a crea caracteristici după ce piesele au fost asamblate.

După determinarea exactă a designului, se poate prezentă clientului, modelul 3D (Fig.3.1) și dacă se sugerează o modificare, se poate realiza fară costuri suplimentare, față de cazurile în care ansamblul este executat fizic.

Odată CAD-ul stabilit sa trecut la programarea CAM a pieselor, soluția software utilizată în realizarea aceste machete este furnizat de HSMWorks 2016 , aceasta este o soluție apărută relativ recent pe piața aplicațiilor industriale, ca modul integrat complet sub platforma SolidWorks.

Fig.3.3 Exemplu de programare și simulare CAM.

Programarea CAM [6] generează traseele de sculă pentru prelucrarea prin operații de frezare și găurire a pieselor prismatice pe utilaje de frezat comandate numeric, de tip CNC / router. HSMWorks conține toate strategiile de frezare incluse, pentru utilaje comandate numeric CNC ce permit prelucrări în două axe și două axe și jumătate (2D și  2-1/2 D), inclusiv setul complet de operații de găurire / cicluri fixe.

Programarea Mașinilor cu CN se poate face în următoarele moduri:

• Manual, folosind limbajul intern al controller-ului mașinii este cazul comenzilor numerice Mazak/Mazatrol, Siemens/Sinumerik, Heidenhain. Toate calculele geometrice care privesc deplasarea sculei se fac în mod manual. Programatorul introduce în programul piesă atât informație geometrică cât și informație tehnologică (scule, dispozitive și componente pentru fixare);

• Asistat de calculator, folosind, de obicei, un limbaj specializat de nivel înalt denumit APT (Automatically Programmed Tool) sau derivate ale sale. În acest caz, toate calculele geometrice sunt executate de limbajul AP;

• Într-un mediu de programare tip CAD/CAM unde programarea se face într-un mod vizual, utilizând modelul 3D al piesei de prelucrat.

Fig.3.4. Exemplu postprocesare.

Programul CNC executat de mașină este structurat în fraze (blocuri liniare de date). Se utilizează un set fix de caractere alfabetice și numerice. Aceste funcții (numite și „preparatorii”) încep cu litera „G” și continuă cu una pâna la trei cifre. Acest grup de funcții este folosit pentru a comanda rotirea arborelui principal sau piesa, tipul de viteză de avans (pe rază sau pe diametru, exprimată în mm sau inch etc.), temporizare (secunde sau număr de ture efectuat de arborele principal) etc. Adresa G este atât de des folosită în cadrul programului-piesă încât acesta este numit generic „G-code” ( Fig,3.4.)[7].

Dat fiind faptul că mediul CAM, prin funcționalitatea sa, generează un traseu complet definit geometric și tehnologic, postprocesorul trebuie să poată „citi” codul APT și să producă program piesă specific aceleiași mașini.

Odată executată programarea CAM și stabilirea exactă a regimului de lucru, se vor realiza operațiile de frezare efectivă a elementelor ansamblului, din care la final se va realiza macheta. Totuși, avantajul creării postprocesorului folosind softul CAM este acela că, în general, aceste aplicații oferă un mediu de configurare a postprocesorului care simplifică până la un punct procesul de creare a postprocesorului. În efortul de a integra CAM cu CNC printr-o interfață neutră în raport cu mașina CNC, toate calculele geometrice și tehnologice se efectuează în mediul CAD/CAM iar postprocesorul este parte a sistemului CAD/CAM.

Fig.3.5 Execuția elementelor cu echipamente de precizie.

Pentru execuția elementelor s-a folosit echipamente specifice prelucrării prin așchiere cum ar fi ;

➽ freză cu comandă numerică SINUMERIK 828d;

➽ freză manuală Bridgeport .

Prelucrarea materialelor prin așchiere este un proces mecanic prin care semifabricatul este executat prin îndepărtarea materialului. În timpul procesului de așchiere o „muchie de așchiere” este presată atât de tare în semifabricat încât materialul este puternic „deformat” și forțat să „curgă” sub forma unor „așchii”. Rezultatul este „o suprafață prelucrată” care trebuie să corespundă cu „cerințele de calitate” specificate.

Prelucrabilitatea este o expresie larg folosită în cadrul proceselor de așchiere. Este un sistem care exprimă cât de eficient poate fi realizat procesul de așchiere cu un cost redus în cadrul condițiilor tehnologice existente date. Cu toate că prelucrabilitatea este influențată de mai multe elemente din cadrul procesului de așchiere materialul semifabricatului, sculele și condițiile de așchiere, posibilitățile mașinii, strategia de așchiere (CAM), fixarea semifabricatului și a sculelor, sistemul de răcire, experiența utilizatorilor în controlul procesului, etc., toate aceste caracteristici vorbesc despre prelucrabilitate ca fiind o proprietate a materialului.[6]

Deoarece s-a folosit echipamente specifice de precizie (Fig.3.5), nu au existat probleme tehnice de prelucrare, materialul ales pentru executarea machetei fiind polipropilena, special concepută pentru a putea fi prelucrată.

Fig.3.6. Piese ansamblu machetă.

După ce s-au prelucrat piesele (Fig.3.6.) care alcătuiesc ansamblu poartă s-a trecut la etapa efectivă de montare a tuturor pieselor pentru o verificare (Fig.3.7.) din punct de vedere mecanic.

Fig.3.7. Verificarea funcționării mecanice.

Odată ce s-au stabilit funcționarea corectă a părților mecanice s-a trecut la asamblarea elementelor de acționare electrică și electronică.

a) montarea stâlpului și a aripilor porții b) montare servomotor și limitatori cursă

c) montare sistem Arduino d) definirea și reglarea mecanică a machetei

Fig.3.8. Etapele de montare electrică și electronică.

În timpul montării s-a constatat că, structura machetei este slabă și unele neconformități în alinierea aripilor porților, s-a verificat dacă nu sunt erori în proiectarea CAD, s-au efectuat simulari fizice de încovoiere a materialului, din care s-a construit macheta unde rezultatul a fost nesatisfăcător, apoi s-a mai adăugat elemente de ridigizare a structuri machetei cum se poate observa în Fig.3.8. d.

După finalizarea părților mecanice și de acționare electrice a machetei s-a trecut la proiectarea electronică a sistemului.

3.2. Sistemul utilizat în dezvoltarea machetei – Arduino UNO.

Arduino este un instrument prin care poți realiza sisteme informatice capabile să ‘perceapă’ și să ‘controleze’ lumea înconjurătoare. Acest instrument este open-source și este compus dintr-un mediu de dezvoltare (o varianta de Wiring – platforma folosită pentru procesare multimedia) și o placă de dezvoltare cu microcontroler AVR.
Arduino (Fig.3.9.)[7] poate fi folosit pentru dezvoltarea de obiecte interactive. Informația este preluată de la o gamă variată de senzori și comutatoare, se procesează în interiorul microcontrolerului AVR, și este transmisă către o gamă la fel de variată de lumini, motoare, actuatoare etc.

Fig.3.9. Modul Arduino.

3.2.1. Caracteristici Arduino UNO

Arduino UNO este o placă de dezvoltare realizată pe baza microcontrolerului ATmega328P. Acesta din urmă prezintă un procesor AVR cu o arhitectură de tip RISC (set restrâns de instrucțiuni). Totuși poate realiza o serie de funcții din care se amintesc: motoare de curent continuu, motoare pas cu pas, servomotoare, electrovalve, electromagnet, relee, leduri, afișaje alfanumerice, afișaje grafice, afișaje șapte segmente, etc. Deasemeni poate apela mai multe elemente de comunicație cum ar fi: UART, Ethernet, Radio, Bluetooth, Wireless, GSM, I2C, SPI etc.[8]

Caracteristici tehnice:

Microcontroler: ATmega328;

Tensiune de lucru: 5V;

Tensiune de intrare (recomandat): 7-12V;

Tensiune de intrare (limita):  6-20V;

Pini digitali: 14 (6 PWM output) ;

Pini analogici: 6;

Curent per pin I/O: 40 mA;

Curent 3.3V: 50 mA;

Memorie Flash: 32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader;

SRAM: 2 KB (ATmega328) ;

EEPROM: 1 KB (ATmega328) ;

Clock Speed: 16 MHz.

Există 14 pini digitali de intrare / ieșire (I/O sau input/output).

Aceștia operează la o tensiune de 5 volți și pot fi controlați cu una din funcțiile pinMode(), digitalWrite() și digitalRead().

Fiecare pin poate primii sau trimite o intensitate de maxim 40 mA și au o rezistență internă între 20-50 kOhmi (default deconectată). În afară de semnalul standard I/O, unii dintre pini mai au și alte funcții specializate.

0 (serial) RX – pin serial, utilizat în special pentru recepția (intrare – Rx) datelor seriale asincrone (asynchronous serial communication) Protocolul serial asincron este o metodă foarte răspândită în electronică pentru a trimite și recepționa date între dispozitive. Acest protocol este implementat în dispozitiv numit UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

1 (serial) TX – pin serial, utilizat pentru trimiterea datelor asincrone (ieșire – Tx). TTL vine de la transistor-transistor logic.

2 (External Interrupts) întrerupere externă. Acest pin poate fi configurat pentru a declanșa o întrerupere la o valoare mică, un front crescător sau descrescător, sau o schimbare în valoare

3 (External Interrupts + PWM) întrerupere externă. Identic cu pinul 2. Suplimentar, toți pinii marcați cu semnul ~ pot fi folosiți și pentru PWM (pulse with modulation)

4 (I/O) pin standard intrare/iesire

5 (PWM) poate furniza control de ieșire pe 8-bit pentru controlul PWM.

6 (PWM)

7 (I/O) pin standard intrare/ieșire

8 (I/O) pin standard intrare/ieșire

9 (PWM)

10 (PWM + SPI) – suportă comunicare prin interfața serială (Serial Peripheral Interface). SPI-ul are patru semnale logice specifice iar acest pin se foloseste pentru SS – Slave Select (active low; output din master). Pinii SPI pot fi controlați folosind libraria SPI.

11 (PWM + SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input (output din master)

12 (SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru MISO/SOMI – Master Input, Slave Output (output din slave)

13 (LED + SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru SCK/SCLK – Ceas serial (output din master). De asemenea, pe placă este încorporat un LED care este conectat la acest pin. Când pinul este setat pe valoarea HIGH este pornit, când are valoarea LOW este oprit.

14 (GND) – împământare. Aici se pune negativul.

15 (AREF) – Analog REFference pin – este utilizat pentru tensiunea de referință pentru intrările analogice.

16 (SDA) – comunicare I2S

17 (SCL) – comunicare I2S

Există o serie de 6 pini pentru semnal analogic, numerotați de la A0 la A5.

Fiecare din ei poate furniza o rezoluție de 10 biți (adică maxim 1024 de valori diferite). În mod implicit se măsoară de la 0 la 5 volți, deși este posibil să se schimbe limita superioară a intervalului lor folosind pinul 15 AREF și funcția analogReference(). De asemenea, și aici anumiți pini au funcții suplimentare descrise mai jos[7]:

A0 standard analog pin

A1 standard analog pin

A2 standard analog pin

A3 standard analog pin

A4 (SDA) suportă comunicarea prin 2 fire (I2C (I-two-C) sau TWI (Two wire interface)). Acest pin este folosit pentru SDA (Serial Data) la TWI.

A5 (SCL) identic cu pinul 4, doar că acest pin este folosit pentru SCL (Serial Clock) la TWI

Lângă pinii analogici arătați mai există o secțiune de pini notată POWER.

Acestia sunt ( începând de lângă pinul analog A0) :

1 Vin – intrarea pentru tensiune din sursă externă (input Voltage)

2 GND – negativul pentru tensiune din sursă externă (ground Voltage)

3 GND – negativ. Se folosește pentru piesele și componentele montate la arduino ca și masă/împământare/negativ.

4 5V – ieșire pentru piesele și componentele montate la arduino. Scoate fix 5V dacă placa este alimentată cu tensiune corectă (între 7 și 12 v)

5 3,3V – ieșire pentru piesele și senzorii care se alimentează la această tensiune. Tensiunea de ieșire este 3.3 volți și maxim 50 mA.

6 RESET – se poate seta acest pin pe LOW pentru a reseta controlerul de la Arduino. Este de obicei folosit de shield-urile care au un buton de reset și care anulează de obicei butonul de reset de pe placa Arduino.

7 5VREF – este folosit de unele shield-uri ca referință pentru a se comuta automat la tensiunea furnizată de placa arduino (5 volți sau 3.3 volți) (Input/Output Refference Voltage)

8 pin neconectat, este rezervat pentru utilizări ulterioare (la reviziile următoare ale plăcii probabil).

Comunicarea cu calculatorul, altă placă arduino sau alte microcontrolere se poate realiza fie prin portul USB (și este văzut ca un port standard serial COMx), fie prin pinii 0 și 1 (RX și TX) care facilitează comunicarea serială UART TTL (5V).

3.2.2. Microcontrolerul ATMEGA328P

ATmega328 este un cip microcontroler creat de către Atmel și face parte din seria de megaAVR. Atmega328 AVR  8-bit este un circuit integrat de înaltă performanță ce se bazează pe un microcontroler  RISC, combinând 32 KB ISP flash o memorie cu capacitatea de a citi-în-timp-ce-scrie, 1 KB de memorie EEPROM, 2 KB de SRAM, 23 linii E/S de uz general, 32 înregistrari procese generale, trei cronometre flexibile/contoare în comparație cu, întreruperi internă și externă, programator de tip USART, orientate interfață serială byte de 2 cabluri, SPI port serial, 6-canale 10-bit Converter A/D (8-chanale în TQFP și QFN/MLF packages), "watchdog timer" programabil cu oscilator intern, și cinci moduri de software-ul intern de economisire a energiei selectabil [10].

Fig.3.10. Microcontrolerul ATMEGA328.

Modul Power-downsalvează 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 temporizator în timp ce restul dispozitivul dormește. Modul de reducere a zgomotului ADC oprește CPU-ul și toate modulele de intrare / ieșire, cuexcepția cronometru asincron și ADC pentru a minimiza zgomotul de comutare în timpul conversiilor ADC. În modul de așteptare, Oscilatorul de cristal/rezonator este în funcțiune în timp ce restul aparatului dormește. Acest lucru permite pornirea foarte rapidă combinate cu un consum redus de energie. În modul Extended Standby, atâtoscilatorul principal cât și cronometrul asincron continuă să ruleze. Dispozitivul funcționează 1,8 – 5,5 volți.

În continare se vor prezenta câteva dintre caracteristicile acestui tip de microcontroler.

Watchdog

Un lucru important este funcionarea fără defecte a microcontrolerului. În cazul interferenelor (ce adesea se întâmplă în industrie) microcontrolerul se poate oprii din executarea programului, sau începe să funcioneze incorect.

Dacă acest lucru se întâmplă cu un calculator, îl resetăm pur și simplu și el va continua să lucreze. Totui, nu există buton de resetare pe care să-l apăsăm în cazul microcontrolerului care s rezolve această problemă. Pentru a depăși acest obstacol, avem nevoie de a introduce încă un bloc numit watchdog (câinele de pază). Acest bloc este de fapt un alt contor liber (free-run) unde programul nostru trebuie să scrie un zero ori de câte ori se execută corect. În caz că programul se „blochează”, nu se va mai scrie zero, iar contorul va reseta singur microcontrolerul la atingerea valorii sale maxime. Aceasta va duce la rularea programului din nou, și corect de această dată pe toată durata. Acesta este un element important al fiecărui program ce trebuie să fie fiabil fără supravegherea omului.

Resetul

Resetul este folosit pentru a pune microcontrolerul într-o stare 'initiala'. Pentru a funcționa corect trebuie resetat, însemnând că toți registrii vor fi puși într-o stare de start. Resetul nu este folosit numai când microcontrolerul nu se comportă cum vrem noi, dar poate de asemenea să fie folosit când apare o întrerupere în programul de execuție. Pentru a preveni ajungerea unui zero logic la pinul MCLR accidental (linia de deasupra înseamnă că resetul este activat de un zero logic), MCLR trebuie să fie conectat printr-un rezistor la polul pozitiv al sursei de alimentare. Rezistorul trebuie să fie între 5 și 10k. Acest rezistor a cărui funcție este de a menține o anumită linie la starea logică unu, preventiv, se numește o scoatere-pull up.

Clock-ul

Clock-ul sau ceasul determina viteza de lucru a microcontrolerului, și este generat de un "oscilator". Dacă ar fi să comparăm un microcontroler cu un ceas de timp, "clock-ul" nostru ar fi un ticăit pe care l-am auzi de la ceasul de timp. În acest caz, oscilatorul ar putea fi comparat cu arcul ce este răsucit astfel ca ceasul de timp să meargă. De asemenea, forța folosită pentru a întoarce ceasul poate fi comparată cu o sursă electrică[9].

Clock-ul de la oscilator intră într-un microcontroler prin pinul OSC1 unde circuitul intern al microcontrolerului divide clock-ul în 4 clock-uri egale Q1, Q2, Q3 și Q4 ce nu se suprapun. Aceste 4 clock-uri constituie un ciclu de o singură instrucțiune (numit de asemenea ciclu mașină) în timpul căreia instrucțiunea este executată. Executarea instrucțiunii începe prin apelarea unei instrucțiuni care este următoarea în program. Instrucțiunea este apelată din memoria program la fiecare Q1 și este scrisă în registrul de instrucțiuni la Q4. Decodarea și executarea instrucțiunii sunt făcute între următoarele cicluri Q1 și Q4. În următoarea diagramă putem vedea relația dintre ciclul instrucțiunii și clock-ul oscilatorului (OSC1) ca și aceea a clock-urilor interne Q1-Q4. Contorul de program (PC) reține informația despre adresa următoarei instrucțiuni[10].

3.3. Proiectarea și implementarea părții electronice.

Dezvoltarea proiectului și implementarea a fost dezvoltată în jurul unui microcontroler din gama AVR, montat pe o placă de dezvoltare de tip Arduino UNO. Din punct de vedere structural, hardware-ul este format din două categorii de elemente și anume: dispozitive care se folosesc activ în procesul de acționare a porții și elemente necesare interacțiunii cu operatorul.

Structura conceptuală a sistemului electronic (Fig.3.11.) cuprind și elemente de interacțiune cu operatorul, din care se poate observa că s-a ales montarea unui buton de comandă a porții. De asemenea porțile pot fi acționate de catre operator și cu ajutorul comenzii seriale.

Fig.3.11. Structura hardware conceptuală a proiectului.

Acționarea porților așa cum s-a descris și în partea de proiectare a machetei, va fi acționată de două motoare de curent continuu alimentate la 5V. S-a montat patru microswitch-uri limitatoare de cursă, câte două pe fiecare braț, pentru determinarea poziției limită a cursei porții batante. Deschiderea și închiderea brațelor, va fi semnalizată cu ajutorul unui led de culoare albastră. Ca masură de siguranță s-au montat doi senzori barieră infraroșu, și un buton de comandă a porții.

În aceste condiții, componentele electronice necesare implementării schemei electronice sunt:

• 1 placă de dezvoltare Arduino UNO;

• 2 motoare de curent continuu de 5V;

• 4 microswitch-uri limitatoare de cursă;

• 2 doi senzori barieră infraroșu;

• 1 led de culoare albastră;

• 1 buton de comandă;

• fire de legătură.

Proiectarea electronică s-a realizat utilizând un program special creat în acest scop, denumit Fritzing[10], este un soft foarte util în realizarea schemelor electronice, acest software  este un instrument care permite utilizatorilor să documenteze prototipurile și functionarea circuitelor electronice de a crea un cablaj pentru fabricarea profesională.
  Poate cu usurință crea scheme electronice cu diverse componente, se pot crea altele, în funcție de necesităti, este de asemenea un instrument extrem de util pentru aplicații cu placile de dezvoltare ARDUINO, având în librarie toate modelele necesare. S-ar putea să fi observat că multe dintre proiectele Arduino de pe AllAboutCircuits utilizează un tip de diagrama de circuite care este o combinație de scheme mai tradiționale și un desen de asamblare. Acestea se numesc schițe Fritzing. Schițele fritzante sunt unice, deoarece se arată cum ar putea fi conectate componentele unui circuit atât fizic, cât și electric. Fritzing face mai mult, totuși, decât să vă permită să conectați componente. Părțile personalizate sunt permise prin utilizarea editorului de părți Fritzing încorporat. Cu toate acestea, procesul de fabricație efectiv PCB este vag.

Cu ajutorul acestuia s-a realizat schema de principiu din Fig.3.12.[10]

Fig.3.12. Schema de principiu a porții automatizate.

Așa cum se poate observa s-a montat două Micro Servomotoare Pololu HD-1900A (Fig.3.13. a) [11] care datorită specificațiilor tehnice asigură o mișcare de rotație pe unghiuri de până la 180 de grade. Și oferă un cuplu necesar pentru a putea ridica ”aripile” porții.

Caracteristici tehnice:

Temperatură de depozitare: -20 ~ +60 de grade Celsius;

Temperatură de operare: -10 ~ +50 de grade Celsius;

Tensiune de operare: 4.5V – 6V;

Viteză de operare (fără sarcină): 0.11 secunde / 60 de grade 4.8V, 0.08 secunde / 60 de grade 6V;

Curent în gol: 130mA 4.8V, 140mA 6V;

Cuplu în blocaj: 1.2 kg * cm 4.8V, 1.5 kg * cm 6V;

Curent în blocaj: 670mA 4.8V, 830mA, 6V;

Curent consumat în gol: 4mA, 4.8V, 5mA, 6V;

Unghi limită de rotire: 180 + – 10 grade;

Rată reductor: 1/265;

Control cu PWM.

a) Micro Servomotoare Pololu HD-1900A b) Bariera infraroșu SEN-INF-20

c) Microîntrerupătorul OMRON D2F d) Buton Push ON e) LED

Fig.3.13. Componente utilizate în montajul electronic

Pentru siguranța sistemului s-a montat bariera infraroșu SEN-INF-20 (Fig.3.13. b) care comparativ cu senzorii PIR sunt mai rapizi și permit un control mai bun al detectării mișcării. Iar în comparație cu modulele sonar sunt mai puțin costisitoare, este nevoie atat de emițător cât și receptor pe părțile opuse zonei de monitorizare[11]

Caracteristici tehnice:

Distanta: Aprox 50 cm;

Tensiune: 3.3 – 5.5 V DC;

Curent: 10mA, 3.3V, 20mA, 5V;

Unghi LED emitator / receptor: 10 °;

Timp de raspuns: < 2 ms.

Un alt element care face parte din sistemul de siguranță este microîntrerupătorul OMRON D2F SNAP ACȚION (Fig.3.13. c)[11], rolul acestor limitatoarele de cursă se folosesc pentru reglarea lungimii cursei ele se monteaza fie in circuitul principal, fie in cel de comandă[11].

Dupa forma constructiva a elementului palpator limitatoarele de cursa pot fi: cu tija, cu rolă, cu bila, cu parghie sau rotative.

Caracteristici tehnice:

Tip comutator: microîntrerupător SNAP ACTION;

Caracteristici întrerupătoare: cu manetă de simulare rolă;

Configurație pini: SPDT;

Sarcină admisă contacte DC, R ( la sarcina rezistivă ) : 0.1A / 30V DC;

Mod Comutare (poziția din paranteze este una instantanee): ON-(ON) ;

Numărul tuturor pozițiilor: 2;

Numarul pozițiilor stabile: cu o poziție;

Terminale: compacte, pentru lipit;

Rezistență mecanică: 1000000 cicluri;

Temperatura de lucru: -25-85°C;

Forță de comutare: 1,47N.

Pentru a putea pune în funcțiune întreg sistemul s-a montat un Buton Push ON (Fig.3.13. d)[11] normal deschis fară reținere, butonul este un tip de comutator utilizat pentru controlul unor aparate sau numai a unor funcții ale acestora. Butoanele sunt de diferite forme și dimensiuni și se găsesc în tot felul de dispozitive, deși în principal în echipamentele electrice și electronice. Butoanele sunt în general activate atunci când este apăsat cu un deget. Permite fluxul de curent în timp ce este acționat. Când nu mai este apăsat revine în poziția inițială.

Caracteristici tehnice:

Tip întrerupător: acționat prin apăsare;

Număr poziții: stabile cu 1 poziție;

Configurație pini:  SPST-NO;

Sarcină admisibilă contacte AC; (la sarcina rezistivă) 1 A / 250 VAC;

Mod comutare; OFF-(ON) ;

Temperatura de lucru; -25…70°C ;

Terminale; pentru lipit ;

Rezistență; contact max. 20mΩ ;

Durabilitate electrică; 50000 cicluri .

Pentru avertizarea luminoasă s-a folosit un LED (Light Emitting Diode) (Fig.3.12. e), spre deosebire de becurile incandescente obișnuite, led-urile nu au un filament care sa ardă, și nu se încălzesc prea tare. Acestea sunt iluminate numai de miscarea electronilor într-un material semiconductor. Durata de viață a unui LED depașește durata de viață a unui bec incandescent cu mii de ore [11].

Componentele electronice utilizate în cadrul acestui proiect, așa cum se poate observa din Fig.3.12 folosește aproape integral resursele microcontrolerului, utilizarea acestora este următoarea:

➽ pin 2 digital – intrare barieră infraroșu

➽ pin 3 digital – intrare primul senzor limitator cursă

➽ pin 4 digital – intrare al doilea senzor limitator cursă

➽ pin 5 digital – intrare al treilea senzor limitator cursă

➽ pin 6 digital – intrare al patrulea senzor limitator cursă

➽ pin 8 digital – comandă primul Micro Servomotor

➽ pin 9 digital – comandă al doilea Micro Servomotor

➽ pin 11 digital – LED portocaliu semnalizare manevră poartă

Odată finalizată schema de principiu din Fig.3.12 s-a trecut la realizarea schemei electronice Fig.3.14 realizată cu softul Fritzing.

Fig.3.14. Schema electrică a autopatizării porții batante.

Schema electronică a fost proiectată în jurul microcontrolerului Arduino UNO. Unde fiecare componentă electronică care a fost montată și verificată pentru o funcționare în parametrii.

3.3.1. Proiectarea și arhitectura software pentru microcontroler.

Proiectarea programului are la bază concepte prezentate în [9],[10],[12],[13],[14],[15] arhitectura programului s-a pornit după ce s-au stabilit toate detaliile de funcționare a sistemului. Sistemul este acționat de butonul de comandă acesta va declanșa manevrarea completă a porții, atât la închidere cât și la deschidere.

Odată ce s-a dat comanda pentru a deschide sau închide poartă, aceasta trebuie să se oprească în pozițiile limită pentru a nu suprasolicita și distruge motoarele de acționare sau a mecanismelor din sistemul de acționare. Comanda de oprire a porții este realizată imediat ce un senzor devine activ.

În Fig.3.15 se observă arhitectura pentru microcontroler aceasta este formată dintr-o parte de inițializări în cadrul cărora se instalează librăriile necesare, se definesc pinii utilizați, se declară toate variabilele și constantele globale și se aplică anumite setări inițiale cum ar fi definirea funcțiilor pe care le au pinii digitali. De la inițializări se trece la blocul principal denumit main. Blocul main conține funcția loop() care este o funcție cu rulare infinită și care asigură funcționarea continuă a sistemului.[14] În cadrul funcției main sunt implementate toate elementele software necesare, urmărire senzori, interpretare comenzi, execuție comenzi.

Fig.3.15 Arhitectura programului pentru microcontroler.

3.3.2. Funcția MAIN.

În cadrul funcției main este implementată întreaga logică a programului. În Fig.3.16. se observă schema logică și descrierea funcției main.

Fig.3.16. Ordinograma funcției MAIN.

Funcția începe cu urmărirea I/O și inițializare Timer 1, întreruperea hardware reprezintă un semnal sincron sau asincron de la un periferic ce semnalizează apariția unui eveniment care trebuie tratat de către procesor. Tratarea întreruperii are ca efect suspendarea firului normal de execuție al unui program și lansarea în execuție a unei rutine de tratare a întreruperii.[13] Dacă una dintre aceste comenzi este active, se verifică dacă senzorul limitator de cursă pentru poziția închis a porții este activ. Dacă acesta este activ înseamnă că poarta este deja închisă și nu se mai permite acționarea motoarelor. Programul continuă cu verificarea comenzii de deschidere a porții de la bunonul de comandă, dacă una dintre aceste comenzi este activă, se verifică dacă senzorul limitator de cursă pentru poziția deschis a porții este activ. Dacă acesta este activ înseamnă că poarta este deja deschisă la maxim și nu se mai permite acționarea motoarelor. Dacă senzorul IR este pe poziția inactiv, atunci se trece la stabilirea direcției de rotație a motoarelor și activarea funcționării acestuia. Codul sursă realizat conform algoritmilor prezentați poate fi analizat în Anexa 1.

3.4. Verificarea și testarea sistemului de automatizare porți.

Verificarea sistemului în această etapă s-a testat situațiile posibile care pot apărea. Primul test efectuat a fost acela de manevrare a porții batante s-a testat dacă direcția de deplasare a fiecărei ”aripi” acționate de catre cele două motoare, este corectă. Odată stabilită direcția corectă s-a verificat dacă senzorii capăt de linie funcționează atunci cand ”aripa” a ajuns în punctul maxim superior respectiv inferior. (Fig.3.17) Deoarece în timpul proiectării CAD s-a luat în calcul posibilitatea reglării senzorilor capăt de linie s-a putut face ajustările necestare, fără a întămpina probleme majore.

Fig.3.17 Testare senzori capăt de linie.

Verificarea barierei infraroșu (Fig 3.18) s-a efectuat în timp ce poarta este acționată, dacă există un obstacol, aceasta se va opri. În timpul funcționării sistemului de poarta automatizată s-a verificat și elementul de avertizare (LED) dacă acesta funcționează.

Fig.3.18 Testarea barierei infraroșu și a elementului de avertizare (LED)

Dintre elementele negative ale sistemului, după efectuarea testelor prezentat mai sus, s-au stabilit următoarele aspecte:

ansamblul mecanic, datorită elementelor multiple care compun părțile mobile de culisare, nu reprezintă ce-a mai bună soluție și fac ca poarta să nu raspundă corect la comenzi;

partea de acționare a sistemului are un raport mic de rotație, ceea ce înseamnă că motorul trebuie comandat să funcționeze la turație cât mai redusă. Din acest motiv a fost nevoie să se realizeze un semnal PWM artificial care dă impresia că poarta funcționează cu șocuri;

montarea senzorilor limitare cursă (partea inferioară) pentru poartă s-a realizat cu dificultate din cauza poziție incomode de montare.

Odată efectuată verificarea și testarea prezentată mai sus, a tuturor părțiilor electronice și de proiectare a elementelor care formează ansamblu poartă automatizată s-a stabilit corecta funcționare a întregului sistem de poartă automatizată.

Capitolul 4.

Concluzii

Scopul acestei lucrări este de a realiza o machetă și principii inovative pentru a demonstra modul de funcționare a unei porți ieșite din tiparul celor existente pe piată. Prezenta lucrare a pornit ca o necesitate da a promova capabilitațiile de execuție pe care le are un înteprizător în proiectarea și executarea unui sistem de porți automatizate. Practic lucrarea ajută potențialii clienți în a lua o decizie referitoare la ce model de poartă se potrivește mai bine pentru necesitățiile proprii.

Lucrarea începe prin a prezenta câteva noțiuni teoretice despre tipuri de porți existente, principii de funcționare a acestora și automatizările fiabile care pot fi implementate. În capitolul 2 se prezintă sistemele mecanice și elemente electrice utilizate în mod constant în procesul de automatizare porți. S-a prezentat diferite tipuri și dispozitive de acționare, dispozitive de comandă și semnalizare, precum și dispozitive de sigurantă și securitate.

Următorul pas a fost acela de proiectare a machetei. Modelul ales nu se putea realiza fără ajutorul proiectarii asistate de calculator (CAD), și ajutorul echipamentelor specifice de prelucrare prin așchiere de tip automat (CNC) cât și utilizarea celor manuale (Freză, Strung). S-a ținut cont de materialele avute la dispoziție, alegerea fiind de calitate superioară, caracteristicele policarbonatului ales fiind, pretabil în procesul de aschiere astfel toleranțele fiind cele date de către producătorul echipamentului de așchiat. În timpul proiectării s-a ținut cont de piesele electronice existente, dar și de eventualele probleme ce pot apărea și posibilitatea de a interveni oricând în proiectarea CAD pentru remedierea eventualelor schimbări a componentelor electronice.

Pentru proiectarea electronică s-a utilizat un soft specializat. Această etapă de proiectare a fost o provocare din cauza limitărilor constructive pe care le are placa de dezvoltare Arduino UNO . Dificultățile apărute din cauza unor componente electronice au dus la stabilirea tuturor legaturilor care se rezumă la două motoare de curent continuu, patru senzori limitare cursă, un buton de comandă și un LED (avertizare luminoasă).

Realizarea programului pentru microcontroler nu a pus mari probleme, deoarece după ce s-au implementat elementele inițiale (includere librării, definire pini, declarare variabile, instalare drivere, etc.) programul a fost dezvoltat în principal conform algoritmului unde toți senzorii montați și deciziile de comandă a motoarelor de acționare a portii fac ca interpretarea să corespundă programului realizat.

În final s-a ajuns și la ultima etapă după realizarea tuturor elementelor mecanice, electronice și software s-a realizat testarea sistemului realizat. Fiecare funcție a fost testată pentru o funcționare corectă a tuturor elementelor care fac parte din sistem, precum și interpretarea corectă a informațiilor transmise de senzori. S-a constatat că întreg sistemul funcționează în parametrii doriți din toate punctele de vedere.

Întreg proiectul, având în vedere conditiile avute pe întreg parcursul lucrării, se poate spune că a condus la îmbunătățirea cunoștințelor și deprinderilor practice personale. Atât din punct de vedere al conceptelor structurale, cât și din punct de vedere a utilizării capacităților IT. Ca un rezumat în ceea ce s-a realizat în cadrul proiectului se precizează:

s-au folosit materiale specifice pentru o acuratețe sporită;

structura machetei s-a realizat integral din policarbonat și continuănd cu montarea elementelor electronice;

s-a folosit Timmer1 și Timmer2 a microcontrolerului care dirijeaza cu ajurorul întruperii comanda motoarelor și a întreg fluxul de execuție;

s-au utilizat intrări și ieșiri digitale, semnale PWM

Conceptul machetei realizate va fi aplicat ca și element suport pentru explicarea funcționării diverselor sisteme de porți care se comercializează de catre un înteprinzător local.

Ce îmbunătațiri se mai pot face?

Îmbunătațirile ce pot fi aduse sunt multiple, montajul poate să primească diverse îmbunătățiri atât pe parte mecanică, pe parte hardware, cât și pe partea software. La finalul implementarii acestui proiect și ideile rezultate au fost:

utilizarea unei telecomenzi care utilizează sistem de codare dedicat sau a unui smartphone care se poate conecta prin bluetooth sau WiFi (necesită identificarea sistemelor și un micocontroler cu mai mulți pini);

implementarea unui sistem acustic de avertizare la manevrarea porților (se poate implementa fără schimbarea microcontrolerului);

utilizarea unui sistem de informare vizuală tip display de tip text (necesită alegerea unui microcontroler cu mai mulți pini);

Bibliografie

Alegerea unei porți automatizate?

https://www.a2t.ro/fmk3/files/fckeditor/AlegeAutomatizare.pdf

Model poartă batantă, https://www.a2t.ro/automatizari-porti-batante

Model poarta culisanta https://www.automatizari.store.ro/Automatizari-porti-culisante

Tipuri de porți https://www.mcagrup.ro/usi-garaj-sectionale/rezidentiale/utile.html

Definirea sistemului de acționare https://www.vonmag.ro/automatizari-porti

Elemente de comandă https://www.a2t.ro/automatizari-porti

Comanda și controlul sistemelor cu calculatorul. Metode CAD/CAM A.S.Reviczky-Levay, T.Slavici, D.Gubencu editura Eurostampa, FIS

Arduino UNO, https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

Datasheet ATmega 328P, http://www.atmel.com/images/Atmel-8271-8-bit-AVR- Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-328-328P_datasheet_Complete.pdf

Molnar-Matei, F., Sisteme încorporate, notițe de curs, 2019

Tool proiectare electronică, http://fritzing.org/home/

Componente electronice https://www.optimusdigital.ro/ro/143-componente-electronice

Universul limbajelor de programare H.Ciocarlie Orizonturi universitare

F. Molnar–Matei, A. Bebeșelea, et all, Utilizarea și programarea calculatoarelor, Editura Fundației ”Ioan Slavici”

Bazele informaticii – lucrari de laborator I. Boldea, L. Metea, S. Chirila,N. Taran editura Mirton

Brian W. Evans, Arduino programming notebook

Anexa 1.

Codul sursă

#include<Servo.h>

#include <IRremote.h>

#define led 12

#define barieraIR 2

#define IRReomtePIN 11

IRrecv irrecv(IRReomtePIN);

decode_results results;

Servo s8;

Servo s9;

int i = 70;

int j = 5;

volatile int intMultiple = 0;

volatile int ledToggle = 0;

volatile int analogInt = 0;

volatile int val = 0;

bool action = false;

bool action_dreapta = false;

bool action_stanga = false;

bool colision = false;

uint8_t direction_dreapta = 0; //0=limita_sus, 1=limita_jos, 2= in_miscare

uint8_t direction_stanga = 1; //0=limita_sus, 1=limita_jos, 2= in_miscare

long previousMillis = 0;

long last = 0;

long interval = 50;

long irValue = 0;

void checkStatus() {

if ((direction_dreapta == 0 && !digitalRead(5)) || (direction_dreapta == 1 && !digitalRead(6))) {

action_dreapta = false;

}

if ((direction_stanga == 0 && !digitalRead(4)) || (direction_dreapta == 1 && !digitalRead(3))) {

action_stanga = false;

}

}

void setup() {

s8.attach(8);

s9.attach(9);

s8.write(5);

s9.write(80);

for (i = 3; i < 7; i++) {

pinMode(i, INPUT_PULLUP);

}

pinMode(barieraIR, INPUT);

pinMode(led, OUTPUT);

pinMode(13, OUTPUT);

//init_Timer_2();

Serial.begin(9600);

irrecv.enableIRIn(); // Start the receiver

}

void loop() {

if (irrecv.decode(&results)) {

// If it's been at least 1/4 second since the last

// IR received, toggle the relay

if (millis() – last > 250) {

Serial.println(irValue);

action = !action;

digitalWrite(led, HIGH);

delay(500);

}

last = millis();

irrecv.resume(); // Receive the next value

}

if (!digitalRead(barieraIR) && !colision && direction_dreapta && direction_dreapta) {

action_dreapta = false;

action_stanga = false;

colision = true;

delay(500);

} else {

colision = false;

}

if (colision && digitalRead(4) && digitalRead(5)) {

action_dreapta = true;

action_stanga = true;

direction_dreapta = 0;

direction_stanga = 0;

checkStatus();

}

if (Serial.available() > 0) {

char rxVar;

// read the incoming byte:

rxVar = Serial.read();

if (rxVar == 'o') {

action_dreapta = !action_dreapta;

action_stanga = !action_stanga;

if (action_dreapta) {

if (!digitalRead(6) && digitalRead(5)) {

direction_dreapta = 0;

}

else if (digitalRead(6) && !digitalRead(5)) {

direction_dreapta = 1;

}

}

if (action_stanga) {

if (!digitalRead(3) && digitalRead(4)) {

direction_stanga = 0;

}

else if (digitalRead(3) && !digitalRead(4)) {

direction_stanga = 1;

}

}

action= false;

}

}

checkStatus();

unsigned long currentMillis = millis();

if (currentMillis – previousMillis > interval) {

// save the last time you blinked the LED

previousMillis = currentMillis;

ledToggle++;

if ((action_stanga || action_dreapta || action) && ledToggle > 10) {

digitalWrite(led, !digitalRead(led));

ledToggle = 0;

} else {

digitalWrite(led, LOW);

}

if (action_stanga || action) {

switch (direction_stanga) {

case 0:

s8.write(j++);

break;

case 1:

s8.write(j–);

break;

}

if (j <= 5 || j >= 90){

action_stanga = !action_stanga;

action = false;

}

}

if (action_dreapta || action) {

switch (direction_dreapta) {

case 0:

s9.write(i–);

break;

case 1:

s9.write(i++);

break;

}

}

if (i <= 5 || i >= 70){

action_dreapta = !action_dreapta;

action = false;

}

}

}