LISTĂ DE FIGURI………………………………………………………………………………………………………………………………3 1.INTRODUCERE………………………………………………………………………………………………………………………………4 1.1 Obiectivele… [308804]

Cuprins

LISTĂ DE FIGURI………………………………………………………………………………………………………………………………3

1.INTRODUCERE………………………………………………………………………………………………………………………………4

1.1 Obiectivele Proiectului………………………………………………………………………………………………………………

2.CLĂDIRE REZIDENȚIALĂ PERFORMANTĂ ENERGETC…………………………………………………………………..

2.1 Prototipul virtual al unei clădiri rezidențiale………………………………………………………………………………

2.1.1 Crearea automată a imaginilor virtuale. Avantajele prototipării virtuale………………………….

2.2 Modelarea și simularea……………………………………………………………….

2.3 Utilizarea mediilor vizuale de programare……………………………………………………………………………………………..

2.4 Dezvoltarea rapidă a aplicațiilor vizuale în Delphi……………………

2.5 Relația dintre RAD și modelul realizării prototipului……………………

3. EXEMPLU DE CLĂDIRE REZIDENȚIALĂ INDEPENDENT ENERGETIC CU DOTĂRI DE TIP INTELIGENT..

Listă de figuri

1. Introducere

1.1 [anonimizat]-se locatarului posibilitatea de a avea control asupra activităților desfășurate zilnic la domicilu .

[anonimizat]-un mediu de programare, a prototipului virtual al locuinței și al anexelor acesteia. Sistemele de automatizare vor fi instalate în timpul construcției fizice a clădirii.

Procesele supuse automatizării sunt: acționarea electrică a ușilor și ferestrelor locuinței, a ușilor de garaj, a porților de acces pe domeniul rezidenței precum și reglarea nivelului de luminozitate din incintă. Se urmarește de asemenea automatizarea instalațiilor care asigură autonomia energetică a cladirii prin folosirea surselor de energie regenerabilă. Principalele energii regenerabile sunt energia solară și energia eoliană.

Partea aplicativă a lucrarii de diplomă se materializează într-o machetă funcțională care asigură orientarea și poziționarea unui panou fotovoltaic pe un singur ax în funcție de poziția soarelui.

Sistemele de automatizare a locuințelor și a clădirilor sunt utilizate din ce în ce mai mult în zilele noastre. Pe de-o parte, [anonimizat], ventilației sau a iluminării. [anonimizat], un sistem de securitate inteligent. [anonimizat] o [anonimizat] o problemă majoră astazi.

Echipamentele de automatizare din cadrul locuințelor au fost subiectul unor preocupari majore in faza de conceptie. Automatizarea locuinței este adoptată și din motive de eficiență energetică și protecție a mediului înconjurător.

Utilizarea combustibililor gazoși sau lichizi trebuie înlocuită cu folosirea energiei provenite de la surse regenerabile de energie.

Automatizarea clădirilor rezidențiale aduc avantaje utilizatorului și anume:

Confort – Există mijloace moderne pentru a [anonimizat], [anonimizat], telefon sau Internet. O soluție revoluționară o reprezintă controlul prin voce.

Automatizarea – O mare parte a funcțiilor și acțiunilor indeplinite pot fi programate să funcționeze complet automat. Aceasta înseamnă că pornind de la anumite acțiuni (modificarea luminii sau mișcare) comanda necesară este executată automat (aprinde o lumină, orienteaza panoulsolar, trimite mesaje ). De exemplu, în cazul inserării, sistemul este capabil să coboare jaluzelele, să aprindă lumina, să pornească televizorul sau să închidă iala electrică de la ușa de intrare.

Economie – Principalele economii sunt reprezentate de cele de energie, care pot fi realizate printr-o reglare adecvată. Sistemele din ziua de astăzi includ reglarea căldurii și a aerului condiționat. Economiile pot fi realizate și prin reglarea luminii.

Este foarte cunoscut faptul că metodele convenționale de generare a energiei electrice folosesc surse neregenerabile de energie (combustibili fosili: cărbune, gaze naturale, petrol) și care totodată au un impact negativ asupra mediului înconjurător.

Folosirea surselor regenerabile de energie, înlătură toate aceste inconveniențe și își pun din ce în ce mai mult amprenta asupra viitorului. Studiile de specialitate arată că se investesc sume vizibil mai mari de la an la an pentru dezvoltarea sistemelor capabile să producă energie “verde”, energia viitorului. Astfel, studiile s-au îndreptat spre surse de energie regenerabilă, cea mai importantă dintre ele fiind energia solară.

2.Clădire rezidențială performantă energetic

Clădirea rezidentială (de locuit) este un ansamblu de spații cu funcțiuni precizate, delimitat de elementele de construcție care alcătuiesc anvelopa clădirii, inclusiv instalațiile aferente. Termenul clădire definește atât clădirea în ansamblu, cât și părți ale acesteia, care au fost proiectate sau modificate pentru a fi utilizate separat.

Energia electrică obțintă din surse neconvenționale precum panourile fotovoltaice și turbine eoliene este utilizată pentru asigurarea confortului interior și pentru funcționarea sistemelor de automatizare aferente care pot asigura anumite funcții precum: accesul în clădire/garaj, securitate și protecție, irigarea spațiilor verzi, curațirea panourilor fotovoltaice etc.

Dorința de a produce energie provenită din surse regenerabile a impulsionat proiectarea și dezvoltarea sistemelor fotovoltaice, sisteme care produc energie electrică ieftină și care nu necesită costuri foarte mari de implementare și întreținere.

Fig. 2.1. Sistem hibrid fotovoltaic și eolian

Plecând de la nevoia de creștere a performanței energetice a clădirilor a aparut conceptul de clădire inteligenta. Clădirea inteligentă oferă utilizatorilor un mediu confortabil și productiv cu ajutorul echipamentelor automate de măsura, comunicare și control integrate în sistemele de încălzire/răcire, iluminat, securitate, protecție la incendiu etc.

Sistemele de automatizare aferente unei clădiri inteligente sunt proiectate pentru a gestiona aproape toată gama de servicii și funcțiuni auxiliare. Pot fi utilizate de la managementul integrat al sistemului energetic până la irigarea automată a spațiilor verzi sau controlul ușilor de garaj sau chiar al obloanelor.

2.1 Prototipul virtual al unei clădiri rezidențiale

2.1.1 Crearea automată a imaginilor virtuale. Avantajele prototipării virtuale

Prototiparea virtuală este o metodă de a vizualiza modele complexe și de a le îmbunătăți comportamentul. Adevărate prototipuri virtuale sunt create cu ajutorul calculatorului,   având  în   vedere   obținerea   unor produse care să corespundă funcțional cerințelor din ce în ce mai mari impuse de piață. Calculatoarele pot stoca arhive de informații pentru monitorizare și au funcții de control la distanță folosite de exemplu la deschiderea automată a ușilor de garaj.

Pot fi personalizate pentru scenarii alternative de utilizare și pot rula simulări în timp real.

Aceasta înseamnă că simularea funcțiilor clădirilor inteligente merge până la modelarea fidelă atât a componentelor sistemelor cât și a condițiilor de funcționare ale acestora, ceea ce permite testarea rapidă a numeroase variante geometrico-constructive, în vederea optimizării sistemelor de automatizare. Astfel, se elimină o mare parte din etapa de testare experimentală a produsului, proces scump și consumator de timp.

Îmbunătățirea dinamicii inovațiilor este în prezent unul dintre factorii cruciali ai pieței. Este așadar vital pentru o companie să scurteze ciclurile de inovație și în același timp să realizeze creșterea calității produselor și reducerea costurilor. Creșterea continuă a complexității și varietatea produselor, simultan cu reducerea duratei ciclului de producție, determină cereri mari pentru companii. Prototipurile oferă variate posibilități de a accelera procesul de dezvoltare și a optimiza factorii de calitate și costurile. Totuși, o problemă foarte importantă este că producția prototipurilor fizice este foarte scumpă și mare consumatoare de timp.

Pe această direcție, prototiparea virtuală oferă avantaje deosebite. Utilizarea prototipurilor virtuale, în special în fazele precoce de dezvoltare /proiectare a sistemelor mecanice, permite luarea unei decizii de cost eficient, deoarece producția costisitoare a prototipurilor fizice este astfel făcută în mare parte inutilă. Pe de altă parte, prototiparea virtuală oferă posibilități pentru paralelizare și globalizare, pentru că prototipurile virtuale nu sunt limitate într-un singur loc, ci pot circula foarte rapid pe rețele locale sau mondiale (așa cu este INTERNET-ul). Un alt avantaj deosebit al prototipurilor virtuale este că ele nu sunt realizate din materiale reale, rezultând costuri de realizare mult mai mici decât în cazul prototipurilor fizice.

Simularea prototipurilor virtuale permite o intervenție timpurie, modificarea și optimizarea comportamentului sistemelor mecanice și conduce la o creștere a varietății de prototipuri. Prin intermediul prototipurilor virtuale caracteristice produsului pot fi ușor verificate / testate o multitudine de soluții constructive pentru un sistem mecanic și astfel timpul de dezvoltare poate fi redus semnificativ. În plus, defectele privind fabricarea sau  produsul însuși, pot fi deja detectate în fazele precoce ale dezvoltării sistemului mecanic și astfel  sunt eliminate fără mari cheltuieli. Aceasta asigură posibilitatea de a porni (lansa) deja planificarea producției într-un stadiu timpuriu.

Prototiparea virtuală oferă posibilitatea de a realiza aspecte specifice client de dezvoltare timpurie a produsului, mai repede și mai eficient, și astfel crește considerabil capacitatea de competitivitate a unei companii.

În lucrare se prezinta sistemul de programare vizuală BORLAND Delphi si aplicații ale acestuia. Firma Borland a oferit programatorilor șansa de a programa în spirit Windows  prin  intermediul pachetului Borland Pascal for Windows al kitt-ului Borland Pascal 7.0.  Evoluția galopantă a paradigmelor în materie de comunicație electronică și  în materie de gestiune a colecțiilor de date a scos la rampă mediile vizuale de programare a sistemelor soft utilizator.

Delphi este un mediu vizual de dezvoltare de aplicații cu adevărat orientate pe obiecte și modularizate, pornind de la platforma Windows. Mediul vizual de programare Delphi se bazează pe limbajul Object Pascal, un urmaș puternic al limbajului Pascal (viziunea Borland). În Object Pascal și sub Delphi, există suport pentru a face modularizare metodică, orientare pe obiecte metodică, tratare structurată a excepțiilor, etc.

Imaginile virtuale se obțin cu ajutorul unui program de calculator. Acest tip de imagini sunt obținute fără cameră de fotografiat, Un limbaj de programare vizuală permite utilizatorului să specifice modalitatea de reprezentare bidimensională sau tridimensională. Programarea vizuală ne permite să navigăm și să vedem o lume din mediul virtual care simulează o realitate sau o lume imaginară. De remarcat că această lume, este înzestrată cu o dimensiune în plus, aceea a imaginației noastre.

Modelarea, simularea și vizualizarea pe calculator a obiectelor bidimensionale sau tridimensionale este fără indoială unul din cele mai importante domenii în care puterea de calcul este folosită la maximum pentru procearea unor fluxuri de informații. Se pot obține imagini ale diferitelor modele inaccesibile observației directe, pentru simplu motiv că ele nu există. Utilizatorul unui sistem virtual are libertatea de a explora lumea creată de calculator și de a interacționa direct cu ea.

Proiectantul de imagini virtuale în diferite domenii (construcții, arhitectură etc.), are posibilitatea să vadă rezultatele proiectului sub forma de imaginii virtuale ale acestuia, în timp real, să observe detaliile, să studieze respectarea diverselor criterii, să ia decizii de modificare a parametrilor, înainte de edificarea construcției. Pentru costrucții deja edificate, pozele virtuale urmaresc să redea cu fidelitate modelul real exitent.

2.2 Modelarea și simularea

Modelarea ca metodă de cercetare este folosită pentru reprezentarea realității. Modelele furnizează informații utile pentru optimizarea sistemelor reale. Sarcina simulării este de a determina comportarea dinamică a sistemelor, folosind o abordare orientată către modele.

La baza elaborării oricărui model se află următoarele cerințe:

modelul trebuie să reflecte cât se poate de fidel realitatea reprezentată;

modelul trebuie să constitue o simplificare a realității reprezentate;

modelul este prin esența sa, o idealizare a realității reprezentate.

Simularea, poate fi definită și ca o tehnică de realizare a experimentelor cu calculatorul, care implică construirea unor modele matematice și logice care descriu comportarea unui sistem real. Simularea trebuie, deci să genereze intrările și ieșirile tinând cont de stările interne ale sistemului, prin algoritmi adecvați și să descrie evolția în timp a stărilor interne ale sistemului. Deși, în general, oferă soluții aproximative, simularea este o tehnică eficientă de cercetare atât pentru fenomenele fizice percepute de om, precum si pentru acelea percepute, dar imposibil de studiat analitic. Necesitatea simulării reiese și din faptul că, adesea sistemele reale nu pot fi studiate concret, fie din cauza dificultăților de evalare cantitativă sau calitativă a fenomenelor, fie din cauza complexității acestora (număr mare de variabile de intrare/ieșire, număr mare de stări posibile, complexitatea funcțiilor care indică comportamentul sistemului). Datorită evoluției informaticii, simularea digitală, adică efectuarea de experimente cu ajutorul calculatorului asupra unui sistem, reprezintă unul din instrumentele principale în studiul sistemelor.

2.3 Utilizarea mediilor vizuale de programare

Bazându-ne pe “potențialul de asistare” al  mediului Delphi și pe suportul oferit de Object Pascal pentru a realiza sisteme soft, vom prezenta modul în care se folosește un mediu vizual de programare.

Cu referire directă la Delphi, am putea să luăm în considerare următoarele: Realizarea interfeței cu utilizatorul este mult simplificată, îndeosebi dacă tipul de interfață este aliniat la standardele aplicațiilor Windows. Așadar, programatorul poate să investească timpul consumat, altfel, pentru realizarea interfeței, în activități de modelare a soluției, de optimizare a codului, etc.

Mare parte din problema gestiunii evenimentelor recunoscute de o aplicație este rezolvată cu suport consistent din partea mediului de programare. În procesul de proiectare, forma sau formele care compun o aplicație este/sunt populate de diferite componente care au un comportament predefinit dar au și deschidere către disponibilități comportamentale specifice unei anumite aplicații. În această privință succesul în utilizarea unui mediu vizual de programare depinde de gradul de cunoaștere a comportamentului implicit al componentelor. Necunoașterea acestui comportament generează dificultăți deosebite în rezolvarea chiar și a unor probleme mărunte.

Odată adăugate elementele grafice ale interfeței aplicației cu utilizatorul, programatorul trebuie să adauge cod pentru a da răspunsuri evenimentelor specifice ale aplicației. În Delphi acest cod seamănă atât de bine cu codul Pascal incât orice programator cu abilități în scrierea de cod Pascal devine rapid un aprogramator abil în Delphi dacă rezolvă, tot rapid, niște probleme de mentalitate formată în Pascalul clasic. Este vorba despre obiect orientare și de o serie de noutăți în materie de sintaxă în zona obiect orientată, cu predilecție. Am lăsat la urmă, dar, poate că această problemă trebuie rezolvată prima, chiar și într-un mediu vizual de   programare, trebuie să  clarificăm o serie de probleme referitoare la:

cerințele față de aplicație;

structura interfeței;

tipul de modularizare ales;

structura algoritmilor critici folosiți.

2.4 Dezvoltarea rapidă a aplicațiilor vizuale în Delphi

Unii specialiști consideră Delphi ca fiind versiunea RAD (Rapid Application Development) a mediului de programare Borland Pascal. Unul dintre primele lucruri care trebuie înțelese când se lucrează într-un mediu RAD se referă la faptul că un mediu RAD  este o tehnologie de elaborare a soluțiilor unor probleme de informatică, bazată pe o serie de concepte, componente și protocoalele de utilizarea a acestora. Un mediu RAD devine cu adevărat puternic în mâinile unui programator dacă acesta știe:

Să modeleze obiect orientat soluția unei probleme date;

Să utilizeze suportul Delphi pentru progranmare obiect orientată;

Să utilizeze componentele Delphi în procesul de dezvoltare rapidă de aplicații;

Să reutilizeze propriul efort de dezvoltarea rapidă a aplicațiilor Delphi.

Deprinderea de a modela obiect orientat soluția unei probleme se formează prin însușirea unei metodologii de modelare adecvate și prin mult exercițiu în contextul respectivei metodologii.

2.5 Relația dintre RAD și modelul realizării prototipului

Multe modele de dezvoltare a sistemelor soft se bazează pe utilizarea abordărilor iterative în vederea realizării unui prototip.

În ingineria softului se numește prototip un sistem sau un sistem parțial finisat care este construit rapid pentru a explora anumite aspecte ale cerințelor față de sistem și care nu este considerat sistem gata de livrare către  utilizator.

Un sistem soft aflat în faza de prototip se deosebește de un sistem soft gata de livrare prin o serie de omisiuni asumate sau strecurate involuntar în faza de codificare (implementare).

Astfel că un prototip are, în mod obișnuit, o funcționalitate incompletă (capacitate limitată de procesare a datelor, performanțe reduse în timpul execuției, siguranță în funcționare problematică, etc.). Dezvoltarea prototipului este posibilă efectiv doar utilizând instrumente pentru dezvoltarea rapidă a sistemelor soft (medii vizuale de proiectare, medii vizuale de programare, etc.).

Putem construi un prototip pentru a investiga cerințele utilizator; în acest scop ne putem focaliza efortul de dezvoltare pe realizarea interfeței cu utilizatorul pentru a stabili ce date așteaptă utilizatorul de la sistem și ce date furnizează utilizatorul sistemului.

Prototipul poate fi folosit pentru a determina cel mai adecvat model de interfață. Putem construi un prototip pentru a stabili dacă o platformă de implementare anume poate suporta anumite cerințe de prelucrare.

În sfârșit, un prototip ar putea să urmărească determinarea eficienței unui limbaj particular sau a unei infrastructuri de comunicație.

Așadar, fazele principale necesare pentru a pregăti un prototip sunt:

Efectuarea unei analize inițiale;

Definirea obiectivelor prototipului ;

Specificarea prototipului;

Construirea prototipului;

Evaluarea prototipului și stabilirea schimbărilor de efectuat.

Efectuarea unei analize inițiale. Întreaga activitate de dezvoltare a softului folosește resurse valoroase. Începerea unui exercițiu de dezvoltare a prototipului fără o analiză inițială este posibil să conducă la o activitate nestructurată și greșit focalizată care va produce un soft proiectat nesatisfăcător.

Definirea obiectivelor prototipului. Dezvoltarea prototipului este de dorit să aibă obiective clar stabilite. Un exercițiu de dezvoltare a prototipului poate implica multe iterații, fiecare iterație având drept rezultat o anumită îmbunătățire a prototipului. Pentru participanții la un exercițiu de dezvoltare a prototipului la un moment dat poate fi dificil de stabilit dacă dezvoltarea prototipului trebuie sau nu să continue. Pentru evitarea unei astfel de posibilități definirea clară a obiectivelor de îndeplinit poate fi de mare folos.

Specificarea prototipului. Deși prototipul nu este realizat în perspectiva unor operații de extindere este, evident, important să aibă un comportament scontat. De aceea, este absolut firesc să luăm în calcul posibilitatea unor modificări care să apropie prototipul comportamental cât mai mult de comportamentul scontat.

Aceste modificări sunt mult mai ușor de făcut dacă softul este realizat potrivit unor principii de proiectare profunde.

Construirea prototipului. Deoarece este important ca prototipul să fie realizat rapid este firesc ca în această fază să se apeleze la un mediu de dezvoltare rapidă a aplicațiilor (Delphi, Visual Basic, Visual C, C-Builder, etc.).

Evaluarea prototipului și stabilirea schimbărilor de efectuat. Motivul principal pentru care realizăm un prototip este testarea și explorarea anumitor aspecte ale sistemului soft de realizat. Prototipul trebuie evaluat în conformitate cu obiectivele identificate la începerea exercițiului  de dezvoltare a prototipului. Dacă obiectivele nu au fost îndeplinite, evaluarea are drept consecință o serie de modificări care urmăresc apropierea prototipului de obiectivele asumate.

Ultimele trei faze sunt parcurse ciclic, până când toate obiectivele asumate de exercițiul de realizare a prototipului sunt îndeplinite.

În cele ce urmează putem prezenta avantajele acestui model dar și o serie de aspecte de care ar trebui să ținem cont înainte de dezvoltarea prototipului.

Avantajele prototipului virtual :

Ilustrarea timpurie a funcționalității sistemului ajută la identificarea tuturor dezacordurilor dintre proiectant și client; Cerințele client omise au șanse să fie identificate; Dificultăile legate de proiectarea interfeței pot fi conștientizate și rezolvate; Realizabilitatea și utilitatea sistemului soft pot fi testate chiar dacă, prin natura lui, prototipul este incomplet.

Problemele generate de utilizarea prototipului :

Clientul poate percepe prototipul ca parte a sistemului final dar nu poate înțelege amploarea efortului cerut de realizarea formei finale a sistemului, motiv pentru care are senzația că sistemul final trebuie livrat mai curând decât este posibil în realitate;

Prototipul poate distrage atenția de la aspectele funcționale (uneori critice pentru sistem) către problemele de interfață (nevoia de a da permanent satisfacție clientului/utilizatorului);

Dezvoltarea prototipului se bazează pe o implicare semnificativă a utilizatorului;

Managementul care se bazează pe modelul prototipului are de luat decizii dificile de-a lungul întregului ciclu de viață.

Deși capabilitățile mediului Delphi  permit realizarea unor aplicații utilizând, esențial, doar click-ul de mouse, adevăratele aplicații presupun, încă, efort de programare pentru rezolvarea unor probleme specifice acestora. Limbajul prin intermediul căruia se face inserția de comportament specific în aplicațiile Delphi este limbajul Object Pascal.

Delphi este, în felul lui, un mediu de dezvoltare mamut care permite o deschidere aproape totală către toate capabilitățile specifice aplicațiilor Windows (aplicațiile grafice, aplicațiile multimedia, locale sau în rețea).

Un motiv important în alegerea mediului Delphi pentru a face programare vizuală il reprezinta ușurința învățării protocoalelor de dezvoltare asistată a aplicațiilor Delphi, comparativ cu alte medii (Visual Basic sau Visual C++).

Delphi devine un  instrument ideal pentru aplicarea în practică a paradigmei RAD (Rapid Applications Development). Delphi este o platformă care permite rezolvarea multor probleme a căror soluție se bazează pe construirea unor versiuni sau componente simplificate ale sistemului soft propus, care pot fi analizate înainte de a se continua dezvoltarea.

Mediului vizual de programare Delphi este recunoscut si pentru accesibilitatea și eleganța soluțiilor pe care le propune pentru realizarea de aplicații Windows, în principal.

Un limbaj de programare vizuală permite programare cu expresii vizuale și aranjamente vizuale. Limbajul DELPHI conține mai multe componente soft care lucrează cu diversele plăci, numite DRIVERE. În funcție de placa grafică gasită, se încarcă un driver sau altul. Acestea se găsesc în fișierele cu extensia .BGI. Astfel, există drivere CGA, VGA etc. odată ales un driver se alege modul de lucru: în unele moduri de lucru avem o rezoluție mai bună ( se reprezintă mai multe puncte pe ecran) dar avem mai puține culori și se pot reține mai puține pagini video ( informația referitoare la imaginea conținută pe ecran), în altele avem o rezoluție mai proastă dar putem reprezenta un desen utilizând mai multe culori și putem reține mai multe pagini video. Un mod de lucru este un compromis între numărul de culori, rezolutie și numărul de pagini video.

3. Exemplu de clădire rezidențială independent energetic cu dotări de tip inteligent

Independența energetică poate fi realizată pentru locuințe individuale folosind energia vântului și energia solară ca surse regenerabile de energie. Sursele regenerabile de energie se referă la forme de energie rezultate din procese naturale regenerabile, la care ciclul de producere are loc în perioade de timp comparabile cu perioadele lor de consum. Vantul și Soarele sunt surse de energie nepoluantă.

Fig. 3.1 Rezidență indendependent din punct de vedere enegretic

3.1 Energia eoliană

Condițiile naturale favorabile pentru valorificarea resurselor de energie eoliana sunt legate de viteza vântului și anume vânt constant cu viteza între 6-10 m/s.

O turbină eoliana este o mașina rotativa care convertește energia cinetică a vântului în energie mecanică de rotație. Dacă energia mecanică obținută este transformată în energie electrică, atunci se numește generator eolian. Generatoarele eoliene sunt montate la înălțime (cu ajutorul unui catarg) și au palele elicei îndreptate spre vânt cu ajutorul unei aripi. Generatoarele de putere mare, însă, sunt rotite cu ajutorul unui motor comandat de un senzor de vant.

Fig. 3.1.1 Turbina eoliană prototip virtual Fig. 3.1.2 Turbină eoliană

Din cauza vitezei vântului variabile, majoritatea generatoarelor folosesc o cutie de viteze pentru a amplifica turația palelor elicei, deoarece generatorul electric lucrează la turații mari.

3.2 Energia solară

Prin energie solară  se înțelege energia care este direct produsă prin transferul energiei luminoase radiată de soare în alte forme de energie. Deși energia solară este regenerabilă și ușor de produs, problema principală este ca soarele nu oferă energie constant pe parcursul unei zile, în funcție de alternanță zi-noapte, condiții meteo, anotimp.

Instalațiile solare sunt de 2 tipuri: termice și fotovoltaice. Cele fotovoltaice produc direct energie electrică. O casă care are la dispoziție ambele instalații solare (cu panouri fotovoltaice și termice în vid) poate fi  considerată independentă energetic (deoarece energia acumulată ziua în baterii este apoi trimisă în rețea și utilizată după necesități).

Panourile solare produc energie electrică cca. 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore) alimentând consumatorii și încărcând în același timp acumulatorii.

Instalațiile solare funcționează chiar și atunci când cerul este înnorat. De asemenea sunt rezistențe la grindină (în cazul celor mai bune panouri).

Cu ajutorul panourilor solare cu o eficiență ridicată se poate acoperi până la 35% din necesarul anual de energie pentru prepararea apei calde menajere și încălzire. Toate sistemele de încălzire pot fi utilizate în combinație cu panouri solare.

Colectorii solari (panourile solare plane) sunt ideali pentru asigurarea energiei electrice necesare alimentării sistemelor de automatizare.

Au fost făcute deja progrese în ce privește celulele și panourile solare. Totuși, acestea funcționează la parametri optimi când sunt poziționate la unghiuri potrivite față de soare. Această situație este realizabilă la latitudinile noastre numai dacă panourile solare sunt rotite după soare.

Fig. 3.2.1 Prototip virtual panou fotovoltaic

3.3 Orientarea colectorului fotovoltaic

Soluția tehnică constă în realizarea unei mișcări complexe a colectorului termic solar, de urmărire, cât mai apropiată, a poziției soarelui pe bolta cerească, prin utilizarea unor mecanisme cu acționare electrică, atât pentru realizarea mișcării diurne de la est la vest (unghiul orar), cât și pentru realizarea mișcării de ridicare pe cer a soarelui (unghiul de elevație), în scopul maximizării energiei solare captate la funcționarea la sarcină termică maximă.

Prin utilizarea unui colector solar termic pliabil, acționat de un mecanism electro-hidraulic special, se poate modifica unghiul de incidență al razelor solare, în funcție de sarcina termică, respectiv, consumul de apă caldă.

Funcționarea sistemului de orientare a colectorului solar se face pe baza unor programe informatice speciale care comandă mecanismul de realizare a unghiului de elevație (MME) și mecanismul de realizare a unghiului orar/diurn (MMD), elaborate pe specificul lunilor și/sau anotimpurilor.

Partea specifică și originală a funcționării colectorului solar constă în faptul că, prin mecanismul de pliere al colectorului (MPC) și mecanismul de realizare a unghiului de elevație (MME), ambele lucrând în buclă închisă, se poate controla temperatura agentului termic, în funcție de mărimea sarcinii termice și chiar evitarea supraîncălzirii acestuia.

Prin compararea, în sistemul de automatizare, a temperaturii la boilerul instalației de încălzire, dată de un sesizor de temperatură (ST1) și temperatura la ieșirea din colectorul solar termic (CSTP), dată de acest sesizor de temperatură (ST2), cu o valoare prescrisă, se obtine un semnal de eroare care poate fi folosit în sensul că, în zona temperaturilor mari (ex.: peste 60o C) la o anumită temperatură, să corespundă unui anumit unghi de pliere, la temperatură maximă (ex. 90o C) să se comande închiderea maximă a semi-panourilor colectorului pliabil, iar la mecanismul de realizare a unghiului de elevație (MME) să se comande anularea completă a acestuia.

În acest fel, prin modificarea substanțială a unghiului de incidență a razelor solare pe suprafața de captare a colectorului pliabil se produce o reducere substanțială a cantității de căldură absorbită de colectorul solar, controlându-se, astfel, temperatura agentului termic, iar prin comanda de închidere/pliere completă a colectorului și de anulare a unghiului de elevație, se evită supraîncălzirea agentului, în lipsa sarcinii termice, respectiv a consumului de apă caldă.

Prin utilizarea panourilor pliabile se poate controla mai bine diferența dintre energia termică livrată de colectoarele termice solare și sarcina termică reală.

Sistemele de orientare (trackere) bazate pe actuatoare electrice liniare sau rotative conferă posibilități deosebite de automatizare și flexibilizare a regimurilor de lucru, în scopul urmăririi mișcării aparente a soarelui și contribuie astfel la creșterea eficienței energetice a panourilor termice solare.

În raport este prezentat un nou tip de colectoare solare termice, care sunt acționate de sisteme / trackere cu acționare electro-hidraulică sau pur electrica avand în vedere masa inerțiala relativ redusă.

Soluția tehnică adoptată a evidențiat posibilitățile de utilizare a mijloacelor de orientare (trackere) pentru panouri termice, concepute pe baza de acționare electro-hidraulică.

Eficiența unui sistem de panou solar poate fi îmbunătățită dacă panourile “urmăresc”Soarele și rămân pe cât mai mult posibil în cel mai favorabil unghi de incidență.
Circuitul necesar este relativ simplu. El folosește un comparator cu fereastră care menține motorul de comandă nefolosit atâta timp cât cele două LDR-uri (Light-Dependent Rezistor/fotorezistențe) sunt supuse aceluiași grad de iluminări. În această situație, jumătate din tensiunea de lucru este aplicată la intrarea neinversoare a lui A1 și la intrarea inversoare a lui A2. Când se schimbă poziția soarelui, iluminarea ce influențează LDR-urile R1 și R2 este diferită dacă formează între ele un unghi ca acela din fig. 2. In acest caz, tensiunea de intrare pentru comparatorul cu fereastră nu mai este jumătate din tensiunea de alimentare.

4. Utilizarea microcontrolerelor în instalațiile de poziționare

4.1 Exemplificare prin folosirea Microcontrollerului PIC16F874

4.1.1. Descriere generală

PIC 16F8XX este un grup în familia microcontrollerelor PIC16CXXX, caracterizat prin costuri reduse, performanțe înalte, structură de tip CMOS și operare statică. Toate aceste microcontrollere folosesc arhitectura de tip RISC (Reduced Instruction Set Computing).

Caracteristic pentru această familie este arhitectura internă în care bus-urile de instrucțiuni și de date sunt separate, cel de instrucțiuni cu lărgime de 14 biți, iar cel de date cu lărgimea de 8 biți. Această arhitectură permite execuția într-un singur ciclu mașină al instrucțiunilor cu excepția ramurilor de program care necesită două cicluri. Sunt disponibile un număr total de 35 de instrucțiuni. O altă caracteristică importantă pentru dezvoltarea de aplicații este existența a două tipuri de memorie program pentru același tip de circuit. Primul tip de memorie este de tip FLASH și permite scrierea ei de un număr foarte mare de ori, facilitate utilă în dezvoltarea de aplicații. Al doilea tip este o memorie CMOS inscriptibilă o singură dată, utilă pentru lucrul în serie de produse cu aplicație. Caracteristica de bază a acestui microcontroller este reprogramarea electrică a acestuia de un număr infinit de ori.

4.1.2 Caracteristici principale:

• frecvența maxima de operare 20MHz

• memoria program (FLASH) 8KB

• memoria de date (RAM) 368B

• memoria de date EEPROM 256B

• întreruperi 14

• porturi intrare – ieșire 5 (A,B,C,D,E)

• timer-e 3

• module captură / comparare / PWM 2

• interfață serială USART, MSSP

• interfață paralelă PSP (parallel slave port)

• convertor analog – digital (10biți) 8 canale de intrare

• set de instrucțiuni 35 instrucțiuni (RISC)

Microcontrollerul conține o unitate aritmetică logică ALU de 8 biți și un registru de lucru. ALU efectuează funcții aritmetice și booleene între datele din registrul de lucru și oricare alt registru. Registrul de lucru este notat cu w. Acumulatorul nu este un registru adresabil. În funcție de instrucțiunea executată, unitatea aritmetico logică (ALU) afectează valorile biților CARRY (C), DIGIT CARRY (DC) și ZERO (Z) din registrul de stare (STATUS).

Microcontroller-ul PIC16F874 este disponibil într-o capsulă de 40 pini:

Fig. 4.1.2. Diagramă microcontroler

Tabel 4.1.1 Tabel pini microcontroller

I – intrare; O – ieșire; I/O – intrare/ieșire; TTL – intrare TTL; TS – intrare Trigger Schmitt (cu histerezis); P – alimentare (power)

4.1.3 Schema bloc a microcontroller-ului

Fig. 4.1.3.1 Schema bloc a microcontroller-ului

Organizarea memoriei de date

4.1.4 Descriere generală

Memoria de date este organizată în 4 bancuri. Selecția bancului cu care se lucrează se face cu ajutorul biților RP1 și RP0, aparținând registrului STATUS, al regiștrilor SFR. Fiecare banc este împărțit în două zone: prima zonă este alocată regiștrilor cu funcțiuni speciale (SFR), în timp ce a doua zonă este alocată regiștrilor cu funcțiuni generale (GFR).

Tabel 4.1.2

Primele locații din fiecare banc sunt rezervate regiștrilor cu funcții speciale (SFR):

• 00h 1Fh pentru bancul 0 (32octeți)

• 80h 9Fh pentru bancul 1 (32octeți)

• 100h 10Fh pentru bancul 2 (16octeți)

• 180h 18Fh pentru bancul 3 (16octeți)

Ei sunt folosiți de PC și periferice pentru a controla diferite operații.

Restul memoriei de date este alocată regiștrilor de uz general:

• 20h 7Fh pentru bancul 0 (96octeți)

• A0h EFh pentru bancul 1 (80octeți)

• 110h 16Fh pentru bancul 2 (96octeți)

• 190h 1EFh pentru bancul 3 (96octeți)

Regiștri din memoria de date sunt implementați fizic ca memorie RAM statică (bistabili).

4.1.5 Memoria EEPROM

Microcontroller-ul PIC16F874 are 256B de memorie reprogramabilă electric (EEPROM). Această memorie este necesară atunci când se dorește păstrarea unor valori și după ce cip-ul nu mai este alimentat, însă are următoarele dezavantaje:

– memoria nu este direct adresabilă, fiind nevoie a se lucra indirect, prin șase regiștri din SFR (EECON1, EECON2, EEDATA, EEADR, EEDATH, EEADRH).

– are o latență mult mai mare decât memoria RAM

Registrul EEDATA păstrează 8 biți de date pentru citire / scriere, iar registrul EEADR păstrează adresa de la locația EEPROM – ului. La scrierea unui cuvânt în memorie se șterge automat locația și se scrie noua dată (se va șterge înainte de scriere), iar timpul de scriere este controlat de un “timer”.

Registrul EECON1 este registru de control cu cinci biți mai puțini semnificativi, implementați fizic, iar cei mai semnificativi trei biți, nu există, fiind citiți ca zero.

Registrul EECON2 nu este un registru fizic. El este utilizat exclusiv în secvențe de scriere a memoriei de date EEPROM

Citirea memoriei de date EEPROM

Pentru a citi o locație a memoriei de date EEPROM, utilizatorul trebuie să scrie adresa în registrul EEADR și apoi să seteze pe 1 bitul RD (EECON1<0>) (RD=1 inițializarea citirii în EEPROM). EEDATA va păstra valoarea până la o nouă citire sau până este scrisă de către utilizator (de-a lungul operației de scriere).

Exemplu:

BCF STATUS, RP0

BSF STATUS, RP1 ;bancul 2 de regiștri

MOVLW adresa ;adresa de la care citesc

MOVWF EEADR

BSF STATUS, RP0 ;bancul 3 de regiștri

BCF EECON1, EEPGD

BSF EECON1, RD ;pornesc operația de citire din EEPROM

BCF STATUS, RP0 ;bancul 2 de regiștri

MOVF EEDATA, w

Scrierea memoriei de date EEPROM

Pentru a scrie o locație a memoriei de date EEPROM, utilizatorul trebuie să scrie adresa în registrul EEADR și data în registrul EEDATA. Apoi utilizatorul trebuie să urmeze niște secvențe speciale pentru a inițializa, scrierea, pentru fiecare bit.

Exemplu:

BSF STATUS, RP0

BSF STATUS, RP1 ;bancul 3 de regiștri

TEST

BTFSC EECON1, WR ;aștept să se încheie ciclul anterior de scriere

GOTO TEST

BCF STATUS, RP0 ;bancul 2 de regiștri

MOVF adresa_eeprom, w

MOVWF EEADR

MOVF data_eeprom, w

MOVWF EEDATA

BSF STATUS, RP0 ;bancul 3 de regiștri

BCF EECON1, EEPGD

BSF EECON1, WREN

MOVLW 0x55

MOVWF EECON2

MOVLW 0xAA

MOVWF EECON2

BSF EECON1, WR

BCF EECON1, WREN

BCF STATUS, RP0

BCF STATUS, RP1 ;bancul 0 de regiștri

Observație : adresa_eeprom și data_eeprom sunt doi regiștri de uz general din bancul 2 unde scriu adresa, respectiv data care trebuie scrisă în memoria EEPROM.

Porturile de intrare / ieșire

PIC16F874 are cinci porturi: PORTA, PORTB, PORTC, PORTD și PORTE

PORT A

PORTA este bidirecțional și are 6 biți. Selectarea intrare/ieșire se face setând respectiv resetând în registrul TRISA biții corespunzători portului. Intrările portului A, cu excepția RA4, pot fi configurate și ca intrări analogice, portul A fiind asociat cu un convertor analog – digital.

Funcționarea portului A:

Regiștri asociați portului A:

Exemplu:

CLRF PORTA ; inițializarea portului A

BSF STATUS, RP0 ; selectăm bancul 1

MOVLW 0X0F; w 00001111

MOVWF TRISA ; setăm RA<3 :0> ca fiind intrări și RA<5 :4>; ca fiind ieșire.

Întotdeauna TRISA< 7: 5 > sunt citite ca fiind pe zero.

PORT B

PORTB este un port bidirecțional pe 8 biți. Registrul corespunzător direcției datelor este TRISB. Un 1 pe oricare din biții registrului TRISB, pune ieșirea corespunzătoare în modul de lucru de înaltă impedanță, setând bitul ca bit de intrare. Intrarea este de nivel TTL, iar ieșirea de tip CMOS. Biții RB4 RB7 pot genera întreruperi la schimbarea stării.

Funcționarea portului B:

Regiștri asociați portului B:

PORT C

PORTC este un port bidirecțional pe 8 biți. Registrul corespunzător direcției datelor este TRISC. Un 1 pe oricare din biții registrului TRISC, pune ieșirea corespunzătoare în modul de lucru de înaltă impedanță, setând bitul ca bit de intrare.

Funcționarea portului C:

Regiștri asociați portului C:

PORT D

PORTD este un port bidirecțional pe 8 biți. Registrul corespunzător direcției datelor este TRISD. Un 1 pe oricare din biții registrului TRISD, pune ieșirea corespunzătoare în modul de lucru de înaltă impedanță, setând bitul ca bit de intrare. Portul D poate fi folosit și ca port paralel.

Funcționarea portului D:

Regiștri asociați portului D:

PORT E

PORT E este un port bidirecțional pe 3 biși. Registrul corespunzător direcției datelor este TRISE. Un 1 pe oricare din biții registrului TRISE, pune ieșirea corespunzătoare în modul de lucru de înaltă impedanță, setând bitul ca bit de intrare. Portul E poate fi folosit și ca port de control atunci când portul D este folosit ca port paralel.

Funcționarea portului E:

Regiștri asociați portului E:

4.1.6 Programarea microcontroller-ului PIC16F874

Pentru scrierea programului în microcontroller este nevoie o interfață hardware specializată și o interfață software care să o controleze. Interfața hardware se conectează la calculator (PC), în funcție de tipul ei, pe un port serial, paralel sau USB. Ca interfață software se folosește un program specializat (Pony Prog, PICSTART Plus, PRO MATE 2, etc.).

Setul de instrucțiuni

Microcontroller-ul PIC16F874 poate fi programat folosind un set de 35 de instrucțiuni (limbaj de asamblare). Fiecare instrucțiune este codificată pe 14 biți.

Cele 35 de instrucțiuni se împart în 3 categorii:

• instrucțiuni la nivel de octet (byte)

• instrucțiuni la nivel de bit

• instrucțiuni literale și de control

d=0 → destinația este w

d=1 → destinația este f

Procesul de încetinire a vitezei

Dacă rezultatul obținut este mai mare microcontrolerul scade curentul trimis motorului și astfel se micșorează viteza.

Procesul de mărire a vitezei

Dacă rezultatul obținut în urma comparării este mai mic, microcontrolerul crește curentul transmis motorului și astfel se realizează creșterea vitezei.

Ambele decizii, atât cea de creștere a vitezei cât și cea de micșorare sunt luate de variabila change.

Secvență program:

;– control to low speed –

movfw CCPR1L ;Read CCPR1L register

addlw change ;Change value + CCPR1L

btfss STATUS,C ;Overflow ?

movwf CCPR1L ;No. Write CCPR1L

goto led_cont ;Jump to LED control

check1

btfsc STATUS,Z ;Reference = Detect ?

goto led_cont ;Yes. Jump to LED control

;– control to fast speed –

movlw change ;Set change value

subwf CCPR1L,f ;CCPR1L – Change value

btfsc STATUS,C ;Underflow ?

goto led_cont ;Jump to LED control

clrf CCPR1L ;Set fastest spee

; END of DC motor speed controller

End

4.2 Arduino

4.2.1 Introducere în arduino

Dezvoltarea aplicațiilor care au la bază un microcontroler a crescut in ultimul timp, tocmai datorită introducerii de noi platform integrate.

Arduino este o platformă utilizată pentru a programa o serie de microcontrolere din familia Atmel . Acesta poate fi conectat la orice port USB al orcărui calculator sau chiar la telefon prin intermediu unui adaptor USB/mini USB. Platforma este folosită pentru dezvoltarea de aplicații interactive. Avand avatajul costului redus al componentelor, faptul că poate fi folosit pe orice sistem de operare, dar si faptul ca nu ai nevoie de foarte multe piese hardware pentru a începe să programezi, aceasta platform a devenit foarte populară.

Programarea se face cu ajutorul unui limbaj de programare asemănător limbajului C, utilizându-se software-ul Arduino IDE (Integrated Development Environment). În momentul în care informația este preluată de la o gamă variata de elemente de intrare (senzori și comutatoare) , este procesată în interiorul microcontrolerului și este transmisă către o gamă la fel de variată de elemente de ieșire : leduri, motoare, acuatoare, etc. Așadar Arduino poate ușor interacționa cu butoane, motoare, LED-uri, senzori de mișcare, display-uri, camera video, senzori de proximitate, module GPS/GPRS, module Bluetooth, permițând utilizatorului să experimenteze o gamă mare de proiecte. Arduino este un proiect Open Source și Open Hardware, astfel, schemele și diagramele sunt publice online și oricine are dreptul legal de a produce și de a comercializa plăci compatibile.

4.2.2 Arduino UNO

Arduino UNO reprezintă una dintre cele mai bune plăci de dezvoltare pentru cei care doresc să învețe electronică și programare pe microcontrolere. Acest modul de dezvoltare este considerat cel mai robust, cel mai utilizat si documentat, fiind si primul din seria plăcilor de dezvoltare cu conexiune USB produse de Arduino.

Deoarece există mai multe variante de placi Arduino , cum ar fi: Mega, Diecimila, Mini, UNO, etc, am ales Arduino UNO R3 fiind una dintre cele mai noi. Principalele caracteristici placii UNO R3:

• Microcontrolerul ATMEGA328P

• 6 intrări analogice

• 14 intrări digitale/pini de ieșire ( 6 pot fi utilizate ca ieșiri PWM)

• oscillator cu quartz de 20 MH

• mufa ICSP

• Alimentare jack, conexiune USB

• Lucreaza la 5V

Dintre pinii prezentați pe placă unii au funcții specializate :

• Comunicație serială: pinii 0 (RX) si 1 (TX). Utilizați pentru a transmite și recepționa date TTL seriale. Aceștia sunt conectați la pinii corespunzători adaptorului USB-TTL.

• Întreruperi externe: pinii 2 și 3. Pot fi setați să genereze o întrerupere pe nivel de Low si High, pe front crescător sau descrescător, sau la schimbarea valorii.

• PWM: pinii 3, 5, 6, 9, 10 . Utilizați pentru a furniza un semnal de 8 biți, modulat în frecvență.

• Comunicație SPI: pinul 10 (SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Acești pini suportă comunicația SPI.

• LED 13: este un led conectat la pinul digital 13.

• Interfață I2C: pimii 18 (SDA) și 19 (SCL) pot fi folosiți pentru această interfață de comunicație.

•Intrări analogice : notate cu A0 – A5, permițând o conversie pe 10 biți.

Plăcile Arduino UNO au în componență un fuzibil resetabil, care protejează portul USB al calculatorului de scurtcircuite sau sarcini mai mari de current. Majoritatea calculatoarelor au porturi cu astfel de protecție , acesta crește gradul de protecție al portului USB. În momentul în care un curent mai mare de 500 mA este aplicat pe port, fuzibilul oprește conexiunea/portul până în momentul în care scurtul este eliminat.

Figura 4.2.2.1 Arduino UNO R3

Caracteristicile microcontrolerului ATMEGA328P sunt prezentate in tabelul 3. 1

Tabelul 4.2.1 Caracteristicile microcotrolerului ATMEGA328P

Figura 3.2.1 Secvență din codul utilizat.

3.2 PROIECTAREA SOFTWARE-ULUI

3.2.1 Dispozitivul Arduino Uno pe post de programator ISP ( In Circuit Programming)

Modulele sistemului proiectat au toate la bază câte un microcontroler ATmega328, fiecare programat cu ajutorul programatorului Arduino Uno.

Pentru realizarea acestui proiect s-au utilizat microcontrolerul ATmega328P , cipurile fiind creeate de compania Atmel. Acest tip de microcontroler pe 8 biți, de înaltă performanță, aparține seriei AVR cu 4 pana la 32 biți programabili.

Niciun alt microcontroler nu oferă mai multa performantă de calcul cu eficiență energetică mai bună. Optimizat pentru fi lansat rapid în dispozitivele de pe piață, aceste cip-uri se bazează pe cele mai eficiente arhitecturi create pentru limbajele de programare C și Assembler. Nucleul AVR (Fig.3.2.a) combină o instrucțiune bogată cu un set de 32 registre de uz general. Toate 32 de registre sunt conectate direct la Unitatea Aritmetică și Logică (ALU), permițând ca două registre independende să fie accesate într-o singură instrucțiune executată într-un singur ciclu de ceas. Arhitectura rezultată este mult mai eficientă pentru programare realizând o viteză de calcul de 10 ori mari mare decât microcontrolere CISC.

3.2.a Diagrama Bloc a microcontrolerului ATmega328 [16]

Câteva caracteristici legate de microcontrolerul ATMEGA328p:

●Are o arhitectură avansată RISC (Reduced Inscruction Set Computing), cu 131 de instrucțiuni puternice, o singură execuție cu ciclu de ceas, 32 x 8 registre funcționale în uzul general de lucru, până la 20 de MIMP (Milioane de instrucțiuni pe secundă.

●Are în componență 3 timere, 2 timere pe 8 biți cu scalator și comparator separat și un timer/counter pe 16 biți cu prescalator, comparator separat și mod de captură. Dispune de asemenea de comunicația USART, Interfață serială , port serial SPI , ADC cu 6 canale pe 10 biți, Watchdog Timer programabil cu oscilator intern și 5 moduri selectabile din soft pentru diminuarea consumului de energie.

●Tensiunea de operare este între 1.8 V – 5.5 V iar intervalul de temperatură: de la 40 °C pana la 85 °C. Are 1Kb EEPROM. [16]

Dispozitivul este fabricat folosind tehnologia Atmel cu memorie nevolatilă. Atmega328P este un microcontroler puternic care oferă o soluție eficientă extrem de flexibilă și de cost redus pentru multe aplicații de control embedded. ATmega328 este susținut de o suită completă de programe și cu instrumente de dezvoltare a sistemului inclusiv: compilatoare C, asamblori Macro, Programe Debugger / Simulare. Microcontrolerele ATmega difera doar in dimensiunea memoriei , suportul de boot loader și dimensiunea vectorului de intrerupere.

Am utilizat acest microcontroler deoarece oferă performanțe ridicate(Fig.3.2.b) și în același timp si rezultate mai bune circuitului din acest proiect. Motivul pentru care s-au ales 3 microcontrolere și nu doar unul a fost deoarece s-a dorit creare unui sistem modular care conține dispozitive programate și independente pentru fiecare modul.

Fig.3.2.b Compararea performantețor celor 3 microconctrolere cu ATmega328P

Pentru a programa microcontrolerele din seria AVR de pe fiecare modul al locuinței am folosit dispozitivul Arduino Uno pe post de programator ISP ( In Circuit Programming). Alimentand dispozitivul prin USB la 5V se selectează și încarcă din librăria programului, sketch-ul ArduinoISP(Fig.4.1) pe dispozitiv. Pe urmă, este necesară scrierea bootloader-ului pe microcontroler.

Fig. 4.1 Sketch-ul ArduinoISP

S-a ales această opțiune pentru a evita consturile suplimentare prin achizitionarea unui dispozitiv special, destinat în special programarii microcontrolerelor (ex. Programatorul Arduino ISP ). Pasul cel mai important îl reprezintă conectarea pinilor programatorului, în cazul acesta Arduino Uno, la micrcontrolerul dorit ce urmează a fi programat. S-au realizat conexiunele (Fig.4.2) în felul următor:

-Pinul 10 al programatorului la pinul Reset (RST) al microcontrolerului

-Pinii 11,12,13 la pinii 11,12,13 ai microcontrolerului

-Alimentarea (VCC 5 V) din programator la VCC-ul microcontrolerului

-GND la GND

Circuitul care urmează a fi programat se poate alimenta și cu o sursă externă, în afara de cea venind de la programatorul Arduino Uno. În cadrul proiectului, prin alimentarea modulului la o baterie de 9 V și prin prezența regulatorului de tensiune, care va obține un curent de 5 V la ieșire ofera opțiunea utilizatorului de a alege de unde se va face alimentarea circuitului, ambele având aceași tensiune. Pentru a testa codul care urmează a fi încărcat pe modulul propriu-zis al camerelor, pe lângă cele 3 module, s-a realizat un modul de teste.

Fig. Conectarea pinilor programatorului la modulul de teste

Prezentarea mediului de programare

Plăcile de dezvoltare Arduino pot fi folosite pentru a dezvolta obiecte de sine stătătoare interactive sau pot fi conectate la un calculator pentru a prelua sau pentru a trimite date și apoi să acționeze pe baza acestor date (exemplu: se pot trimite datele obținute de un senzor pe Internet).

Pentru programare se va utiliza Arduino IDE (Integrated Development Environment), care este un soft oferit gratuit de Arduino pentru a permite programarea microcontrolerului în limbajul de programare al acestuia.

Limbajul de programare Arduino se bazează pe “Wiring”, o platformă de calcul fizic similară, care se bazeaza pe mediul de programare de procesare multimedia. Pe scurt, limbajul pe care Arduino îl foloseste este C.

Arduino IDE permite scrierea programului pe calculator, care este format dintr-un set de instrucțiuni pas cu pas care se încarcă apoi în Arduino. După încărcarea programului propriu-zis pe placa de dezvoltare, Arduino va efectua instrucțiunile date și va interacționa cu mediul. Arduino numește aceste programe “Sketches” (schițe). Un mediu de dezvoltare (en: Integrated Development Environment) este un set de programe care ajută programatorul în scrierea programelor. Un mediu de dezvoltare combină toți pașii necesari creării unui program (editarea codului sursă, compilarea, depanarea, testarea, generarea de documentație) într-un singur soft care, de regulă, oferă o interfață grafică prietenoasă.

Principalele componente ale unui mediu de dezvoltare sunt editorul de cod sursă și debugger-ul. Pentru a începe, se deschide fisierul arduino.exe din directorul:\arduino\arduino.exe

Există mai multe variante de plăci de dezvoltare Arduino, cum ar fi: Mega, Diecimila, Duemilanove, Mini, Nano si chiar Bluetooth Arduino, cele mai noi produse fiind Arduino UNO si Arduino MEGA 2560 [8].

Codul creat se află în prima etapă în editorul IDE-ului dar nu și în controler.

Pasul următor va necesita compilarea codului și scrierea lui în Arduino.

Compilarea este procesul prin care mediul de dezvoltare transformă codul C într-un cod pe care Arduino îl poate executa.

Scrierea codului în controler se face prin funcția de upload și presupune urcarea codului compilat din calculator în flash-ul microcontrolerului.

Pentru a realiza acești doi pași trebuie precizat IDE-ului ce port serial a fost utilizat, din meniul Tools>Serial Port (ex: COM3) și care este modelul plăcii conectate din meniul Tools>Boards (ex: Arduino Uno). Pasul final constă în încărcarea programului pe placă: File>Upload.

În cazul în care s-a folosit dispozitivul pe post de programator se utilizează comanda Upload as Programmer. Daca încărcarcarea a reușit și nu s-a întâmpinat nicio eroare înseamnă că programarea microcontrolerului a avut succes.

Funcția void setup (Fig. 4.1.1.) este o funcție apelată automat la pornirea programului și este folosită pentru definirea de variabile, încărcarea bibliotecilor etc.

Funcția pinMode definește pinul 13 ca fiind un pin digital de ieșire. Pinul 13 are la majoritatea plăcilor Arduino conectat un led.

Fig. Exemplu de cod Blink din Arduino

Funcția loop este funcția principală ce va fi rulată de controler la infinit. Aici se pune codul C principal.

Funcția digitalWrite va scrie pe portul 13 valoarea High, ceea ce va determina controlerul să aplice acelui prin tensiunea de 5 volți și în consecință aprinderea ledului integrat.

Funcția delay, forțează controlerul să facă o pauză de 1000 milisecunde, adică de o secundă, timp suficient pentru a observa ledul aprins. În acest caz controlerul va scoate pe pinul 13 valoarea de 0 volți, stingând ledul. După o nouă pauză de o secundă, codul programului se va termina, iar controlerul va apela din nou funcția loop.

5. Platformă funcțională de ghidare și orientare a panourilor fotovoltaice

Utilizarea surselor de energie regenerabilă a impus dezvoltarea continuă a tehnologiilor de fabricare și implementare a sistemelor de conversie a energiei regenerabile în vederea identificării unor soluții caracterizate prin eficiență ridicată, costuri reduse, fiabilitate, adaptabilitate la condițiile de implementare. De aceea, și în Romania s-au derulat o serie de proiecte la nivel național pentru dezvoltarea tehnologiilor de captare a energiei solare fotovoltaice și termice, care aduc avantaje economice deosebite utilizatorilor.

In vederea promovarii de tehnologii avansate și echipamente specifice panourilor solare si în scopul folosirii surselor de energie regenerabilă propunem amplasarea de panouri solare fotovoltaice de captare a energiei solare și prezența unelor sisteme electro-hidraulice utilizate pentru acționarea/automatizarea dispozitivelor de orientare (solar tracking systems), folosite în construcția echipamentelor fotovoltaice de conversie a energiei solare direct în energie electrică sau a panourilor solare amplasate pe o clădire rezidențială. În proiect se prezintă unele soluții tehnice noi de sisteme/dispozitive de orientare bazate pe acționarea electrică cu servomotoare de c.c. comandate în regim pas cu pas. Soluția proiectată și realizată sub forma de machetă funcțională permite optimizarea regimurilor de lucru, în scopul creșterii eficienței captării energiei solare.

Pentru promovarea producerii energiei din surse regenerabile- ponderea energiei electrice produse din aceste surse, în totalul consumului brut de energie electrică, va fi de 38-40 % în anul 2020.

Sistemele fotovoltaice, bazate pe panouri fotovoltaice (PV), convertesc direct energia solară în energie electrică care, mai întâi, este stocată și, abea apoi, consumată. Pentru eficientizarea energetică a panourilor fotovoltaice este nevoie prezența unor sisteme de orientare/ghidare numite trackere, care maximizează cantitatea de energie solară captată.

Un subansamblu specific al panourilor fotovoltaice solare mobile îl reprezintă sisteme automate de orientare (mono-axial sau bi-axiale), care reglează poziția panoului solar, urmărind mișcarea aparentă a soarelui în timpul zilei. De regulă, acționarea panourilor solare se face cu sisteme /trackere electrice.

5.1 CAPTAREA OPTIMĂ A ENEGIEI/RADIAȚȚIEI SOLARE

Soarele este sursa vieții de pe Pământ. Pământul captează aproximativ 2,8·1021 kJ din radiația solară totală emisă. Radiația directă, receptată la nivelul suprafeței terestre, este influențată de gradul de acoperire al cerului cu nori. Un alt factor important care influențează intensitatea radiației solare este poziția relativă a elementului/panoului de captare a energiei solare.

Utilizarea potențialului energetic solar, se realizează prin sisteme solare termice și prin sisteme fotovoltaice (conversia fotovoltaică). Sistemele solare se utilizează pentru producerea căldurii și a apei calde menajere pentru locuințe individuale și centralizat de mică putere. Pentru utilizarea cu eficiență ridicată a energiei solare, se recomandă ca aceste sisteme să funcționeze în regim hibrid, împreună cu alte sisteme termice convenționale sau neconvenționale.

Poziția soarelui este dată cu referire la unghiul de azimut (a) și unghiul de elevație (alfa). Pentru a determina poziția panoului/colectorului energiei/radiației de la soare, astfel încât randamentul să fie maxim.

Pentru a determina poziția panoului/colectorului energiei/radiației solare, astfel încât randamentul să fie maxim, următoarele unghiuri sunt importante: θz – unghiul zenital și solar γs unghiul de azimut. În figura 5.1.1, γs este unghiul de azimut solar, α unghiul de elevație a soarelui, θz unghiul zenital și unghiul orar ω.

Fig. 5.1.1 Unghiurile principale ale traiectoriei soarelui pe cer

Sistemele automate de ghidare/orientare/urmărire (mono-axiale sau bi-axiale) reglează poziția panourilor solare, urmărind mișcarea aparentă a soarelui în timpul zilei.

Sisteme de ghidare/orientare utilizate pentru panouri fotovoltaice (PV) trebuie să urmărească mișcarea aparentă a Soarelui și să poziționeze panoul fotovoltaic, în așa fel încât unghiul de incidență al razelor solare să fie de aproape 90°, pentru ca fluxul de energie solară, captată de panou, să fie unul maxim.

Pentru a crește eficiența colectării radiațiilor solare, prin orientare în direcția Soarelui, au fost dezvoltate diferite mijloace de orientare, prin utilizarea mecanismelor uniaxiale, biaxiale și chiar triaxiale, bazate pe sisteme electrice, utilizate atât pentru orientarea sistemelor solare fotovoltaice, cât și pentru cele termo-solare.

Optimizarea orientării diurne a colectoarelor solare este o problemă deosebită, care conduce la proiectarea și realizarea de sisteme mecatronice complexe – unde programele informatice si folosirea microcontrolerelor au un rol esențial.

Pentru orientarea după Soare, sunt prezentate atât mecanisme monoaxiale Fig.5.1.2, mai simple și mai robuste, cât și mecanisme biaxiale Fig.5.1.3, mai complicate, dar mai eficiente din punct de vedere energetic.

Fig. 5.1.2 Mecanism de orientare monoaxial

Fig. 5.1.3 Mecanism de orientare biaxial

In scopul creșterii eficienței de captare a energiei solare prin realizarea unor mecanisme de orientare a panourilor cu acționare electrică cu funcționare secvențială, adecvată condițiilor meteogeografice ale locației de implementare.

Radiația solară este valorificată sub formă de energie electrică cu ajutorul unui sistem de colectoare solare plane, pe baza conversiei foto-voltaică, rezultâd energia necesară .

Deoarece eficiența de conversie a energiei solare în energie electrică a unui colector solar fotovoltaic este limitată uzual la valori maxime de cca. 60-75%, s-a utilizat o soluție de creștere a eficienței de captare a radiației solare, prin orientarea după Soare, cu ajutorul unui sistem electro-mecanic monoaxial.

In figura 4.1, se prezintă schema structurală a sistemului electro-mecanic cu orientare monoaxială înclinată (a), cu o latură reglată printr-un actuator electric tip servomotor de c.c., precum și realizarea fizică a unei machete funcționale (b).

(a)

(b)

Fig. 4.2. a, b Sistem monoaxial de orientare panou solar fotovoltaic

Mișcarea diurnă se realizează în jurul unei axe orizontale ce conține articulația bazei , colectorul solar fotovoltaic fiind montat înclinat cu unghiul optim anual al elevației, ρ* = 21°.

În figura 4.2 se prezintă un sistem de orientare cu un actuator de tip motorde c.c. având axul solidar cu un panou solar montat pe un balansier.

Schema structurală este prezentată în figura 4.2 a, iar soluția constructivă în figura 4.2 b.

Sistemul de orientare acționat electric cu servomotor de c.c. cu functionare in regim pas cu pas asigură realizarea unor curse de orientare diurnă mari (≥180°), în condiții de simplitate constructivă și unghiuri de transmitere în limite admisibile (θ>57°). Sistemul permite si orientarea în contra-fază pentru realizarea mișcării diurne a colectorului: de dimineața până la amiază colectorul solar să fie orientat spre est, iar de la amiază până seara să fie orientat spre vest.

Prin utilizarea panourilor solare fotovoltaice mobile și realizarea sistemelor automate de ghidare /orientare /urmărire (mono-axial sau bi-axiale), se poate regla poziția panourilor solare, urmărind astfel mișcarea aparentă a Soarelui în timpul zilei.

In cazul în care la poziționarea panoului sunt necesare forțe și cupluri mari, în sistemele de orientare a panourilor fotovoltaice devine necesară folosirea sistemelor de acționare electro-hidraulică.

5.2 Macheta funcțională pentru panouri fotovoltaice, concepută pe baza de acționare electro-mecanică

Macheta functionala din figura 4.3 este alcătuita dintr-un cadru-suport fix (0), pe care se montează cele 4 subsisteme de bază, și anume:

– un colector solar fotovoltaic (CSFV), motat pe un ax tubular cu racorduri rotitoare ,

– o platformă rabatabilă care se rotește în plan inclnat, prin intermediul unor articulații montate pe cadrul fix și acționat de un servo-motor de c.c. echipat cu reductor mecanic incorporat ;

– placa ARDUINO fixata pe partea inferioară a cadrului-suport;

– un ventilator folosit ca sarcina electrica pentru panoul fotovoltaic

– un surub de realizare a mișcării de elevație;

– un dispozitiv de realizare a mișcării diurne/orare, similar cu cel prezentat în figura 2.2a, acționat,

Structura acestei scheme electro-mecanice de acționare a sistemului de orientare (tracker) este următoarea:

– servomotorul de actionare cu functionare in regim pas cu pas – motat pe diagonala unei punti;

– convertorul static realizat cu tranzistoare complementare;

– un dispozitiv de reglare dedicat ridicarii panoului pe verticală (altitudine);

– un dispozitiv pentru a proteja sistemul de orientare/ghidare împotriva efectului perturbator al vântului.

Dispozitivele incluse într-un sistem de automatizare instalat intr-o cladirere zidentiala

Un sistem de automatizare include mai multe dispozitive și medii de transmitere a semnalelor, printre care cele mai importante fiind:

●Senzorii sunt utilizați pentru măsurarea sau detectarea anumitor carateristici, cum ar fi temperatura, umiditatea, lumina zilei sau mișcarea, fum sau gaze inflamabile. Senzorul este un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ prin propriile mărimi măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui.[3]

Ca parte componentă a unui aparat sau sistem tehnic detector, acesta poate măsura/înregistra de exemplu presiunea, umiditatea, câmpul magnetic, accelerația, forța, intensitatea sonoră, radiații.

Senzorii din (Fig 2.3.1) sunt dispozitive care măsoară o cantitate fizică(masa, presiune, temperatura, umiditate, etc) și o transforma într-un semnal care poate fi citit de către un observator printr-un instrument sau poate fi prelucrat.

Exista mai multe clasificări, una dintre ele se referă la senzori de tip:

-Activ: consumator de energie, de exemplu radar (măsurarea distanțelor prin emitere de radiatii electromagnetice)

-Pasiv: de exemplu fotorezistența cu care se poate măsura intensitatea luminii incidente.

În automatizare, informația calitativă/cantitativa măsurabilă livrată de senzori, după o eventuală amplificare și prelucrare servește la controlul și reglarea sistemelor tehnice automate.

Fig. 2.3.1. Diferiți senzori

Senzorul de lumina

Senzorul de lumina inclus în modulul de urmarire este alcătuit dintr-un fotorezistor și un divizor de tensiune de 1kΩ. Fotorezistorii sunt componente electronice pasive care își modifică rezistența electrică în funcție de intensitatea radiației luminoase incidente pe suprafața fotosensibilă

●Fotorezisțentele (Fig.3.3.8) se pot utiliza atât în curent continuu cât și în curent alternativ. Rezistența ohmica a fotorezistenței scade cu creșterea iluminării. Coeficientul de modificare a rezistenței cu temperatura este scăzut și se micșoreazaă cu creșterea iluminarii. Timpul de răspuns este de ordinul zecilor și sutelor de milisecunde, și anume aproximativ 10 ms pentru fotorezistențele din Cd Se. De altfel, viteza mică de răspuns reprezintă un dezavantaj al fotorezistentelor. Parametrii cei mai importanți ai fotorezistențelor sunt: rezistența de întuneric Rp definită ca rezistență electrică a fotorezistentei neiluminate; sensibilitatea specifică definită ca raportul IL / Φ U, unde IL reprezintă curentul prin fotorezistentă atunci cand este alimentata la o tensiune U și iluminată cu fluxul Φ.

Fig. Schema de circuit al senzorului de lumină

Controlerele

Controlerele, cum ar fi un PC sau un controler de automatizare dedicat al casei sunt structuri electronice destinate controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman.

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

Apariția și utilizarea microprocesoarelor (Fig. 2.3.2) de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității.

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior [11]. Utilizarea unui microcontroler constituie o soluție prin care se poate reduce dramatic numărul componentelor electronice precum și costul proiectării și al dezvoltării unui produs. Un microcontroler, oricât de evoluat, nu elimină unele componente ale interfeței cu mediul exterior (atunci când ele sunt chiar necesare): subsisteme de prelucrare analogică (amplificare, redresare, filtrare, protecție-limitare), elemente pentru realizarea izolării galvanice (optocuploare, transformatoare), elemente de comutație de putere (tranzistoare de putere, relee electromecanice sau statice).

Fig. 2.3.2 Tipuri de microcontrolere

●Servomotoarele electrice

Servomotorul electric este un motor electric specializat în funcționarea ca element de execuție, într-un sistem automat,find exploatat în regim de schimbări repetate de turație, reversări, frânări, menținerea sarcinii în poziție fixă, comenzile venind de la o structură inteligentă a sistemului (regulator, controler,microprocesor, calculator,etc).

Construcția nu diferă principial de cea a motoarelor electrice clasice, cu deosebirea ca din motive legate de necesitatea obținerii unor timpi de răspuns reduși, au diverse forme precum cilindru alungit, disc, pahar, pentru reducerea momentului de inerție. Pentru reducerea volumului sau masei de obicei una dintre armături (stator sau rotor) este echipată cu magneți permanenți, cealaltă armatura incorporeaza o bobină din conductor de cupru. În interiorul acestuia sunt plasați traductori sau senzori pentru masurarea turației, poziției, etc.

Servomotorul electric reprezintă sursa de mișcare in cazul ușilor, ferestrelor, porților clădirilor inteligente, unde turația și poziția acestora sunt controlate on-line.

Clasa de servomotoare cuprinde motoarele electrice executate special pentru a fi utilizate în sistemele automate de poziționare și care în general sunt de puteri reduse (până la puteri de ordinul câtorva [kW]).

Servomotoarele sunt motoare electrice speciale, de curent continuu sau curent alternativ cu viteză de rotație reglabilă într-o gamă largă în ambele sensuri având ca scop deplasarea într-un timp prescris a unui sistem mecanic (sarcină) de-a lungul unei traiectorii date, realizând totodată și poziționarea acestuia la sfârșitul cursei cu o anumită precizie [4].

Sistemele de reglare automată moderne impun servomotoarelor următoarele performanțe:

– Gamă largă de modificare a vitezei în ambele sensuri;

– Funcționare stabilă la viteză foarte mică;

– Constante de timp cât mai reduse;

– Fiabilitate și robustețe ridicate;

– Raport cuplu/moment de inerție cât mai mare;

– Suprasarcină dinamică admisibilă mare;

– Caracteristici de reglare liniare.

În servosistemele care necesită turații variabile, servomotoarele se asociază cu convertoare statice, obținându-se domenii largi de variație a turației, de peste 1: 20.000, la puteri mai mici de 1 [kW]. Actuatorii, dispozitivele care execută acțiunea sunt elemente care execută anumite comenzi, controlând astfel diversele aplicații. Acestea sunt module de comutație, variatoare de lumină etc.

●Servomotorul standard GWS S03N STD (Fig.3.3.9) are doi rulmenți pe arborele de ieșire. Acești rulmenți reduc frecarea internă și pentru a permite un cuplu ușor crescut față de modelul S03N. Servomotoarele GWS servo digitale sunt toate programabile cu cele mai avanasate tehnologii ASIC (Aplicația circuitelor integrate specifice), circuitul integrat procesând semnalele de intrare, toate la cel mai bun timp de raspuns și cea mai buna rezoluție în mai mult de 12 biți sau mai mult de 4096 trepte. Performanțele sunt mult mai bune decât servomotoarele digitale ale altor brand-uri, cele care au doar microcontroler. Acelea au un timp de răspuns mai mic și rezoluție mai mică (10 biți sau 1024 trepte).

Modelul a fost conceput pentru sisteme cu feed-back închis, deoarece ieșirea motorului este cuplată la un circuit de control.

Fig. Servomotorul GWS S03N STD

Servomotorul SG-5010

Acest servomotor este unul standard, cu un cuplu mare, care se poate roti la aproximativ 180 de grade (90 în fiecare direcție). Acesta are o tensiune de alimentare de curent continuu, între 4.8 și 6 V maxim.

Raportul greutate/cuplu este remarcabil, cântărind numai 39 de grame, fiind din plastic, și având un cuplu de 5.5 kilograme / centimetru la o tensiune de alimentare de 5V. Dimensiunile acestui servomotor sunt de 40 milimetri lungime, 20 lățime și 38 înălțime.

Fig. Servomotorul SG-5010

Servomotorul Feetech FS5115M 2BB

Acest servomotor este un servomotor standard, care oferă un cuplu mare de 15,5 kg.cm , datorită reductorului metalic. Acesta are un unghi de rotație de 180 de grade și cântărește 56 g. Dimensiunea este de 40.8 x 20.1 x 38 mm.

Viteza de operare este de 0.18 sec/60 grade la tensiunea de 4.8 V respectiv 0.6 sec/60 grade la tensiunea de 6 V.

Cu un cuplu dezvoltat de 14kg.cm/194.8oz.in la tensiunea de 4.8 V și 15.5 kg.cm/215.6oz.in la tensiunea de 6 V.

Fig. Servomotor Feetech FS5115M 2BB

Servomotorul Feetech FS5106B

Acest servomotor este asemănător cu cel prezentat mai sus, prezentând performanțe puțin mai scăzute. Cu un cuplu de 5 kilograme/cm la tensiunea de alimentare 5 V, acesta are o viteză de rotație de 0.18 secunde la 4.8V și 0.16 secunde la 6V. Dimensiunile acestuia sunt aceleași ca la SG-5010 cântărind doar cu un gram mai mult.

Fig. Servomotorul FS5106B

Driver motoare TB6612FNG

Driver-ul de motor TB6612FNG Dual 1A

Driver-ul de motor TB6612FNG poate controla pâna la două motoare de curent continuu, la un curent constant de 1.2A (3.2A max). Cele doua semnale de intrare, IN1 și IN2 pot fi utilizate pentru a controla motorul într-unul dintre cele patru moduri de funcționare: în sensul acelor de ceas și invers, scurt de frană și oprit. Cele două ieșiri (A si B) pot fi controlate separat, viteza fiecărui motor este controlată printr-un semnal de intrare PWM cu o frecvență de până la kHz. PIN-ul STBY trebuie conectat la microcontroler pentru a ieși din modul standby. Tensiunea de alimentare (VCC) poate fi in intervalul de 2.7V-5.5V, în timp ce tensiunea de alimentarea maximă a motorului este de 15V. Curentul de iesire poate fi până la 1.2A pe canal sau pana la 3.2A pentru un singur impuls.

În acest proiect de diplomă, s-a folosit acest driver de motor pentru a comanda sistemuldeorientare/pozitionare menționat anterior.

Fig. Pinii driver-ului de motor TB6612FNG

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

●Microventilatorul SUNON DC12V

Microventilator, utilizat in diferite aplicații cum ar fi cele de ventilație sau de răcire este folosit in proiectul de fata ca sarcina (electrica) pentru panoul fotovoltaic. Avand elice si carcasa din termoplast, microventilatorul (Fig.3.3.10) este caracterizat de urmatorul set de specificații :

Tensiune alimentare: 12V DC

Dimensiune ventilator: 40x40x10mm

Nivel zgomot: 27dBA

Consum curent: 1.08W

Tensiune de lucru: 6…13.8V

Viteza de rotație: 5800 (±15%)rot./min

Masă: 17g

Curent nominal: 0.09A

Clasă izolație: E

Acționare ventilator: motor DC fără perii

Fig.. Microventilatorul SUNON DC12V

Schema de automatizare

Schema de automatizare utilizată pentru controlul panoului fotovoltaic, precum și componența acesteia, pot fi urmărite în figura 4.3.

Fig. 4.3. Schema de automatizare

Principiul de funcționare al sistemului de automatizare al panoului fotovoltaic (PV) se bazează pe faptul că are în componența sa un concentrator solar de tip bicelular, care preia radiația fotonică a razelor de soare și emite semnalul de poziționare a panoului, dupa cum urmează:

când ambele fotocelule ale concentratorului sunt egal luminate (razele soarelui cad perpendicular pe concentrator), rezultă că panoul PV este corect orientat, iar sistemul electronic dă semnal de confirmare a stări;

când fotocelulele sunt luminate neuniform (razele soarelui nu cad perpendicular pe concentrator), apare un semnal de eroare, iar sistemul electronic va emite comandă de rotire a panoului dupa axa Ox (în funcție de indicațiile ceasului electronic solar), până când ambele celule vor fi din nou egal luminate. În ambele situații, semnalele emise de electronica concentratorului se adresează comenzilor de lucru atât pentru distribuitoarele de impulsuri cât și actuatoarelor de rotație.

Funcționarea sistemului de orientare a colectorului solar se face pe baza unor programe informatice care comandă mecanismul de realizare a unghiului orar, elaborate pe specificul lunilor sau/și anotimpurilor .

Partea specifică și originală a funcționării sistemului de poziționare a colectorului solar constă în faptul că, servomotorul de c.c. funcționeaza in regim pas cu pas, comandat prin impulsuri sinusoidale de tensiune. Sistemul de comandă este brevetat și protejat prin brevetul: RO19870126759 19870126

Reglarea turației motoarelor de current continuu de mică putere.

Invenția se referă la o metodă și un sistem de reglare a turației motoarelor de current continuu de mică putere, excitate cu magneți permanenți. Reglarea turației se face pe seama variației tensiunii medii la bornele circuitului rotoric, realizată prin divizarea numărului de pulsuri de tensiune sinusoidală obținute printr-o undă sinusoidală de tensiune de medie frecventă, în urma redresării acesteia de puntea unui convertor Gaudet cu comutație naturală. Aceste pulsuri sunt aplicate indusului motorului cu ajutorul tiristorului convertorului Gaudet.

Schema din figura 1.16 utilizeaza o punte redresoare bialternanță formată numai din diode si tiristorul T. Tensiunea pulsatorie mereu pozitivă de la ieșirea punții nu solicită în sens invers tiristorul , care primește două impulsuri de aprindere într-o perioadă a tensiunii de alimentare. Este însă necesară o diodă de liberă circulație D.

6.Concluzii generale

Sistemele de automatizare și control ale unei clădiri rezidențiale satisfac nevoia oamenilor de a avea control, cu o mai mare ușurință asupra spațiului în care își desfașoară activitățile zilnice. Aceste sisteme vor deveni din ce în ce mai des utilizate datorită dorinței oamenilor de a avea o viață mai confortabilă. Odată cu dezvoltarea tehnologiei, eficiența acestor sisteme de automatizare va crește cu fiecare generație, iar costul de achiziție va deveni din ce în ce mai accesibil.

Principalul motiv pentru care atenția este îndreptata spre automatizarea sistemelor aferente unei cladirii rezidentiale este faptul că instalarea acestor sisteme oferă proprietarului un grad ridicat de siguranță și confort.

Sistemele de automatizare și control pot fi implementate cu un buget accesibil si se pot instala și configura după dorința proprietarului cladirii rezidentiale. Investiția în aceste sisteme este recuperată prin economia realizată folosind surse regenerabile de energie.

Starea de confort și sigurantă precum și evitarea poluării mediului sunt argumente convingătoare pentru implementarea lor.

În cazul sistemelor fotovoltaice, acestea produc energie electrică fără să aibă un impact negativ asupra mediului natural, așa cum continuă să aibă combustibilii fosili, prin ardere, pentru producția energiei electrice.

Sistemele de orientare a panourilor solare pot fi implementate în orice zonă geografică în care se înregistrează valori mari pentru radiația solară și pot asigura energie suficientă pentru consumatorii casnici. De asemenea, sistemele fotovoltaice orientate pot fi implementate și la un nivel mai mare, în întreprinderi care desfășoară activități de producție, pentru a asigura alimentarea cu energie electrică “verde”. Aceste sisteme pot fi folosite în zonele geografice unde potențialul energetic al radiației solare este ridicat și poate fi exploatat.

Performanțele sistemelor au fost analizate, limitările hardware evidențiate, specificându-se de asemenea noi direcții de dezvoltare pe viitor a acestora.

Se poate considera că scopul acestui proiect a fost atins, realizând un sistem modular de automatizare și control, care se poate implementa într-o cladire rezidentiala.

7.Direcții de dezvoltare

Pe măsură ce am avansat în dezvoltarea proiectului, am realizat că această tematică permite o dezvoltare pe viitor cum ar fi adăugarea unor dispozitive la modulele sistemelor existente sau adăugarea noilor module pentru alte servicii din interiorul sau exteriorul cladirii.

O îmbunătățire ar constitui un nou modul de automatizare integrat prin instalarea unui sistem de încălzire, fie inclus în podea, fie pe pereți, care împreună cu un sistem de ventilație propriu ar controla temperatura și ar asigura aerisirea încăperilor cladirii rezidențiale.

Plecând de la introducerea senzorilor de fum și de umiditate acest proiect poate contribui la asigurarea protecției împotriva incendiilor.

Crearea unui sistem de recunoaștere facială sau a amprentei instalat la intrarea principală ar permite accesul autorizat pe domeniu.

În ceea ce privește autonomia energetica, aceasta se poate asigura prin montarea panourilor fotovoltaice pe o suprafață marită din acoperiș și prin instalarea unei turbine eoliene. Pentru clădirile izolate automatizarea acumulării energiei electrice în baterii de acumulatoare este o alternativă la alimentarea din rețeaua electrică națională.

Stocarea energiei electrice în baterii de acumulatoare, astfel încât sa fie asigurată alimentarea permanentă cu energie electrică a întregului sistem de automatizare/control și monitorizare este o idee pe care o am în vedere pentru viitor.

Automatizările din curtea cladirii vizează introducerea unor instalații suplimentare, cum ar fi spre exemplu un sistem de irigare, care este responsabil de udarea gazonului, sau a unor ghivece cu flori, pe baza unor valori citite de la senzori de umiditate.

Dezvoltarea pe viitor a acestui proiect este limitată doar de imaginația utilizatorului, existând o multitudine de posibilități, fără schimbări semnificative în schemele circuitelor electrice sau în programarea microcontroller-elor.

În viitor, aceste sisteme vor fi treptat implementate având avantajul utilizării resurselor regenerabile de energie și evită astfel poluarea mediului.