. Imbunatatirea Sistemului DE Iluminare AL Autovehiculelor

CUPRINS

Introducere………………………………………………………………………..pag 1

Prezentare generala……………………………………………………………….pag 4

Cap I

Placa de dezvoltare HC12 Starter Kit…………………………………….pag 5

Microcontrolerul MC9S12C32……………………………………….…..pag 10

Cap II

Interfata CAN……………………………………………………………pag 18

Implemantarea fizica a interfetei CAN………………………………………………pag 23

Cap III

Modul telecomanda………………………………………………………………………..pag 28

Modul alimentare…………………………………………………………………………..pag 30

Cap IV

Motoare de cc………………………………………………………………………………..pag 34

Controlul motoarelor………………………………………………………………………pag 36

Modul comanda motoare…………………………………………………………………pag 43

Cap V

Modul senzori………………………………………………………………………………..pag 53

Fotorezistenta………………………………………………………………………………..pag 53

Senzorul in infrarosu………………………………………………………………………pag 56

Cap VI

Modul faruri………………………………………………………………………………….pag 62

Descriere sistem…………………………………………………………………………….pag 67

Anexa …………………………………………………………………………………………………….pag 71

=== l ===

INTRODUCERE

Prin prezenta lucrare se dorește a se ușura participarea la trafic prin îmbunătățirea și automatizarea sistemului de iluminat:

– introducerea LED-urilor in locul becurilor incandescente cu halogen sau cu xenon;

– realizarea comutarii automate de pe faza lunga pe faza scurta si invers conform codului rutier: atunci cand se întalnește un autovehicul la 50 de metri in față pe același sens de mers, sau la 200 de metri pe sens contrar.

– iluminarea carosabilului in viraje cu un set suplimentar de LED-uri dispuse sub un anumit unghi, care sa inlocuiască mecanismul cu motoare deja existent.

Un bec incandescent emite un spectru de lumină continuu, care pătrunde în zona lungimii de undă în infraroșu, zonă care nu poate fi observată cu ochiul liber. De aceea, aproximativ 70 – 80 % din puterea becului se pierde ca radiație termică non-vizibilă. Lumina vizibilă reprezintă numai 20 -30 %.

Un prim pas prin care se realizează ușurarea participarii la trafic îl reprezinta introducerea farurilor adaptive (AFL): faruri cu reglare în funcție de mișcările volanului.

Fasciculul farurilor este reglat automat în funcție de secțiunea de drum și viteza de deplasare a autovehiculului. Numărul mare de senzori instalați în autovehicul care au rolul de a măsura viteza, virajul unghiular al autovehiculului în jurul axei verticale, unghiul de bracaj sau de a detecta condițiile de ploaie – alături de videocamera senzorului de comutare între faza lungă și faza scurtă a farurilor – colectează informații cu privire la secțiunea de drum și condițiile de vizibilitate și le transmit sistemului electronic de comandă. Software-ul sistemului stabilește apoi funcția de iluminare optimă în condițiile de deplasare respective. Software-ul trimite comanda unui motor de comandă, care rotește cilindrul într-o fracțiune de secundă, pentru asigurarea conturului necesar în situația respectivă. Rotația cilindrului modifică mișcarea razei de lumină și, prin urmare, fasciculul farurilor. Bazat pe un ax central, acest modul poate încorpora funcții suplimentare, precum iluminarea în curbe sau în viraje.

Farurile bi-xenon moderne sunt prevăzute cu o singură lampă cu xenon atât pentru faza lungă cât și pentru faza scurtă. În prezent, la sistemele obișnuite bi-halogen, cele două lămpi de pe fiecare parte a autovehiculului necesită o putere de 110 W. Autovehiculele dotate cu faruri cu xenon și lămpi spate incandescente obișnuite consumă cu aproximativ 25 % mai puțină energie decât cele dotate numai cu faruri cu halogen. Dacă utilizați LED-uri pentru toate lămpile din spate, consumul de energie scade cu aproximativ 40 %. Utilizând faruri cu becuri speciale funcționale pe timp de zi, consumul suplimentar de ulei de 0,2 litri la 100 kilometri este neutralizat aproape complet. Acest lucru nu se datorează exclusiv puterii scăzute a LED-urilor, ci și faptului că becurile funcționale pe timp de zi proiectate special reprezintă singura sursă de lumină în funcțiune, deoarece iluminarea panoului de instrumente și luminile exterioare nu sunt necesare la deplasarea pe timp de zi.

Amplasarea unui set suplimentar de LED-uri care să lumineze in viraje sub un anumit unghi ar putea inlocui mecanismul cu motoare, ceea ce ar duce la un consum mai mic de energie și implicit la un consum mai mic de carburant.

In prezent in dotarile standard ale autovehiculelor apar si faruri construite integral cu tehnologie LED. Pe lângă luminile de zi formate din 24 de LED-uri pentru fiecare bloc optic, diodele sunt acum folosite pentru semnalizare, faza scurtă și faza lungă.

Avantajele principale ale noii tehnologii de iluminare sunt consumul scăzut de energie și culoarea apropiată de lumina naturală a zilei, ceea ce oferă un contrast mai bun și mai plăcut pentru ochiul uman. LED-urile necesită un voltaj mai mic, sunt mai compacte și oferă o libertate mai mare în alegerea designului. Noul sistem de blocuri optice cu tehnologie LED integrală reprezintă apogeul sistemelor de iluminare. Folosirea LED-urilor se bucură deja de o tradiție lungă. Această tehnologie inovativă a fost concepută inițial pentru stopurile din spate, și luminile de zi.

Datorită noilor tehnologii s-a reușit obținerea unui randament de 80lm/watt pentru LED-uri.

Randamentul, dimensiunile reduse, consumul redus cât și lumina apropiată de cea a zilei justifică folosirea LED-urilor penrtu sistemele de iluminat in detrimentul becurilor cu incandescență.

Far realizat cu LED-uri

PREZENTARE GENERALA

Pentru implementarea proiectului s-a folosit o platforma ce deține doua motoare de curent continuu, unul pentru deplasare înainte-înapoi și celălalt pentru viraj stânga-dreapta.

Pe platformă se afla o placa de dezvoltare HCS12 STARTER KIT ce controleaza motoarele, LED-urile, preia datele de la senzori și le prelucrează. Comanda motoarelor se realizează pe baza unor semnale primite de la o altă placa de dezvoltare HCS12 STARTER KIT prin intermediul interfeței CAN. Pe a doua placă de dezvoltare se află butoanele aferente comenzilor de deplasare a masinii.

Componentele utilizate și modul lor de funcționare vor fi prezentate in cele ce urmează.

PLACA DE DEZVOLTARE HCS12 STARTER KIT

Kitul de dezvoltare HCS12 este unul simplu de utilizat, ce permite dezvoltarea de aplicații, utilizând microcontrolerul Motorola MC9S12C32.

Caracteristicile tehnice ale acestui microcontroler sunt:

32 K memorie Flash;

2 K memorie RAM;

interfață de comunicație serială SCI;

port SPI;

un Timer pe 16 biți cu 8 canale;

șase ieșiri PWM;

convertor A/N de 10 biți cu 8 canale;

interfață CAN 2.0 A;

modul generator de clock reset CRG;

25 MHz viteza bus-ului;

tensiune de alimentare cuprinsă între 2,97-5,5 V;

modul BDM single wire;

modul Debug avansat DBG12;

Kitul HCS12 a fost conceput pentru a pune în evidență performanțele μC MC9S12C32. Acesta dispune de un program pt dezvoltarea aplicațiilor ce cuprinde : editorul, asamblorul ,compilatorul, precum și interfața BDM, ce permite transferul soft-ului realizat de utilizator in memoria Flash a μC.

Împreună cu programul CodeWarrior, placa asigură tot ceea ce este necesar scrierii ,compilării, și a transferului de soft in memoria μC.

Kitul se conectează la unitatea PC printr-un port USB.Deasemenea, kitul mai cuprinde si o zonă pentru dezvoltarea de aplicații de către utilizator.

Avantajele acestei plăci sunt:

execuția codului in timp real;

modul debugging in-circuit;

programare facila datorită interfeței BDM;

o arie demo ce cuprinde butoane (push-buttons),un potențiometru si o arie de LED-uri ;

o arie pentru dezvoltarea aplicatiilor de către utilizator.

Dezavantajele kitului sunt:

μC nu se poate inlocui (nu este montat pe soclu);

rata de transfer dintre PC si μC este redusă ,ceea ce conduce la timpi mari de programare.

AMPLASAREA COMPONENTELOR ( PCB LAYOUT )

Kitul cuprinde următoarele secțiuni:

Secțiunea USB to BDM (1) ce conține toate circuitele electrice si logice pentru translarea comenzilor tip BDM trimise de catre PC prin cablul USB.Alimentarea kitului se face prin portul USB.

Secțiunea demo (2), ce cuprinde un push-button pentru RESET,doua push-buttons ,un potențiometru si opt LED-uri ,configurabile de către utilizator.

Secțiunea MCU (3) (Master Controll Unit)-cuprinde μC propriu-zis, MC 9S12C32-80 de pini, lipit pe placă (capsulă QFP), ce are conectori pentru un acces facil la toți pinii μC, în vederea dezvoltării ulterioare a aplicațiilor. De asemenea, în această secțiune se gasește și oscilatorul cu quartz (in configurație Colpitts) cu frecvența de 16 MHz. Microcontrolerul este configurat sa funcționeze in mod single-chip (MODA=MODB=0).

Secțiunea destinată utilizatorului (4),pentru realizarea de aplicații.În aceasta zonă se pot monta componente standard (thru-hole) sau componente SMD (capsule SOIC).

MEDIUL DE DEZVOLTARE CODE WARRIOR

Placa de dezvoltare vine cu o versiune free a mediului de dezvoltare CodeWarrior (Special Edition). Acesta este un tool puternic și usor de utilizat, destinat creșterii productivității în realizarea de soft. Mediul său de dezvoltare integrat asigură funcții ce nu se găsesc la alte programe, precum aplicația Processor Expert ce permite simularea întregului PC , vizualizarea datelor și managementul proiectelor.

Programul CodeWarrior Studio pentru Motorola HCS12 are o interfață grafică atrăgătoare, foarte sugestivă și ușor de utilizat.

Fig.1 Kit-ul HCS 12

CARACTERISTICI HARDWARE

Sectiunea MCU

-contine μC și circuitele aferente necesare pentru buna funcționare a acestuia.

Detalii:

μC MC 9S12C32 și toți condensatorii de filtrare necesari;

un quartz cu frecvența de oscilație de 16 MHz conectat la pinii EXTAL și XTAL;

pinii MODA și MODB sunt conectați la Vss (printr-un resistor pull-down), pentru ca μC să intre în modul de funcționare single-chip la startup.

pinul RESET este legat extern la Vdd printr-un rezistor pull-up. Push-butonul RESET din secțiunea demo este conectat direct la acest pin.

pinul XFC este conectat la circuitul de filtrare, pentru a asigura stabilitatea buclei PLL la frecvența bus-ului intern de 24 MHz.

toți pinii μC sunt disponibili la patru conectori dispuși in jurul acestuia.

Interfața USB to BDM

-conține circuitele electrice și cele logice, necesare translării comenzilor tip BDM trimise de PC via USB, interfeței BDM a μC.

– portul USB asigură și alimentarea plăcii. Pentru protecția portului la scurtcircuit, circuitul de alimentare dispune de o siguranță de 200 de mA cu auto-restore.

Secțiunea demo

Aceasta secțiune grupează push-butoanele, un potențiometru și opt LED-uri.

Detalii:

opt LED-uri complet configurabile, conectate la pinii portului B al μC. Toți pinii I/O ai μC asigură curentul necesar pentru funcționarea LED-urilor, fară a mai fi nevoie de tranzistori externi;

doua butoane configurabile, conectate la pinii PP0 și PP1;

un buton conectat la pinul de RESET ;

un potențiometru conectat la pinul PADD00. De remarcat că VRH șiVRL (referințele pentru convertorul anlog-numeric) sunt conectați la 5V, respective la Vss.

Fig.2 Schema bloc

MICROCONTROLERUL MC 9S12C32

Microcontrolerul Freescale MC9S12C32 a apărut în 2003, este un microcontroler cu arhitectură de tip RISC, este disponibil în 3 capsule (48 de pini – LQFP, 52 de pini – LQFP, și 80 de pini – QFP). Microcontrolerul folosit pentru realizarea proiectului este cel cu 80 de pini.

Caracteristicele principale ale acestui microcontroler sunt:

procesorul HCS12 pe 16 biți;

memoria FLASH de 32 kB;

o interfață de comunicare serială periferică(SCI);

o interfață serială periferică (SPI);

8 canale cu modul de timp pe 16 biți (TIM);

6 canale cu modulare în lățime a impulsului pe 8 biți (PWM);

8 canale cu comvertor analog – numeric pe 10 biți (ADC);

modul generator de tact (CRG);

viteză a magistralei de 25 MHz;

reglare a tensiunii de alimentare de la 2,97 V la 5,5 V.

Familia de microcontrolere MC 9S12C32:

Caracteristicile familiei de microcontrolere Motorola MC9S12C32 sunt:

Procesorul HCS12 pe 16 biți:

– HCS12 CPU:

– Compatibil cu setul de instrucțiuni al microcontrollerului M68HC11;

– Stiva de întreruperi și modelul de programare sunt identice cu cele ale microcontrollerului M68HC11;

– Șirul de instrucțiuni;

– Adresare indexată perfecționată.

– Controlul Mapării Modulelor (MMC);

– Controlul Întreruperilor (INT);

– Interfața Modulului de Depanare (BDM);

– Depanatorul (DBG12) ce include modificarea breackpoint-tului din

buffer-ul de mers în buffer-ul de urmărire;

– Interfața Externă Multiplexată de Bus.

Intrările de Întrerupere Wake-Up:

– Până la 10 biți valabili pentru funcțiile de întrerupător wake-up cu filtrare digitală.

Opțiunile Memoriei:

– 16kB, 32kB, 64kB, 96kB și 128kB Flash EEPROM sau 16kB, 32kB, 64kB, 96kB și 128 kB ROM;

– 2 kB și 4Kb RAM.

Convertorul Analog – Digital (ADC):

– 8 canale cu rezoluție pe 10 biți;

– Capacitate de conversie externă trigger.

Modul numărător (TIM):

– Intrări de captură sau ieșiri de comparare programabile;

– Modul PWM simplu;

– Modul de reset al numărătorului;

– Numărătorul sensibil la evenimentele externe;

– Timer controlat prin semnal poartă.

Șase canale PWM:

– Perioada și factorul de umplere programabile;

– 6 canale pe 8 biți sau 3 canale pe 16 biți;

– Control separat pentru fiecare lățime și factor de umplere;

– Ieșiri aliniate central sau la stânga;

– Semnal logic de clock programabil cu un spectru larg de frecvențe;

– Blocări rapide în caz de urgență a ieșirilor.

Interfața serială:

– Trei interfețe seriale de comunicație asincronă SCI);

– Interfața serială de conectare cu perifericele (SPI);

Generator de Reset și de Clock (CRG):

– Mod corect de operare a watchdog-ului;

– Întreruperi în Timp Real;

– Monitorizarea Tactului;

– Tact intern în absența unui ceas extern.

Frecvența de operare:

– 32 MHz echivalent cu o viteză a magistralei de 16 MHz;

– 50 MHz echivalent cu o viteză a magistralei de 25MHz.

Regulatorul intern de 2,5 V:

– Tensiunea de intrare de la 2,97 V până la 5,5 V;

– Capacitate de lucru la consum redus;

– Include circuit de resetare la tensiune mică;

– Include circuit de întrerupere la tensiune mică.

Capsulă cu 48 de pini (LQFP) sau 80 de pini (QFP):

– Până la 60 de linii I/O cu intrări de 5 V și posibilitate de modificare (80 de pini);

– Până la două linii de intrare în special pentru 5 V (IRQ și XIRQ);

– Intrări de 5 V pentru convertorul CAN și intrări/ieșiri de 5 V.

Suport de dezvoltare:

– Mod de depanare în fundal pe un singur fir (BDM);

– Punct de oprire hardware încorporat în chip;

– Caracteristică de depanare încorporată (DBG12).

În figura 1 se prezintă modul de configurare a microcontrollerelor Freescale iar în figura 2 se prezintă modul de dispunere a pinilor la capsula de 80 de pini.

Fig.1.Codificarea microcontrolerelor Motorola

Temperatură:

Capsulă:

FU = 80QFP (80 pini)

PB = 52LQFP (52 pini)

FA = 48LQFP (48 pini)

Viteza magistralei de date:

25 = 25MHz

16 = 16MHz

Fig.2.Capsula 80-Pin QFP a microcontrolerului MC9S12C32

În tabelul de mai jos se prezintă cele 9 porturi ale microcontrollerului MC9S12C32, precum și funcțiile pinilor și o surtă descriere a funcțiilor ce le pot îndeplini.

Elementele componente a microcontrollerului

În figura 3 se prezintă schema bloc a microcontrollerului MC9S12C32, principalele module din schema bloc având funcțiile:

HCS12 – asigură comunicarea între module prin intermediul magistralelor de date și adrese;

Regulatorul de tensiune – are rolul de a asigura o tensiune între 2,9 V și 5,5 V;

Modul alimentare processor – asigură alimentarea procesorului;

32kB Flash EEPROM – memorie Flash de stocare a programelor;

2kB RAM – memorie RAM ce conține regiștri microcontrollerului;

Modul BDM – depanare în fundal;

Modul de generare a frecvenței de tact – generează frecvența magistralei de date (16MHz – oscillator intern sau 25MHz – oscilatot extern);

Modul de intrare a sistemului – permite accesarea magistaralei de multiplexare de la porturile A și B;

ATD – convertește semlanele analog – digitale;

Modul numărător – asigură captura/compararea semnalelor;

Modul PWM – generează semnale PWM;

SCI – asigură comunicația serială (cu un PC);

MSCAN – asigură controlul comunicației cu o rețea;

SPI – asigură comunicația serială cu perifericele.

Fig.3. Schema bloc a microcontrolerului MC 9S12C32

INTERFAȚA CAN

Descriere generală

Controller Area Network (CAN) a fost inițial creată de compania Bosch din Germania, pentru segmentul automotive. Scopul era acela de a face automobilele mai fiabile, mai sigure, mai economice, în același timp cu reducerea și simplificarea schemelor electrice.În timp, această interfață a fost adoptată de toate marile companii producătoare din industria automotive, extinzându-și aria de aplicabilitate în domeniul echipamentelor medicale, a echipamentelor de test.

Cele mai multe aplicații network urmăresc o abordare tip layer în implementarea sistemelor.

Această abordare permite interoperabilitatea între produse ale unor firme diferite. În acest scop s-a creat un standard, numit ISO Open Systems Interconection (OSI) Nework Layering Reference Model.

Fig.1 Modelul de referință ISO

Protocolul CAN implementează, in general, ultimele două layere ale acestui model de referință, acesta fiind unul tip CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection). Aceasta înseamnă că fiecare nod al rețelei va monitoriza bus-ul, pentru a detecta o perioadă de inactivitate, înainte de a încerca o transmisie de date (Carrier Sense). De asemenea, la apariția unei perioade de inactivitate a bus-ului, toate nodurile au oportunitați egale în a transmite datele (Multiple Access). Dacă două noduri ale rețelei vor începe transmisia în același timp, acestea vor detecta o coliziune a datelor (Collision Detection), și vor lua măsurile adecvate. În implementarea protocolului CAN se utilizează o metodă de arbitrare nedistructivă, ceea ce înseamnă că mesajele vor rămâne intacte după arbitrare.

Fig.2.Exemplu de arbitrare între trei noduri

CAN definește nivelele logice în felul următor: ”0” ca fiind nivelul prioritar și “1” ca nivel recesiv. Un nivel logic “0” va câștiga întotdeauna arbitrarea în fața unui bit recesiv, prin urmare, mesajul cu mai multe nivele dominante (nivele”0”) va avea prioritatea mai înaltă.

Protocolul CAN este unul bazat pe mesaje, nu pe adrese. Acest lucru înseamnă că nu se transmit de la un nod la altul, mesaje, in funcție de adrese. În mesajul transmis sunt definite atât prioritațile cât și datele ce trebuiesc transmise. Toate nodurile din rețea vor recepționa fiecare mesaj ce apare pe bus și vor confirma recepția acestuia. Fiecare nod va decide dacă mesajul tecepționat va fi procesat sau ignorat. Un singur mesaj poate fi destinat unui singur nod sau mai multor noduri, in funcție de construcția rețelei. Un avantaj al acestui protocol este acela că se pot adăuga noduri noi, fara a fi nevoie de o reprogramare a nodurilor existente, în vederea recunoașterii noului nod.

CAN definește patru tipuri diferite de mesaje sau frame-uri. Primul și cel mai utilizat este frame-ul de date (Data Frame), necesar când unnod transmite informații celorlalte noduri din rețea. Al doilea este frame-ul Remote, ce este în esență tot unul de date, dar cu bitul RTR setat astfel încât să fie recunoscut ca atare. Celelalte doua frame-uri sunt pentru semnalizarea erorilor, unul numit Error Frame, celalalt, Overload Frame, ultimul fiind generat de un nod, când acesta are nevoie de mai mult timp pentru a procesa un mesaj recepționat.

Fig.3 Exemplu de semnal pe interfața CAN

Frame-urile de date, sunt compuse din mai multe câmpuri, ce furnizează informații aditionale despre mesaj, în funcție de specificațiile CAN:

Câmpul de arbitrare este utilizat la stabilirea prioritații unui mesaj ce apare pe bus.

Câmpul de control ce constă în șase biți. Bitul MSB este și bit IDE (Extended Frame), ce va fi “0” logic pentru frame-ul de date, urmează un bit RB0 și următorii biți LSB ce inică lungimea frame-ului de date (Data Length Code).

Campul de date, ce constă într-un anumit număr de biți, specificat în DLC al câmpului de control.

Campul CRC (Cyclic Redeundency Check), ce constă în 15 biți este utilizat de nodurile receptoare pentru a verifica integritatea datelor.

Campul Acknowledge, este raspunsul nodului la recepția unui mesaj valid indifferent dacă mesajul va fi folosit sau nu.

Deoarece interfața a fost inițial concepută pentru industria automotive, a fost necesar un protocol eficient de gestionare a erorilor, pentru ca aceasta să fie acceptată pe piață, având în vedere regulile stricte privind siguranța.

Fig.4 Schema unei rețele CAN

Fiecare nod al rețelei este capabil să recunoască diferite tipuri de erori, luând anumite acțiuni in funcție de severitatea problemelor apărute. Acestea au posibilitatea de a trece de la modul de funcționare normal, la închiderea completă, această caracteristică numindu-se Fault Confinement.

Sunt definite astfel, în protocolul CAN, cinci tipuri de erori dintre care trei tipuri caracterizează un nod în funcție de numarul frame-urilor de erori conținut în mesaj.

Tipuri de erori:

erori CRC: valoarea CRC este calculată de nodul emițator și apoi este în zona CRC a mesajului. Toate nodurile primesc această valoare și o recalculează pentru a verifica dacă acestea corespund. Dacă valorile sunt diferite, apare o eroare de CRC și va fi generat un frame de eroare. Dacă cel puțin unul dintre noduri nu recepționează mesajul, acesta este retransmis la anumite intervale.

eroare ACK: în câmpul ACK al mesajului nodul emițător verifică dacă bitul ACK (trimis ca bit recesiv) este acum bit dominant, ceea ce înseamnă că cel puțin unul dintre noduri a recepționat mesajul. Dacă bitul este recesiv, înseamnă ca nici un nod nu a primit mesajul și se va genera eroarea ACK.

eroarea de format: se va genera dacă un nod detectează un bit dominant în una din urmatoarele zone: End of Frame, Interframe space, ACK Delimiter, CRC Delimiter.

eroarea de bit: apare dacă emițătorul trimite un bit dominant și detectează un bit recesiv, atunci când monitorizează bus-ul.

Un nod se poate afla la un moment dat în una din urmatoarele stări de eroare:

Error-Active: nodul poate comunica pe interfață și reprezintă un mod normal de operare.

Error-Passive: un nod intră în această stare când fie TEC sau REC depșesc valoarea 127.

Buss-Off: nodul intră în această stare de eroare când TEC este mai mare de 255. În acest mod, nodul nu mai poate comunica pe interfață. Protocolul CAN îi permite acestuia să reintre în starea Error-Active, dacă problema este rezolvată.

În concluzie, interfața CAN este una robustă, fiabilă, cu multiple protocoale de detecție și gestionare a erorilor, ce o propulsează pe primul loc în industria automotive, cu multiple posibilitați de extindere spre alte domenii.

Implementarea fizică a intrefeței

Protocolul CAN, utilizat la comunicația între cele două kit-uri, modulul telecomandă respectiv modulul platformă, a fost implementat fizic utilizând doua transceivere dedicate, achizitionate de la Freescale USA. În continuare este prezentat transceiverul MC 33889.

Dispozitivul este un IC monolitic, ce combină o serie de funcții ce se regăsesc în sistemele cu μC, cum ar fi: diferite protecții, funcții de diagnosticare, comunicație. Circuitul este complet protejat, are un regulator intern pentru 5V, cu limitare de curent și protecție la supratemperatură cu preavertizare.

MC 33889 poate funționa in mai multe moduri: Normal, Standby, Stop și Sleep; mai dispune de un watchdog programabil, întreruperi, reset, control prin SPI și dr un transceiver CAN low-speed, compatibil cu protocoalele 2.0A și 2.0B, ce fac din acest circuit o alternativă economică în sistemele cu MCU.

Caracteristici:

VDD1, regulator intern de 5V, cu limitare de curent, protecție la supratemperatură, cu o capabilitate în curent de 200 mA.

patru moduri de operare: Normal, Standby, Stop și Sleep.

consum redus în modurile Standby și Sleep.

interfață CAN-128 Kbps, low-speed, compatibilă 2.0A și 2.0B.

Fig.1-Schema bloc internă

Fig.2-Semnificația pinilor

Descrierea funcțională a pinilor:

Descrierea funcțională a blocurilor componente:

Dispozitivul este alimentat la pinul Vsup, fiind necesară o diodă externă pentru pevenirea

conectării inverse a alimentării. Tensiunea de alimentare este cuprinsă între 4,5 V si 27 V fiind însă capabil să suporte tensiuni de până la 40 de V. Când tensiunea scade sub 3,0 V, dispozitivul detectează acest lucru și memorează informația în registrul SPI, într-un bit numit BATFAIL. Această detectie este disponibilă în toate modurile de operare.

VD1- este un regulator de tensiune de 5.0 V având o capabilitate în curent de 200 mA. Include circuite de monitorizare, asociate funcției reset. Regulatorul este complet protejat la supracurenți, scurtcircuit și supratemperatură.

Regulatorul V2- este destinat să atace un tranzistor extern pentru a crește curentul debitat. Pentru acest lucru sunt utilizați doi pini: V2 și V2Ctrl. Un tranzistor recomandat este MJD 32C. Starea pinului V2 este memorată în registrul IOR.

SPI- controlul complet al dispozitivului este realizat printr-o interfață SPI de 8 biți.

CAN- circuitul include o interfață CAN, low-speed, cu rata de transfer de 125 KBauds. Starea interfeței CAN este programată prin SPI.

Modurile de operare:

Modul Normal- în acest mod, ambele regulatoare sunt pornite și sunt disponibiletoate funcțiile (watchdog, HS1, și comunicația pe CAN).

Modul Standby- în acest mod numai regulatorul 1 este pornit. Regulatorul 2 este oprit prin invalidarea pinului V2Ctrl. Comunicația pe CAN nu se poate efectua, deoarece este alimentată din V2. Funcționează însă circuitul watchdog.

Modul Sleep- ambele regulatoare sunt oprite. În acest mod MCU nu este alimentată. Dispozitivul poate fi “trezit” intern printr-un semnal wake-up la unul din pini, de la interfața CAN sau SPI (pinul CS).

Modul Stop- regulatorul 2 este oprit iar regulatorul 1 este activat într-un mod low-power, doar a alimenta MCU. În acest mod se intră prin SPI, la cca 20 de μs dupa recepționarea mesajului.

Fig.3 Schema tipică de funcționare

Fig. 4 Detaliu montaj transceiver

Pentru comunicația cu μC Motorola MC 9S12C 32, transceiverul utilizează urmatorii pini ai acestuia:

pinul 70-PM5/SCK;

pinul 71-PM4/MOSI;

pinul 72-PM3/SS;

pinul 73-PM2/MISO;

pinul 74-PM1/TxCAN;

pinul 75-PM0/RxCAN.

Componente utilizate:

transceiver MC 33889 montat pe modulul telecomandă;

transceiver MC 33889 montat pe modulul platformă;

4 rezistoare de100 Ω;

2 condensatoare de 100 nF;

cablu multifilar torsadat.

MODUL TELECOMANDĂ

Modulul denumit generic “telecomandă” este cel care trimite comenzile pentru direcționarea platformei, comunicând cu celălalt modul prin intermediul interfeței CAN. Poate fi divizată în mai multe segmente, cum ar fi:

placa HCS 12 Starter Kit cu microcontrolerul;

transceiverul CAN montat pe aria pentru dezvoltare de aplicații a Kit-ului;

o placă adițională, solidarizată cu cea de mai sus, ce cuprinde butoanele pentru direcționarea platformei, un modul stabilizator, un switch pentru marirea vitezei platformei și un întrerupător general.

Aceasta va fi alimentată de la o sursă externă de 12V.

Descrierea sistemului și modul de funcționare sunt prezentate la pag. 50.

Fig.1 Modului telecomandă

Componente utilizate:

μC MC 9S12C 32;

MC 33889- transceiver CAN;

2 x 100 nF;

2 x 100 Ω;

4 x push-buttons;

switch “Turbo”;

condensator 10 μF/63 V;

1N4004-diodă;

comutator ON/OFF pentru alimentarea întregului sistem.

Pentru schema completă vezi ANEXA

MODULUL DE ALIMENTARE

Cele două module HCS12 Starter Kit sunt alimentate de la două stabilizatoare de tensiune LM 7805C, fiecare având propriul său stabilizator.În continuare se va prezenta stabilizatorul de tensiune pentru o singură placă, celălalt fiind identic.

Stabilizatorul de tensiune LM 7805C

Seria de integrate stabilizatoare de tensiuni pozitive dedicate LM 7xxx este disponibilă în cinci variante de încapsulare: TO-220 (cea mai utilizată), TO.220 FP, TO-3, , DPACK, având o serie de tensiuni fixe de ieșire (stabilizate), facând ca acesta să își găsească locul într-o gamă largă de aplicații.

Fig.1 Tipuri de capsule

Aceste regulatoare de tensiune pot asigura stabilizarea tensiunii local (on board), eliminând problemele ce apar în cazul unui singur punct de alimentare.

Circuitul include funcții și protecții cum ar fi: limitare internă a curentului, funcție “shutdown” la supratempertură, protecție la scurtcircuit. Montat pe un radiator adecvat, stabilizatorul poate debita curanți de până la 1A fara probleme.

Deși sunt proiectate pentru tensiuni fixe de ieșire, cu anumite componente externe, stabilizatoarele din seria 7xxx, se pot utiliza și ca surse de tensiune variabile.

Caracteristici:

curent de ieșire de până la 1.5A;

tensiune stabilizată de ieșire de 5V;

protecție la scurtcircuit.

Fig.2 Schema bloc internă

Configurația pinilor la cele cinci tipuri de capsule:

Fig.3 Configurația pinilor

Fig.4 Schema electrică internă

Fig.5 Schema tipică de utilizare

În cadrul proiectului a fost utilizată schema de mai jos. Stabilizatorul primește tensiune de la o sursă externă; a fost utilizată o sursă de PC deoarece poate asigura o tensiune de 12V foarte stabilă, necesară pentru alimentarea LED-urilor high-lumen. Această tensiune este aplicată pinului 1 al stabilizatorului. Condensatorul cu valoarea de 220 μF este necesar pentru filtrarea suplimentară a tensiunii de 5V ce se regăsește între pinul 3 și pinul GND.

Fig.6 Schema utilizată în cadrul proiectului

Componente utilizate:

2 x LM 7805C- stabilizator de tensiune;

2 x 220 μF/25V- condensator de filtrare.

MOTOARE DE C.C

Cele mai multe aplicații industriale utilizează motoare de curent alternativ, deoarece sunt mai ieftin de fabricat, mai simple, însă prezintă dezavantajul unui control dificil al vitezei și cuplului dezvoltat.

Majoriatea aplicațiilor moderne cer un control precis al vitezei motoarelor,și cele mai potrivite sunt motoarele de c.c.

Principalul dezavantaj îl constituie costul mai ridicat de facbricație, însă acesta este compensat de faptul că pot fi controlate relativ ușor și totodată se pretează miniaturizării. Motoarele de c.c. se găsesc într-o gamă variată de puteri și tipodimensiuni (motoare clasice cu perii și colector sau tip “brushless DC”).

Cele mai utilizate sunt însă cele cu magneți permanenți, numite așa după cele două sau mai multe armături statorice constiutuite din magneți permanenți. Partea mobilă sau rotorul, prezintă o serie de înfășurări, conectate galvanic la un comutator (colector. Pe acest colector glisează o serie de lamele metalice sau perii din grafit, ce alimentează înfășurările rotorului.

Fig.1 Schema simplificată a unui motor de c.c.

Fig.2 Secțiune printr-un motor de c.c.

Motoarele de mici dimensiuni prezintă de obicei un set de trei înfășurări rotorice.

Fig.3 Mod de funcționare

Cele două perii se află în orice moment în contact cu două înfășurări, rezultând astfel doi poli magnetizați. Acești poli magnetici creează un dezechilibru de forțe în motor, fiind atrase de polii de semn contrar. Un alt avantaj al motoarelor de c.c. este acela că sunt reversibile; prin schimbarea polaritații tensiunii de alimentare se schimbă și sensul de rotație al motorului. Acest lucru îl face extrem de utilizat în robotică.

CONTROLUL MOTOARELOR DE C.C

Scopul unui controler este acela de a prelucra un semnal ce reprezintă viteza dorită și de a determina motorul sa atingă acea viteză. Acesta poate sau nu să masoare viteza unui motor; dacă o masoară, sistemul este numit “ Feedback Speed Controller “ sau în buclă închisă; în cazul în care nu face acest lucru este numit “ în buclă închisă “.

Motoarele pot fi într-o varietate de forme și tipuri, iar driverele pentru acestea diferă în mod corespunzător.

Viteza unui motor de c.c. este direct proporțională cu tensiunea de alimentare. Controlerele simple variază tensiunea ce este oferită motorului, însă simpla variere nu este eficientă. O altă metodă constă în conectarea/ deconectarea foarte rapidă a tensiunii de alimentare. Dacă acest lucru este făcut cu o viteză suficient de mare, motorul nu va “simți” acest lucru.

De exemplu, pentru un motor la 12V- conectând sau deconectând tensiunea la același interval de timp, motorul va “vedea” o medie de 6V, și va reduce viteza în mod corespunzător.

Tensiunea medie este raportul dintre timpul cât switch-ul este ON și timpul cât acesta este OFF. Același principiu este folosit și în cazul surselor de alimentare în comutație. Deschiderea și închiderea circuitului este realizată de către tranzistori MOSFET de putere, dispozitive ce pot comuta ON/OFF curenți mari, fiind controlați cu un semnal mic.

Timpul necesar unui motor să ajungă la viteza dorită sau să scadă la o anumită valoare ține de inerția rotorului său, de forțele de frecare și de cuplul rezistent la arbore.

Fig.1 Schema bloc a unui controler

Fig.2 Exemplu de semnal de comandă

Se poate observa că viteza medie este ≈ 150, deși poate varia puțin. Acesta este principiul

reglării vitezei prin modularea duratei impulsurilor sau PWM.

Frecvența semnalului PWM este dependentă de frecvența semnalului rampă.

Caracteristici:

frecvențele cuprinse între 20 de Hz și 18 kHz pot produce sunete perceptibile din partea motorului.

la fiecare comutație ON/OFF a MOSFET-urilor, se produce o mică pierdere de energie.Prin urmare, cu cât timpul necesar comutației este mai mare, cu atât vor crește pierderile prin tranzistoarele de putere.

cu cât frecvența semnalului PWM este mai mare, cu atât este ,mai stabilă forma de undă a curentului prin motor.

Forma de undă va fi oscilantă pe palier (cu spike-uri) la frecvențe joase ale semnalui PWM. La frecvențe înalte inductanța înfășurărilor motorului va netezi forma de undă. Spike-urile ce se regăsesc în forma de undă la frecvențe joase vor cauza pierderi mai mari prin rezistența înfășurărilor motorului de c.c., a conductoarelor și prin MOSFET-uri.

Fig.3 Forme de undă ale curentului

Ambele forme de undă au aproximativ același curent mediu. La calcularea puterii disipate prin rezistențele motorului și ale conductoarelor, în cazul c.c. avem:

În cazul formei de undă dreptunghiulare, puterea calculată este:

Așadar, în cazul formei de undă dreptunghiulare, puterea disipată prin rezistența circuitului

este dublă. În practică, forma de undă nu va fi complet dreptunghiulară, dar pierderile vor fi întotdeauna mai mari decât în cazul precedent.

Circuite pentru controlul vitezei

În figura următoare este prezentată o schemă simplă de control.

Când MOSFET-ul Q1 este în starea de conducție (ON), curentul circulă prin înfășurarea rotorului, determinând o mișcare de rotație a acestuia. Când Q1 este blocat (OFF), curentul prin inductanța L nu scade instantaneu, determinând o tensiune de autoinducție ce va determina un curent prin motor ce va circula prin dioda D1. În lipsa acesteia, tensiunea de autoinducție se va regăsi la bornele tranzistorului și îl poate distruge.

Fig.3 Schemă simplă de control a motorului

Recuperarea

În schema următoare, energia poate circula numai într-un singur sens, de la baterie spre motor. La scăderea bruscă a vitezei, datorită inerției, motorul se va mai roti, acționând ca un generator. Puterea generată poate fi recuperată înapoi în baterie. Acest lucru este numit frânare cu recuperare.

Fig.4 Schemă de frânare cu recuperare

În schemă, Q1 și D1 au același rol ca și în cazul schemei precedente. Q2 este comandat în contratimp cu Q1. La frânare, Q1 este blocat și motorul va acționa ca generator. Curentul poate circula în sens invers prin Q2 care este în conducție

Fig.5 Modul de acțiune al celor două tranzistoare

Inversarea sensului

Pentru a schimba sensul de rotație al unui motor de c.c., tensiunea de alimentare trebuie să își schimbe polaritatea. Cea mai simplă metodă este cea cu relee, ale căror contacte schimbă polaritatea tensiunii de alimentare. Soluția nu este foarte efcientă, deoarece la comutație apar tensiuni de autoinducție ce vor crea arc electric între contactele releului, erodându-le.

Circuitul punte (Full Bridge)

O schemă punte este prezentată în figura de mai jos. Fiecare bornă a motorului este conectată fie la borna pozitivă fie la borna negativă a bateriei. Pe fiecare parte însă va fi în conducție numai un singur MOSFET la un moment dat.

Fig.6 Schema unei punți H

Pentru a face motorul să meargă înainte, Q4 este în stare de conducție și Q1 are aplicat semnal PWM. Calea pe care o străbate curentul este arătată în urmatoarea figură:

Tranzistorul Q4 este păstrat în conducție, în așa fel încât, curentul poate să circule prin bucla de jos.

Pentru schimbarea sensului motorului, Q3 va fi în conducție și Q2 va avea aplicat semnal PWM conform figurii următoare:

Generarea semnalelor PWM

Semnalele PWM se pot genera în mai multe moduri:

în mod analogic- prin comparație cu un semnal triunghiular. Semnalul de c.c. poate varia între minimul și maximul semnalului triunghiular. Când semnalul triunghiular este mai mare decât tensiunea continuă, ieșirea operaționalului trece în starea “High” iar când este mai mică, va trece în starea “Low”. Prin urmare, prin controlul simplu al nivelului tensiunii continui, se pot genera semnale PWM.

Fig.7 Mod analogic de generare a semnalului PWM

în mod digital- metoda constă în incrementarea unui numărător și compararea valorii acestuia cu cea memorată într-un registru.

Fig.8 Mod digital de generare

Registrul va fi încarcat cu nivelul PWM dorit, de către un microcontroller. Factorul de umplere poate fi variat în trepte, în funcție de rezoluția numărătorului.

MODUL COMANDĂ MOTOARE

Circuitul MC 33886 este o punte H monolitică, special concepută pentru controlul bidirecțional al motoarelor de cc. sau al actuatoarelor. Circuitul include o logică internă de control, un circuit “charge-pump” și circuite cu MOSFET-uri ce au o rezistență mică a ieșirii. Dispozitivul este capabil să controleze sarcini inductive și curenți de până la 5 A. Sarcinile de iețire pot fi modulate cu semnale PWM cu frecvențe de până la 10 kHz.

Dispozitivul mai prezintă și un sistem de raportare (Fault Status Report) a erorilor ce pot aparea în funcționarea normală (subtensiuni de alimentare, scurtcircuite, supratemperaturi).

Doua intrări indepenente controlează cele două semipunți, iar alte două intrări forțează puntea H în starea High-Z (mare impedanță). Temperatura de funcționare se încadrează în intervalul -40 °C ÷ +125 °C, la tensiuni de alimentare între 5V ÷ 28V. Circuitul este disponibil pentru montaj SMD, cu suport pentru montare pe radiator (parte metalizată).

Fig.1 Vedere capsulă

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare 5 ÷ 40 V;

120 mΩ Rds(on) a MOSFET-urilor punții;

Intrări compatibile TTL sau CMOS;

Frecvență PWM până la 10 kHz;

Limitare activă a curentului;

Protecție la scurtcircuit pe ieșire;

Shutdown la subtensiuni;

Sistem de raportare a erorilor (Fault Status).

Fig.2 Schemă simplificată de utilizare

Fig.3 Schema internă a circuitului

Descrierea funcționării:

Numeroasele protecții și caracteristici funcționale, capabilitatea mare de curent ( 5A ), fac din circuitul MC 33886 o alegere potrivită și ieftină pentru aplicațiile ce necesită controlul vitezei și sensului motoarelor de c.c. O pereche de circuite 33886 pot fi utilizate pentru controlul bidirecțional al motoarelor pas cu pas. În plus, circuitul se mai poate utiliza pentru controlul bidirecțional al actuatoarelor tip “push-pull”, având control asupra forței prin semnal PWM, sau ca drivere pentru transformatoarele din invertoarele de tensiune (DC-AC transformers).

Pentru ca un motor de c.c. să funcționeze, condițiile semnalelor de intrare trebuie să fie următoarele: D1= logic “0”, D2= logic “1”, FS= logic “1”.

Circuitul poate executa frânări dinamice, prin deschiderea / închiderea simultană a tranzistorilor punții.

Ieșirile acestui circuit sunt capabile să suporte curenți de până la 5A, la tensiuni de 40V. Circuitul intern “charge-pump” suportă semnale PWM cu frecvențe te până la 10 kHz.

Un rezistor intern de “pull-up” este necesar la ieșirea pinului FS.

Doua intrari independente ( IN1 și IN2 ) asigură controlul asupra tranzistoarelor punții. De asemenea sunt disponibile două intrări ( D1 și D2 ) pentru aducerea punții în starea de mare impedanță.

Circuitul MC 33886 are protecție cu revenire automată la subtensiune, limitare activă a curentului, protecții la scurtcircuit pe ieșire și la supratemperatură. La apariția unui astfel de eveniment, se va seta în “0” ieșirea pinului FS.

La apariția unui scurtcircuit, curentul la ieșire este scăzut în rampă, ex: la o temperatură a joncțiunii între 160 °C ÷ 175 °C curentul va fi redus la 2,5A, peste 175 °C intrând în funcționare protecția la supratemperatură (shutdown).

Fig.4 Modul de dispunere al pinilor

Descrierea funcțională a pinilor:

PGND, AGND: pini de “masă”, aceștia trebuie conectați împreună, printr-o conexiune de mică impedanță;

V+: pin de alimentare , toți pinii V+ trebuie conectați împreună , pe trasee cât mai scurte; prezintă protecție cu prag la subtensiune- când aceasta scade sub pragul stabilit, ieșirea va trece în starea de mare impedanță dar va reveni la funcționarea normală iar indicatorul de status va trece în starea High.

FS (Fault Status): acest pin este setat automat la apariția unui eveniment; este activ în “0” și necesită un rezistor “pull-up” conectat la 5V;

IN1, IN2, D1, D2: acești pini sunt pini de intrare ce controlează ieșirea punții H. Sunt compatibili CMOS și prezintă histerezis. Pinii IN1 și IN2 controlează în mod independent cele două ieșiri (OUT 1 și OUT2). Pinii D1 și D2 sunt intrări suplimentare, utilizate pentru a aduce puntea în starea de mare impedanță.

OUT1, OUT2: sunt ieșirile punții H și sunt controlați de către intrările IN1, IN2; au limitare activă de curent setată la 6,5A; prezintă de asemenea protecție la supratemperatură cu histerezis, și la scurtcircuit;

CCP: un condensator extern de filtrare (până la 33 nF) poate fi conectat între pinul CCP și PGND; dispozitivul poate funcționa și fară acest condensator, dar acestea este indicat pentru reducerea zgomotului și pentru a permite circuitului să funcționeze la viteza maximă.

Caracteristici funcționale ale dispozitivului

Protecția la scurtcircuit

Dacă este detectată o situație de scurtcircuit pe ieșire, aceasta intră în starea de mare impedanță, iar nivelul pinului FS trece în “low”. Dacă una din intrările D1 sau D2 își schimbă starea, ieșirile ies din starea tri-state, iar bitul FS este resetat.

Limitarea activă de curent

Curentul maxim admis de către dispozitiv este limitat intern la 5,2A. La depașirea curentului limită, protecția va trece ieșirile în tri-state pentru un timp de aproximativ de 20 μs; valoarea curentului limită este dependentă de temperatura joncțiunii. În gama de temperaturi -40°C÷ 160°C – curentul va scădea liniar între 5,2A și 7,8A. La depășirea temperaturii de 160°C, curentul scade liniar (≈ 2,5A la 175°C). Peste temperatura de 175°C, dispozitivul se va închide, ca urmare a intrării în acțiune a protecției la supratemperatură.

Fig.5 Schemă tipică de aplicație

Circuitul se găsește într-o capsulă HSOP cu 20 de pini, single-die. Există o singură sursă de caldură (P), o singură joncțiune și o singură rezistență termică .

Motoare utilizate

În cadrul acestui proiect, pentru deplasarea platformei sunt folosite două motoare de c.c. Motorul ce se găsește în partea din spate asigură mișcarea înainte/înapoi, iar cel din față, virarea roților. Ambele motoare utilizate sunt de tip cu magneți permanenți.

Fig 1. Motor dezasamblat

Motorul pentru schimbarea direcției este identic cu cel din imaginea de mai sus.

Fig.2 Detaliu montare motor spate

Mod de funcționare

Motoarele sunt comandate de pe modulul numit telecomandă cu ajutorul a patru butoane (push-buttons).

Fig.3 Butoanele de comandă

Butoanele sunt conectate cu un terminal la GND, celelalte fiind conectate la pinii microcontrolerului (42, 43, 44, 45). Aceștia sunt configurați ca intrări și la apăsarea unui buton vor “citi” un zero logic ce va fi prelucrat de MCU. Semnalele prelucrate vor fi disponibile la pinul 74 al microcontrolerului (Tx CAN). Mai departe sunt aplicate transceiverului MC33889 fiind disponibile la ieșirile CAN-High respectiv CAN-Low și transmise pe această interfață modulului platformă, respectiv celuilalt transceiver. Acesta le transmite mai departe μC aflat pe modulul platformă la pinul 75 (Rx CAN), care va interpreta semnalele și va acționa în mod corespunzător. Se vor genera astfel semnalele PWM care vor fi aplicate circuitului MC 33886 (puntea H) la pinii IN1, respectiv IN2 care vor controla motoarele conectate la pinii OUT1 și OUT2. Pinii FS ai circuitului MC 33886 sunt conectați la pinii 41 și 42 ai μC.

Driverul pentru motorul de direcție va primi semanl PWM de la pinii 3 și 4 ai μC, iar cel pentru motorul de deplasare de la pinii 79 și 80.

Telecomanda mai are un switch cu două poziții (ON/OFF), conectat între masă și pinul 41 al μC, buton numit generic “Turbo” care în poziția ON va modifica factorul de umplere al semnalului PWM în sensul creșterii tensiunii medii oferite motorului.

Componente utilizate:

2 x MC 33889- CAN transceiver;

4 x push button;

1 x switch turbo;

4 x 100Ω/0.25 W-conectate pinii CANH și CANL ai interfeței;

2 x 100 nF;

2 x MC 33886- H bridge Driver pentru comanda motoarelor;

2 x 33 nF;

2 x 47 μF/35 V;

2 x conectori pentru motoare;

motor pentru deplasare la 12 V;

motor pentru direcție la 3 V.

Fig.3 Schema redusă comandă motoare

MODUL SENZORI

Fotorezistența

Fotorezistorul sau LDR (Light Dependent Resistor)- este un dispozitiv electronic a carui rezistență electrică variază cu fluxul luminos incident pe suprafața activă.

Un fotorezistor este alcătuit dintr-un semiconductor cu rezistivitate mare la întuneric. În condițiile în care suprafața activă este iluminată activă este iluminata, fotonii sunt absorbiți de semiconductor și aceștia elibereazaă electroni din structură (aceștia trec în banda de conducție), creând o rezistență minimă la trecerea la curentului electric.

Fig.1 Fotorezistența

Dispozitivele fotorezistoare pot fi intrinseci sau extrinseci. Un semiconductor intrinsec, are proprii purtători de sarcină și nu este un semiconductor eficient, de ex: siliconul. În acești semiconductori, singurii electroni se află în banda de valență. Fotonii incidenți trebuie săa aibă suficientă energie pentru a-i smulge de pe orbită, aruncându-i în banda de conducție.

Dispozitivele extrinseci sunt dopate cu impuritați, ce au un nivel energetic mai apropiat de banda de conducție. Pentru a-i arunca în această bandă este nevoie de fotoni cu o energie mai mică.

Dacă o plăcuță de silicon are câțiva electroni substituiți cu atomi de fosfor (impuritatea), atunci vor rezulta mai mulți electroni liberi ce pot participa la conducție.

Aplicații:

Fotorezistențele apar într-o varietate de forme și tipuri. Celulele de cadmiu-sulphide își găsesc aplicabilitate în camere de luat vederi, instrumente pentru măsurarea luminii, sisteme de securitate etc. Fotorezistențele cu In-Antimonide sunt utilizate pentru detecția luminii în spectrul IR îndepărtat.

Cele cu Ge:Cu sunt cele mai bune detectoare de lumină în IR și se utilizează în construcția telescoapelor astronomice sau în spectroscopia IR.

Modul de funcționare în sistem

În proiect s-a folosit o fotorezistență identică cu cea din fig.1. În schema de funcționare, fotorezistența este înseriată cu un potențiometru și cu încă o rezistență. O borna a acesteia este conectată la 5V, cealaltă bornă se află în serie cu potențiometrul, realizând astfel un divizor rezistiv de tensiune. De la această bornă se culege semnalul util, respectiv o tensiune care se aplică unui convertor A/D, din interiorul μC, disponibil la pinul 52. La întuneric rezistența electrică a fotorezistenței este apreciabilă, tensiunea aplicată pinului fiind sub pragul selectat prin soft. În momentul iluminării, rezistența acesteia scade, tensiunea aplicată convertorului crește, iar la depașirea pragului selectat μC va modifica factorul de umplere al semnalului PWM ce comandă driverele pentru LED-urile față, in sensul reducerii cantității de lumină emisă. Potențiometrul prezent în schemă are rolul de a calibra pragul de sensibilitate.

Fig.2 Detaliu fotorezistență

Fig.3 Detaliu potențiometru pentru reglarea sensibilitații

Fig.4 Schema electrică

Pentru schema completă vezi ANEXA

Componente utilizate:

o fotorezistență;

potențiometru liniar 20 KΩ;

o rezistență fixă de 20 KΩ;

μC MC 9S12C 32.

Senzorul în infraroșu (IR)

Datorită faptului ca lumina infraroșie are lungimea de undă de peste 860 nm, aceasta nu poate fi observată de ochiul uman. Cea mai mare sursă de radiație IR este soarele dar orice corp care generează caldură va emite și radiație în IR.

Pentru ca semnalul în IR, purtător de informație să fie utilizabil, acesta trebuie extras din zgomotul care îl însoțește. În acest scop, semnalele IR se modulează, ceea ce înseamnă că sursa va emite pulsuri cu o anumită frecvență. Tot ce rămâne de făcut este acordarea receptorului pe acea frecvență.

Fig.5 Emisie-Recepție în IR

Pentru detecția și evitarea obstacolelor, un LED va emite pulsuri de lumină în IR și un senzor recepționează ecourile reflectate, putându-se aprecia și distanța până la obiect. Circuitele de emisie sunt destul de simple, chiar și un singur tranzistor putând modula LED-ul.

Fig.6 Circuit simplu modulator

Un receptor de semnal IR are următoarea schemă bloc:

Fig.7 Schema bloc

Semnalul IR este recepționat de elementul sensibil, amplificat și limitat de primele două blocuri. Circuitul limitator acționează ca un ACG (Automatic Gain Control), pentru a avea un nivel constant al semnalului.

Semnalul alternativ este aplicat blocului BPF (Band Pass Filter), ce este un filtru acordat pe frecvența semnalului modulat. Următoarele blocuri sunt detectorul, integratorul și comparatorul.

În continuare se descrie senzorul IR Vishay TSOP 1738.

Integratul TSOP 1738 este un receptor pentru sisteme de telecomandă în infraroșu, ce lucrează pe frecvența de 38 kHz. Conține o diodă PIN și un preamplificator, integrate, capsula din epoxy fiind în același timp și filtru IR. Semnalul de ieșite demodulat poate fi prelucrat direct de către μC. Circuitul a devenit unul standard, suportând majoritatea codurilor de transmisie.

Fig.8 Capsula senzorului

Caracteristici:

prezintă elementul fotodetector și amplificatorul, integrate în aceeași capsulă;

filtru intern pentru frecvenșa PCM;

prezintă o bună imunitate la câmpuri electrice perturbatoare;

compatibil TTL și CMOS;

ieșirea activă în “zero” logic;

consum redus de energie;

imunitate ridicată la lumina ambientală;

posibilitate de transmisie continua a datelor (păna la 2400 bps).

Fig.9 Diagrama bloc internă

Fig.10 Caracteristici electrice

Formatul datelor

Circuitul este conceput în așa fel încât pulsurile nedorite, datorate zgomotelor să fie rejectate. În acest scop, integratul dispune de un filtru trece-bandă (B.P.F.), și un circuit ACG. Ceea ce diferențiază un semnal perturbator de un semnal util este frecvența purtătoarei, lungimea trenului de impulsuri și factorul de umplere.

Un semnal util trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

frecvența purtătoarei semnalului trebiue să fie cât mai aproape de centrul benzii de frecvență a filtrului BPF- ≈ 38 kHz;

trenul de impulsuri să aibă o lungime de ≈ 10 cicli;

după fiecare tren de impulsuri trebiue să existe o pauză de cca. 14 cicli;

pentru fiecare tren de impulsuri mai lung de 1,8 ms, este necesar un timp de pauză cel puțin egal cu 1,8 ms în fluxul de date;

Chiar dacă se aplică un semnal perturbator, suprapus peste cel util, circuitul va fi capabil să extragă datele.

Exemple de semnale rejectate de circuit:

lumina ambiantă;

semnalele ce provin de la lămpile fluorescente cu balast electronic.

Fig.11 Formatul datelor la ieșirea circuitului

Modul de funcționare

În cadrul proiectului, detectia obstacolelor în IR se compune din două module:

modulul emițător

modulul receptor

Pentru emisia în IR s-au folosit două diode ce emit în infraroșu. Acestea sunt modulate cu un semnal PWM, generat la pinul 1 al μC, semnal cu frecvența de 38 kHz. Semnalul nu este aplicat direct ci printr-un tranzistor BD 243 clasic. Cele două diode sunt conectate în serie și prezintă și o rezistență de limitare a curentului.

Fig.12 Detaliu detecție în IR

Ca receptor s-a folosit senzorul TSOP 1738. Ieșirea acestui integrat este aplicată microcontrolerului la pinul 53, la convertorul A/D, AN02. Când nu se recepționează nici un ecou, ieșirea acestuia este în logic “1”, care va trece în “0” la apariția unui semnal. Senzorul este conectat la 5V și are un condensator de 4,7 μF/25 V, pentru o filtrare suplimentară. Valoarea tensiunii furnizată de catre convertorul A/D va fi monitorizată de către microcontroler care va modifica sau nu factorul de umplere al semnalului PWM oferit driverelor LED-urilor principale.

Fig.13 Schemele electrice ale celor două module

Pentru schema completă vezi ANEXA.

Componente utilizate:

semireglabil fixat la valoarea de 23 Ω;

2 x diode LED emițătoare în IR;

BD 237- tranzistor amplificator;

TSOP 1738- detector de semnal în IR;

rezistență de 100 Ω/0,25 W;

rezistență de 4,7 KΩ/0,25 W;

condensator 4,7 μF/25 V;

μC MC 9S12C 32

MODUL FARURI

Una dintre temele principale expuse în cadrul acestui proiect, ce se dorește a fi o îmbunătățire și o automatizare a sistemului de iluminat, este înlocuirea lămpilor cu incandescență, a lampilor cu halogeni și a celor HID (High Intensity Discharge) ce constituie sursele de lumină din cadrul farurilor unui automobil, cu LED-uri de ultimă generație capabile să asigure același flux luminos la un consum mai redus de energie. Doar un vis acum câțiva ani ,LED-urile au atins eficiența de 80 lm/watt. Cu un flux luminos de 240 lm, o instalație de 6 astfel de LEDuri echivalează cu un bec cu incadescență de 100 W sau cu un neon cu lungime de 1.5 m (diametru 1.5 cm). Putem face astfel o comparație între lampa cu incandescență și LED-uri.

Lampa cu incandescență creează lumină prin intermediul unui filament. Atunci când se aplică curent electric, filamentul devine incandescent, generând caldură și producând lumină. LED-ul creează lumina printr-un “proces rece”, când se aplică curent electric semiconductorilor (de obicei galiu, arsen sau fosfor) aceștia sunt stimulati de mișcarea electronilor, generând astfel fotoni care sunt percepuți de ochiul uman sub formă de lumină.

În plus, LED-urile, datorită modului de asamblare, concentrează lumina într-un spot fară ajutorul altor componente optice. În funcție de domeniul de utilizare pot fi folosite LED-uri cu unghi de 20, 50, 120 sau 180 grade. Lampile cu filament proiectează lumina în toate direcțiile (omni direcțional) și necesită componente optice pentru a direcționa lumina.

Prin folosirea LED-urilor se reduce pană la 80-90 % consumul de curent electric. Datorită principiului de funcționare diferit (care nu implică încalzirea unui filament fabricat dintr-un conductor electric), LED-urile consumă o cantitate mult mai mică de curent electric.

LED-urile au o durată de viață foarte mare: în general de 10 ani, de 2 ori mai mult decât cel mai bun tip de neon si de 20 de ori mai mult decât cel mai bun bec cu filament (becurile cu filament pot fi făcute să dureze mai mult timp prin aplicarea unui voltaj mai mic decât cel normal, dar acest lucru le scade foarte mult din eficiență; LED-urile au o durată de viață mare in condiții de operare normale).

Un alt avantaj al LED-urilor este faptul că se degradează treptat prin reducerea luminozității de-a lungul perioadei de funcționare, spre deosebire de becul cu filament care se defectează instantaneu și iremediabil. LED-urile sunt foarte rezistente la vibrații sau șocuri și funcționează într-un interval foarte mare de temperatură.

      Lămpile se pot defecta dintr-un număr foarte mare de motive. Stratul de sticlă din care sunt formate este foarte fragil și nu poate rezista la șocuri mecanice sau vibrații. Majoritatea becurilor folosesc filamente de wolfram, metal care la temperaturi foarte ridicate, în prezența unei cantitați infime de aer se dezintegrează. Modul de asamblare a LED-urilor le conferă rezistență și are rolul de a concentra într-un spot lumina emisă. LED-urile funcționează într-un interval de temperatură de -40 pană la 80°C. Desigur că LED-urile nu sunt perfecte. Șocurile mecanice, curenții mari și mediile corozive pot duce la formarea unor “mustati” care produc scurt-circuit. În majoritatea cazurilor LED-urile se defectează prin diminuarea treptată a luminii emise, însa pot avea loc anumite fenomene în interiorul LED-ului care îi scurtează drastic timpul de viață. LED-urile albe folosesc una sau mai multe substanțe fluorescente care se degradează datorită caldurii și vârstei dispozitivului respectiv, producând schimbări în culoarea emisă de LED.

LED-urile sunt cele mai bune surse de lumină colorată, deoarece nu necesită folosirea unei lentile care să îi imprime culoarea. În cazul lămpilor, folosirea lentilelor diminueaza mult intensitatea luminii. Datorită faptului că becurile generează lumină prin aducerea la incandescență a unui filament, acestea încalzesc de asemenea și lentilele pe care le luminează fapt ce produce decolorarea și chiar topirea lentilelor. LED-urile generează mult mai putină caldură în comparație cu becurile iar caldura este disipată prin baza LED-ului.

În cazul becurilor, din curcubeul de culori ce formează lumina albă, trebuie filtrate toate culorile în afara de cea dorită pentru a obține lumina colorată. Din acest motiv, o cantitate foarte mică din energia emisă de bec ajunge la observator prin filtrul de culoare. Intensitatea luminii depinde de culoare, astfel pentru albastru este de 0,4 %, pentru verde 1%, si pentru rosu 1,5 %. Restul energiei se pierde sub formă de caldură. Astfel se pot realiza lampi de semnalizare, ce au un timp de raspuns mult mai mic, extrem de util în cazul lampilor pentru semnalizarea frânarii, oferind informația într-un timp mai scurt.

LED-URI UTILIZATE

Pentru exemplificare, în cadrul proiectului s-au utilizat două LED-uri performante, ce fac parte din noua generație, tip High-Lumen. În continuare se vor descrie principalele caracteristici ale acestor dispozitive.

Sunt realizate de compania coreeană Seoul Semiconductor și fac parte din seria Z-POWER LED’s.

LED-urile din această familie sunt destinate să funcționeze la curenți mari și au un flux luminos ridicat. Acestea încorporează ultimele inovații în domeniul proiectării și al managementului termic. Seria își găsește aplicabilitate în domeniul automotive, al iluminatului ambiental și decorativ.

Caracteristici:

flux luminos și luminanță de valori mari;

sunt proiectate să lucreze la curenți de valori ridicate;

rezistență termică redusă;

posibilitate de lipire SMT.

Aplicații:

LED-uri flash pentru terminale mobile;

Iluminat exterior/interior în industria automotive;

Lampi de semnalizare;

Faruri pentru autovehicule;

Iluminat portabil;

Iluminat ambiental;

Lumină backlight pentru monitoare LCD/TV;

Semafoare rutiere;

Iluminat decorativ.

Fig.1 Detalii dimensiuni

Caracteristici electrice:

Spectrul de culoare:

DESCRIERE SISTEM

Sistemul demonstarativ este compus din: două LED-uri Seoul Zextar de 240 lm ce simbolizează farurile automobilului (lumina de drum), ce au atașate lentile pentru focalizarea luminii emise și patru LED-uri SuperFlux albe, câte două de fiecare parte a celor principale pentru sporirea fluxului luminos. Partea frontală mai cuprinde, demonstrativ, și câte un LED lateral, pe ambele părți, înclinat la un anumit unghi pentru o mai bună vizibilitate în cadrul virajelor. Un sistem real va cuprinde mai multe rânduri de astfel de LED-uri, înclinate la unghiuri diferite, ce se vor aprinde succesiv în funcție unghiul de bracare al roții sau în funcție de unghiul volanului. Pentru simplificare în proiect nu s-au folosit senzori pentru depistarea unghiului roții, ci s-au folosit două contact switch-uri montate în așa fel încât cele două LED-uri laterale se vor aprinde la un unghi de ≈ 30 ÷ 35°.

Prin folosirea LED-urilor se poate elimina ansamblul compus din motoare și sistemul mobil de înclinare si direcționare a luminii farurilor ce utilizează la unele sisteme AFL, sporind fiabilitatea sistemului datorita faptului ca LED-urile sunt dispozitive solid-state, mult mai rezistente la șocuri și vibrații.

Fig.1 Vedere partea frontală

În figură se pot observa cele două LED-uri principale și cele laterale pentru sporirea luminozității în curbe.

Comanda LED-urilor:

Cele două LED-uri principale își variază intensitatea luminoasă în funcție de semnalele trimise de senzorii atașați, microcontrolerului.

Pentru a putea realiza acest lucru, acestea vor fi comandate de două punți H, câte una pentru fiecare LED. A fost aleasă puntea MB 3763 datorită simplitații în operare și a dimensiunilor de gabarit mici. Câteva caracteristici despre acest circuit:

Este un driver pentru motoare de c.c., utilizat în mecanismele de încărcare ale casetelor video, ale unitaților optice ale calculatoarelor, comandate cu un semnal TTL.

Capabilitatea maximă în curent a circuitului este de aprox. 150 mA, cu radiator poate ajunge până la 300 mA.

Caracteristici:

Curentul nominal 150 mA;

Tensiuni de alimentare cuprinse între 4 ÷ 18V;

Semnal de control TTL;

Posibilitate de standby când nu există semnal de intrare;

Diode de scurgere încorporate

Tipul capsulei: 8 pini DIP/ 8 pini SOP.

Fig.2 Tipurile de capsule și semnificația pinilor

Fig.3 Schema bloc internă

Moduri de funcționare:

modul înainte/înapoi- în acest mod, perechile de tranzistoare Q2-Q3 și Q1-Q4 funcționează alternativ, schimbând direcția curentului.La selecția modului B- Q2 și Q3 sunt active iar Q1-Q4 inactive. Prin urmare, ieșirea notată “A” esteîn zero logic, iar iețirea “B” este în “1” logic. Curentul prin circuit va circula de la B la A prin motor. La selecția modului C procesele se inversează.

modul frână/stop- La selecția modului A, Q1-Q3 sunt inactive iar Q2-Q4 active. Iețirile A și B sunt în zero logic, terminalele motorului sunt scurtcircuitate, forțând motorul să se oprească.

modul standby- în acest mod toți tranzistorii sunt inactivi, curentul prin motor este nul.

Funcționare:

Ambele punți sunt alimentate cu o tensiune de 12V de la o sursă externă, conectată între pinii și GND. LED-urile sunt conectate la pinii A-OUT ai punții H prin intermediul unor rezistențe de putere ce reduc tensiunea la aprox. 2.9V, oferind luminozitatea maximă. La apariția unui obstacol, respectiv mașina de pe același sens de mers sau cea de pe contrasens, LED-urile își vor reduce luminozitatea în mod treptat sau după niște praguri stabilite prin soft, în funcție de semnalul oferit de către senzori microcontrolerului. În funcție de aceste semnale, μC va reduce facrorul de umplere (duty-cycle), al semnalului PWM generat la pinul 2, semnal aplicat punții H la pinii A-IN, reducând astfel luminozitatea până la un nivel corespunzător luminii de întalnire.

Celelalte LED-uri ale părții frontale sunt conectate în serie, prin intermediul unei rezistențe de putere, la tensiunea de 12V, oferind o luminozitate constantă.

Circuitul LED-urilor laterale se va închide când unghiul roții va depăși 30°, datorită celor două contact switch-uri interconectate cu sistemul de direcție.

Componente utilizate:

2 x MB 3763- punți H pentru controlul LED-urilor;

2 x LED Seoul Zextar de 240 lm;

6 x LED SuperFlux Albe;

3 x 100Ω/5 W- rezistențe de putere;

2 x contact switch-pentru aprinderea LED-urilor laterale;

μC MC 9S12C32- generator de semnal PWM.

Schema electrică- vezi ANEXĂ

ANEXĂ