PLATFORMĂ CU MICROCONTROLER PENTRU TESTAREA FUNCȚIONALĂ A UNUI BLOC OPTIC (LAMPĂ FAȚĂ) DE AUTOVEHICUL [303551]

[anonimizat] A UNUI BLOC OPTIC (LAMPĂ FAȚĂ) DE AUTOVEHICUL

Profesori îndrumători: Student: [anonimizat]. Alexandru VASILE Marinescu Mădălina

Ș.L. Dr. Ing. Lucian Andrei PERIȘOARĂ Grupa: 442B

București 2018

Lista de acronime

ECU = Electronic Control Unit

ISO =

PCB = Printed Circuit Board

IEC =

YGYG

UHHU

Lista cu tabele

Lista figurilor

Figura 1- Controalele electronice utilizate în diverse sisteme de mașini de astăzi 21

Figura 2 -Funcția de bază a unui sistem electronic 22

Figura 3 – Inovații electronice pentru automobile în decursul anilor 23

Figura 4 – Curba cada de baie 31

Figura 5 – MTBF- [anonimizat] 32

Figura 6 – Factori de defectări 33

Figura 7 -Schema electrică a instalației electrice auto 36

Figura 8 – [anonimizat], poziții 37

Figura 9 – Bec cu filament incandescent 37

Figura 10 – Bec far cu 2 faze 38

Figura 11 – Modul de iluminare al unui bec cu 2 faze 38

Figura 12 – Logo protocol CAN (Controller Area Network) 39

Figura 13 – Logo protocol LIN (Local Interconnect Network) 39

Figura 14 – Ambient Light 41

Figura 15 – Head Lamp X52 Brazilia 41

Figura 16 – Schema bloc a sistemului 42

Figura 17 – Schema bloc a circuitului electric 43

Figura 18 – Capsula stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX și 79XX 44

Figura 19 – Schema interna a stabilizatorului de tensiune 7805 44

Figura 20 -ULN2003A – Tranzistor Darlington 45

Figura 21-Tranzistor de putere MOSFET NVD2955 45

Figura 22 – Structura și simbolizarea unui tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET) 46

Figura 23 – Funcționarea unui tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET) 47

Figura 24 – Rezistor SMD 47

Figura 25 – [anonimizat] 48

Figura 26 – – [anonimizat] 48

Figura 27 – Condensator SMD 49

Figura 28 – Simboluri convenționale pentru condensatori 49

Figura 29 – Diodă 50

Figura 30 – Simbolul diodei 50

Figura 31 – Dioda luminiscentă (LED) 50

Figura 32 – Schema electrică a circuitului 52

Figura 33 – TOP Layout 53

Figura 34 – BOTTOM Layout 54

Figura 35 – TOP+BOTTOM Layout 54

Figura 36 – Vizualizare 3D TOP 55

Figura 37 – Vizualizare 3D Bottom 56

Figura 38 – Vizualizare 3D 56

Figura 39 – PCB faza 1 57

Figura 40 – PCB fază 2 58

Figura 41 – Diagrama bloc a aplicației software 60

Figura 42 – Panoul frontal al aplicației software 61

Figura 43 – Interfața Arduino IDE 63

Figura 44 – Durata efectivă a testului 68

Figura 45 – Pre-testarea farurilor 70

Figura 46 – Testarea farurilor în camera climatică 70

Abstract al lucrării

1.1 Rezumat în limba română

Proiectarea și dezvoltarea hardware și software a unei platforme de testare funcțională a unui bloc optic (lampă față) [anonimizat] ([anonimizat]). Testarea funcțională presupune monitorizarea parametrilor de funcționare (tensiune, curent, intensitate luminoasă) ai blocului optic la variația temperaturii ambientale utilizând o cameră climatică și are ca scop verificarea testelor realizate de producătorul blocului optic și a concordanțelor cu cerințele beneficiarului.

Partea hardware a platformei de testare va conține un modul de testare cu microcontroler care comunică cu un calculator. Modulul de testare conține un microcontroler ATMega328p, circuite de alimentare, circuite de comandă (driver) pentru blocul optic, circuite de măsurare a tensiunilor și curenților, senzor de temperatură, afișaj, butoane de control. Schema electronică și cablajul imprimat se vor proiecta și simula în Proteus.

Partea software va conține o aplicație dezvoltată în LabVIEW, ce reprezintă interfața cu utilizatorul pentru comanda și monitorizarea blocului optic, și codul sursă pentru microcontroler, dezvoltat în Arduino IDE, ce permite primirea comenzilor de la aplicația LabVIEW, comanda blocului optic, măsurarea parametrilor de funcționare și transmiterea acestora către aplicația LabVIEW.

1.2.Rezumat in limba engleză

Design and development of hardware and software for a functional test platform of a optical (front lamp) lamp for a vehicle, which also incorporates the Electronic Control Unit (ECU). Functional testing involves monitoring the operating parameters (voltage, current, luminous intensity) of the optical block at ambient temperature variation using a climatic chamber and is intended to verify the tests performed by the manufacturer of the optical block and the compliance with the requirements of the beneficiary.

The hardware part of the test platform will contain a microcontroller test module that communicates with a computer. The test module contains an ATMega328p microcontroller, power circuits, optic block controllers, voltage and current measuring circuits, temperature sensor, display, control buttons. The electronic chart and the printed wiring will be designed and simulated in Proteus.

The software part will contain an application developed in LabVIEW, which is the user interface for controlling and monitoring the optical block, and the microcontroller source code developed in the Arduino IDE, which allows to receive commands from the LabVIEW application, control the optical block, measure the operating parameters and transmitting them to LabVIEW.

Capitoul 1 – Introducere

1.1 Memoriu justificativ

Am ales această temă deoarece sunt pasionată de domeniul automotive și de controlul la distanță de foarte mult timp, cu atât mai mult cu cât aceasta poate avea și o utilitate practică.

Deoarece testarea predictivă este principalul mod în care putem să garantăm buna functionare a echipamentelor electronice, am decis că o soluție pentru testarea fiabilității este realizarea unei platforme de testare funcțională a unui bloc optic (lampă față) de autovehicul, iar dupa studiul diverselor forumuri de pasionați de electronică, proiectul a prins contur.

Aceasta platformă de testare funcțională a unui bloc optic (lampă față) de autovehicul
are ca scop:

► activarea și dezactivarea anumitor funcții ale ECU-ului;

► verificarea parametrilor de functionare ai unui ECU (Electronic Control Unit) în cadrul unei camere climatice sub diferite condiții de temperatură;

► testarea fiabilitatii unui echipament din domeniul auto;

► verificarea testelor realizate de furnizorul de ECU.

Programarea microcontrollerului Arduino se face folosind mediul de lucru Arduino IDE. Este un mediu ușor de folosit, ce permite utilizatorului incărcarea programului în memoria flash a microcontrollerului în doar câteva secunde. De asemenea site-ul oficial al Arduino pune la dispoziție în mod gratuit un suport tehnic foarte vast și foarte bine documentat prin care utilizatorii pot invăța cum să își programeze singuri microcontrollerele.

Cu o placuța Arduino se poate realiza aproape orice, de la aprinderea unui led, până la drone și roboți sau chiar automatizarea locuinței. Există site-uri ale pasionaților de Arduino unde sunt prezentate etapele proiectelor iar membrii acestor comunități răspund la întrebările altor utilizatori care intâmpină dificultăți în programare și încearcă să-i ajute oferind explicații la orice problemă.

De pe aceste site-uri am studiat pentru a realiza proiectul care mi s-a părut încă de la început o mare provocare.

Aplicația software este realizată în mediul de dezvoltare LABVIEW și reprezintă interfață de comandă și monitorizare pentru ECU-uri, permite comunicarea serială dintre Arduino și calculator și monitorizează timpul de testare a unui ECU în camera climatică sub diferite condiții de temperatură.

În capitolele ce vor urma, voi face o prezentare detaliată a modului de construcție și a modulelor de program necesare în procesul de funcționare.

1.2 Noțiuni generale

1.2.1 Rolul echipamentelor electronice în industira auto

Un echipament electronic în industira auto este un subsistem alcătuit în general din componente electronice ce sunt folosite pentru a detecta, calcula și acționa diferite dotări sau funcții ale vehiculului. De când a fost pentru prima dată dezvoltat transistorul în 1946 de către fizicianul William Shockley, introducerea electronicii în industria auto a fost călăuzită în general de către nevoia de management al motorului odată cu introducerea tehnologiei de control al injecției combustibilului în 1970.

De atunci, multe din inovațiile aduse în cadrul sistemul sofisticat de managemet al motorului sau a transmisiei au fost influențate de apariția a microcontrolerelor, a senzorilor și a switch-urilor semiconductoare. De asemenea, introducerea sistemelor electronice în industria auto a avut că efect și creșterea siguranței utilizatorului. Multe din sistemele de siguranță nu ar fi putut fi realizate fără ajutorul electronicii.

Figura 1- Controalele electronice utilizate în diverse sisteme de mașini de astăzi

Funcția de bază a unui sistem electronic este de a detecta, calcula și activa. Sistemul electronic operează prin detectarea mediului, calcularea acțiunilor necesare și executarea acțiunii prin activarea unei componente mecanice.

De exemplu un termostat detectează o temperatură ridicată în compartimentul pasagerilor, informația este trimisă către microcontroler care decide că sistemul de răcire al compartimentului pasagerilor trebuie activat pentru a readuce temperatura interioară la nivelul de confort cerut de pasageri, microcontrolerul activează compresorul și ventilația prin comutarea unor transistori.

La un nivel mai sofisticat, senzorul ABS împreună cu radarul și frâna vor semnala un microcontroler care poate decide în timp real că un accident este iminent. Microcontrolerul va pregăti activarea sistemului de airbag, va mutascaunele în poziția optimă de utilizare cu airbag și va activa centurile de siguranță. În momentul impactului, senzorii de presiune și de inerție vor detecta coliziunea, microcontrolerul va declanșa airbag-ul și va apela automat autoritățile pentru a trimite un mesaj de urgență cu locația vehiculului în momentul accidentului.

Figura 2 -Funcția de bază a unui sistem electronic

Evoluția sistemelor electronice în industria auto

Începuturile electronicii în industria auto a avut loc așa cum am menționat la începutul anilor 1970 când singurele echipamente electronice erau reprezentate de către radio, alternator și regulatorul de tensiune ce controla alternatorul. În ultimii 30 de ani a fost observant o creștere a inovațiilor tehnologice în industria auto datorită evoluției uimitoare a tehnologiei semiconductorilor și a sistemelor software aferente.

Am ilustrat mai bine această evoluție în tabelul de mai jos.

Figura 3 – Inovații electronice pentru automobile în decursul anilor

Toate echipamentele de mai sus, înainte de a putea fi produse pe scară largă și vândute către clienți pentru a fi exploatate trebuie verificate și validate, pentru a putea demonstra atât funcționalitea echipamentului cât și fiabilitatea acestuia având în vedere că mediul auto poate fi un mediu foarte ostil. În funcție de poziția echipamentuli în vehicul acesta ar putea fi expus la  temperaturi foarte joase sau foarte ridicate, vibrații, expunere la fluide corozive, imersiune totală sau parțială, expunere la jeturi de apă de presiune ridicată. În urmă expunerii la factorii de stres enumerați, echipamentul trebuie să rămână funcțională și nu în ultimul rând să aibă o durată de viață ridicată.

Pentru a putea demonstra robustețea și fiabilitatea echipamentelor electroncie dezvoltate, operatorii economici din industrie au fost nevoiți să elaboreze standarde general acceptate de către toți operatorii economici pentru a generaliza criteriile de evaluare ale echipamentelor electronice.

Definitia unui standard :

Ghidul ISO/CEI 2 :1996 definește standardul cafiind un document, stabilit prin consens și aprobat de către un organism recunoscut, care asigură , pentru uz comun și repetat, reguli , linii directoare sau caracteristici pentru activități sau rezultatele lor, cu scopul de a se obține gradul optim de ordine într-un context.

Continutul unui standard :

Standardele variază după caracter, subiect sau volum. Acestea pot include mai multe discipline : începând cu toate aspectele tehnice, economice și sociale ale activității umane și încheind cu toate disciplinele de bază cum ar fi limbajul, matematica, fizica etc. Standardele sunt elaborate coerent de comitete tehnice ce sunt coordonate de către un organism specializat și asigura depășirea barierelor diferitelor domenii de activitate.

Standardele reflectă rezultatele activității desfășurate în comun ce implică toate părțile competete și sunt validate prin consens pentru a putea reprezenta toate interesele relevante : producători, utilizatori, laboratoare, autorități, consumatori.

Standardele se bazează pe experiență reală și conduc la rezultate materiale în practică (produse – atât bunuri, cât și serviciile, metodele de încercare). Ele stabilesc un compromis între cele mai ridicate nivele de progres și constrângerile economice ale timpului.

Standardele nu sunt obligatorii, acestea au o aplicare voluntară. În anumite cazuri, implementarea poate fi obligatorie (cum ar fi în domeniile legate de securitate, instalații electrice sau în cazul contractelor publice.

1.2.2 Rolul standardelor

Un standard reprezintă un nivel de experiență și tehnologie care face că prezența industriei în elaborarea să, să fie indispensabilă. Standardele sunt folosite în inndustrie în relația economică între părți că o referință indiscutabilă ce simplifică și clarifica relațiile comerciale dintre parterii economici.

Pentru factorii economici, standardele sunt :

Un factor de raționalizare a producției (standardul face posibiliă stăpânirea caracteristicilor tehnice, pentru a satisface clientul, pentru a valida metodele de fabricație, pentru creșterea productivității, dând un sentiment de securitate operatorilor și instalatorilor.

Un factor de clarificare a tranzacțiilor: în fața unei oferte supraaglomerate de produse și servicii, care pot avea valori practice extrem de diferite, existența sistemelor de referință facilitează o mai bună evaluare a ofertelor și reducerea incertitudinilor, ajută la definirea necesităților, optimizează relațile cu furnizorii.

Un factor de inovare și dezvoltare a produselor: participarea la standardizare favorizează anticiparea și asigură progresul simultan al produselor.

Un factor de transfer al noilor tehnologii: accelerează transferul de tehnologii în domeniile în care sunt esențiale atât pentru companii, cât și pentru persoane fizice (noi materiale, sisteme de informare, biotehnologii, produse electronice).

Un factor pentru selectarea strategică a companiilor : participarea la standardizare înseamană introducerea soluțiilor adaptate la competență unei companii și echiparea acelei companii pentru a putea concura într-un mediu economic competitiv.

Standard ISO

Organizația Internațională de Standardizare (International Organization for Standadisation –ISO) a fost înființată în 1946 și reprezintă 150 de țări, pentru fiecare țară există un reprezentant.

ISO este o conferință internațională de stabilirea normelor în toate domeniile cu excepția electricității și a electronicii, care sunt reprezentate de IEC (International Electrotechnical Commission) și cu excepția telecomunicațiilor reprezentate de ITU (International Telecomunication Uniton – Uniunea Internațională pentru Telecomunciații).  Aceste trei organizații sunt unite în WSC (World Standards Cooperation).

Standardele ISO sunte numerotate și au un format de tipul ISO 99999:yyyy: Titlu, unde 99999 este numărul standardului , yyyy este anul publicării și Titlu descrie obiectul. De exemplu, familia de standarde ISO 9000 este formată într-o serie de standarde referitoare la sistemul de management al calității, care urmăresc asigurarea satisfacției clienților și obținerea de produse și servicii conforme.

Standard IEC

Comisia Electrotehnică Internațională (Internațional Electrotehnic Commission – prescurtat IEC) este o organizație non-profit,non-guvernamentală internațional de standardizare care pregătește și publică standard internațional pentru toate tehnologiile electrice, electronice și conexe – cunoscute sub numele de electrotehnică. Standardele IEC acoperă o gamă largă de tehnologii de generare a energiei, transport și distribuție , electrocasnice și echipamente de birou, semiconductori, fibră optică, baterii, energie solară, nanotehnologie și energie marină. IEC gestionează, de asemenea, trei sisteme globale de evaluare a conformității care certifică conformitatea echipamentelor, sistemelor sau componentelor acestora cu standarde internaționale.

Standarde Interne

Sunt standerde interne ce au luat naștere pornind de la condițiile impuse de standardele internaționale și modificate sau adaptate pentru a se plia pe condițiile de exploatare a produsulului dedicate ariei operatorului economic. Aceste standarde sunt modificate în funcție de know-how-ul operatorului economic și diferă de la operator economic la operator economic, însă toate au la bază standardele internaționale.

Aplicarea standardelor interne

În cadrul parteneriatului între mai mulți operatori economici ce colaborează pentru realizarea unui anumit produs sau echipmanet se impune așa cum am descris mai sus că anumite reguli de acceptabilitate a unui produs să fie agreate între parteneri.

Pentru a putea avea consens și accelasi punct de vedere asupra necesităților și obligativității impunerii standardelor interne este necesare o bună comunicare între parteneri.

În general standardele interne sunt impuse de către client și sunt explicate producătorului pentru ca acesta să poate evalua produsele conform cu cerințele de acceptabilitate a clientului.

Deoarece producătorul, în general colaborează cu mai mulți operatori economici din cadrul aceleiași arii de interes (nautic, aviatic, feroviar, rutier etc.) acesta poate opera cu multiple standarde interne aferente fiecărui colaborator economic din portofoliul lui, ceea ce implică, inevitabil, imposibilitatea de a excela în aplicarea standardelor interne.

Pentru a fi sigur că producătorul înțelege foarte bine standardul clientului și ce informații sunt necesare a fi îndeplinite de către produs este imperativ necesar organizarea de ședințe, vizite, evaluări, conferințe telefonice sau față în față între client și producător pentru a se explica și clarifica eventuale neclarități din cadrul caietului de specificații sau a standardelor de evalaure a clientului. În urmă acestor discuții planul de validare al unui produs este realizat și urmează a fi aplicat în cadrul etapelor de dezvoltare al unui produs nou.

1.2.3 Etape de dezvoltare a unui produs

Pre-Dezvoltare

Etapa în care producătorul prezintă prototipul echipmantului și realizează teste de functionalitea cât și de validare a tehnologiilor noi folosite (sau noi implementate de către companie pe produsul respectiv) în design-ul ales. Aceste teste sunt definite în urma prezentării design-ului și a evaluării acestuia împreună cu operatorul economic client

Dezvoltare

Reprezintă etapa cea mai complexă și cea mai voluminoasă din cadrul evaluării fiabilității și conformității echipmanentului cu standardele impuse de către normele interne ale clienteului. În această etapă producătorul trebuie să demonstreze că produsul creat, designul și materialele folosite sunt suficiente pentru a putea îndeplini condițiile de exploatare dorite de către operatorul economic client. În această etapă sunt folosite specimene de produs ce sunt realizate pe o linie de producție prototip fără că aceastea să aibă procesul de fabricație final. Scopul acestei etape este de a evalua design-ul și materialele folosite în realizarea fizică a echipamentului

Validarea Procesul de fabricatie

Este etapa în care se evaluează procesul de fabricație al produsului. În această etapă producătorul demonstrează că procesul de producție nu induce defecte și că rezultatele obținute în cadrul etapei de dezvoltare rămân valabile și reprezentative pentru echipamentul ce va fi realizat din acest moment în serie și în volumele cerute de către operatorul economic client.

Pentru ca producătatorul de echipamente să poată demonstra robustețea și fiabilitatea
 echipamentului creat,acesta va trebui inițial să realizeze teste software și hardware pentru a demonstra clientului că produsul creat se ridică la nevoile și standardele cerute.

Testarea hardware presupune expunerea echipamentului produs la diferiți factori de stres de mediu ce sunt evaluați și considerați ca reprezentativi pentru poziția echipamentului în cadrul ansamblului. Acești factori trebuie sa fie duri pentru ca rezultatele testului să fie reprezentative și să reflectecât mai exact posibil condițiile reale de funcționare.

Factori de stres de mediu :

Climatici

Chimici

Vibrații

Șocuri mecanice

Etanșeitate

Durabilitate.

Mai jos este o mică listă de teste ce se bazează pe standardele internaționale IEC și ISO ce pot fi achiziționate direct din webstore-ul organizațiilor mai sus menționate.

Vibratii

VStandard IEC 60068-2-64 : Environmental testing:Vibration broadband random and Guidance

https://webstore.iec.ch/publication/547

Demonstrează capabilitatea unor specimene de a rezista la încărcături dinamice fără a avea degradări inacceptabile din punct de vedere al funcționării sau a integrității structurale când aceastea sunt supuse la vibrațiile aleatoare impuse de cerințele testului specificate. Broadband random vibration poate fi folosit pentru identificarea efectelor datorate acumulării de stres și slăbiciunile rezultate în urmă expunerii la vibrații aleatoare din punct de vedere al structurii cât și a funcționalității. Această inforamație poate fi folosită pentru a defini criteriile de acceptare a specimenelor testate. Acest standard este aplicabil produselor ce pot fi expuse vibrațiilor generate în urmă transportului sau a operării în diferite medii: aeronave vehicule.

Climatice

IEC 60068-2-38 Z/AD : Environmental testing : Composite temperature/humidity cyclic test

https://webstore.iec.ch/searchform&q=IEC%2060068-2-38%20Z%2FAD

Este un standard ce pune la dispoziție proceduri de testare compuse, ce a fost în mod inițial creat pentru a fi aplicat componentelor electronice pentru a putea determina într-o manieră accelerată, rezistența specimenelor la efectele deteriorante ale temperaturilor ridicate combinate cu umiditate și condiții de frig.

ISO/DIS 16750-4 : Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment : Climatic loads

https://www.iso.org/standard/46043.html

Se aplică sistemelor sau componentelor electrice și electronice pentru vehicule. Standardul ISO 16750-4:2010 descrie potențiale condiții de stres impuse de mediu și specifică teste și necesități recomandate pentru o anumită zonă de montaj pentru un vehicul.

IEC 60068-2-2 : Environmental testing : Dry heat.

https://webstore.iec.ch/publication/510

Abordează testele aplicabile pentru sepcimenele disipative și non disipative de căldură. Pentru specimenele ce nu disipă căldură se aplică testele Bb și Bd. Obiectivul testului de căldură se limitează la determinarea abilității componentelor, echipamentelor sau a altor articole de a fi utilizate, transportate sau depozitate la temperatură ridicată. Aceste teste nu activează sau garantează abilitatea specimenelor de a rezista și funcționa în timpul variațiilor de temperatură, penturu această fiind necesară folosirea unui standard diferit.

IEC 60068-2-1 Environmental testing : Cold.

https://webstore.iec.ch/searchform&q=IEC%2060068-2-1

Abordează testele aplicabile pentru sepcimenele disipative și non-disipative de căldură. Pentru specimenele ce nu disipă căldură se aplică testele Ab și Ad. Testul Ae a fost creat în principiu pentru a testa echipamentele de testare ce trebuiesc a funcționa fără a avea defecte pe parcursul testului. Obiectivul testului de expunere la frig este de a determina abilitatea echipamentelor sau a diferitelor componente de a fi transportate, stocate la temperaturi joase.

CL/10 IEC 60068-2-40 Z/AM : Basic environmental testing procedures:Combined cold/low air pressure tests

https://webstore.iec.ch/publication/521

Se aplică sistemelor disipative si non-disipative de caldură și este un test ce determinaă capabilitatea componentelor, echipamentelor și a altor componente de a fi stocate și folosite în condiții simultane de temperaturi joase și presiune scazută.

Temperature rise test –Standard Nissan.

Test ce verifica temperatura sa saturare a componentelor electronice in cele mai dure conditiide functionare impuse de caietul de specificatii pentru un anumit produs.

IEC 60529 Degrees of protection provided by enclosures (IP code – Ingress Protection code)

https://webstore.iec.ch/publication/2452

Se aplică pentru a clasifica gradele de protecție pentru echipamentele electrice.

Validarea robusteței- reprezintă o strategie de testare prin care robustețea unui produs la factorii de stres ai unei aplicății reale este demonstrată. Această strategie este în general folosită în industria auto însă se poate aplică și în cadrul altor domenii.

Validarea fiabilității-reprezintă probabilitatea ca un sistem să-și îndeplinească funcția intenționată în condiții de funcționare determinate, pe o perioada de timp precizată. Termenii de fiabilitate provin din cuvântul de origine franceză « fiabilite » care se referă la studiul defectării sistemelor și care este o componentă esențial a siguranței în funcționare. Fiabilitatea este o mărime ce caracterizează securitatea funcționarii unui mecanism, măsură a probabilității de funcționare a unei apărături conform normelor prescrise. În literatură de specialitate română, termenul « fiabilite » sau « reliability », din engleză, s-au preluat termenii că sinonime de « fiabilitate » cât și cel de « siguranță în funcționare » însă în prezent se consideră că siguranță în funcționare înglobează în principal patru componente :

Fiabilitate

Mentenabilitate

Disponibilitate

Securitate

Fiabilitatea se consideră că fiind o funcție de timp R(t), definită drept probabilitatea că, în condiții operaționale specificate, obiectul (componentă, procesul, sistemul) să funcționeze fără defecte, mențînându-și parametri prestabiliți în intervalul de timp (0,t).

Tipuri de fiabilitate

Fiabilitate previzională-Se stabilește în faza de proiectare a produsului și verifică fiabilitatea sistemului în conformitate cu specificatiile tehnice.

Fiabilitatea experimentala – se determina in laborator

Fiabilitate operationala –Se determina in timpul utilizarii produsului.

Fiabilitate nominala – este stabilita prin tema de proiectare

Fiabilitate potentiala- este evalauta la punerea in functiune a produsului si se paote evalua prin studii experimentale efectuate pe produse extrase din produsele fabricate in serie.

Indicatori de fiabilitate sunt marimi care exprima cantitativ fiabilitatea produselor. Acestia sunt :

Functia de fiabilitate

Functia de nonfiabilitate

Densitatea de probabilitate a defectarilor

Intensitatea (rata) de defectare

Timpul de buna functionare

Funtiade fiabilitate :este probabilitea P ca un produs sa functioneze fara defectare in intervalul (0,t), in conditii determinate

Functia de nonfiabilitat : exprima probabilitatea defectarii unui produs care trebuie sa functioneze intr-un interval de timp t stabilit.

Functia densitatii de probabilitate a defectarilor : exprima densitatea de repartitie a evenimentului de defectare

Timpul mediu de buna functionare MTBF : Exprima timplu mediu de functionare intre doua defectari succesive, in cazul produselor reparabile.In domeniul tehnicii de calcul , indicatorul MTBF reprezinta intervalul mediu de timp care se scurge pana cand o piesa hardware se defecteaza sau necesita intretinere.

Pentru a stabili fiabilitatea unui sistem fara restabilire se ia in consideratie durata scursa de la punerea sau repunerea in functiune pana la defectarea sistemului, denumita si timp de functionare fara defectiune , durata este o variabila aleatoare continua.Pentru concizia reprezentarii, de obicei se indica doar valoare medie a timpului de buna functionare.

In evolutia intensitatii de defectare a unui obiect ( durata de viata) se pot constata trei perioade distincte pe graficul de tip «  cada de baie :

Perioada initiala sau de rodaj : defectiunile se datoreaza unor cauze necunoscute sau doar ascunse, cum ar fi erorile de proiectare ,deficientele fabricatiei , ale controlului de calitate sau a montajului. In aceasta perioada , intensitatea de defectare este ridicata, pentru ca se defecteasa elementeele/componentele cele mai slabe , insa intensitatea de defectare se micsoreaza rapid panal la un palier. Corectare sau eliminarea acestor defecte in urma imbunatatirii controlului tehnic de calitate , conduce al micsorarea intensitatii de defectare.

Perioada de maturitate , de viata utila sau de exploatare normala , in care frecventa defectarilor se mentine aproximativ constanta.Defectarile apar din cauza unor accidente sau evolutii imprevizibile ale functionarii.Perioada de viata utila este in general mult mai mare decat celelalte, ceea ce face ca pentru multe astfel de obiecte intensitatea si frecventa defectiunilor este relativ constanta.Alte caracteristici importante de fiabilitate sunt timpul mediu dintr doua avarii succesive ,precum si timpul necesar pentru o reparatie.Scopul studiilor de fiabilitate este intotdeauna asigurarea unei disponibilitati maxime , cat mai apropiate de 100% din timpul de functionare prevazut.Pentru cresterea de viata a unui sistem in perioada de maturitate se asigura efectuarea operatiunilor de mentenanta prescrise.

Perioada finala sa u de imbatranire sau perioada defectiunilor critice, inca re intensitatea si frecventa defectarilor creste rapid, datorita unor uzuri inevitabile sau a obesolii materialelor.Defectarile evolueaza cu o distributie asimilata cu repartitia Weibull, deci cu o rata de defectare in crestere rapida si continua.Schimbarile componentelor defecte si reparatiile preventive ale elementelor uzate asigura deseori evitarea aparitiei fenomenelor de defectare din perioada a treia, care pot avea consecinte grave. In practica s-a constatat ca pentru unele utilaje si agregate tehnologice, perioada finala nu este atinsa , datorita mai ales uzurii morale,care conduce la scoaterea lord in folosinta inainte de aceasta perioada.

Figura 4 – Curba cada de baie

Figura 5 – MTBF- Mean Time Between Failure – Timul mediu între defectări

La inceputul anilor 1970 o rata de defectare a echipamenteleor eletronice era acceptata deoarece aceastea au inlocuit dispozitivele mecanice ce aveau o rata de defactare mare. Odata cu inceperea introducerii din ce in ce mai marea a electronicii in industria auto si cresterea numarului de semiconductaore in unitatile de control si introducerea primelor siteme de siguranta (ABS) in 1970 aceasta rata de defectarea a trebuit fi abordata pentru a se diminua numarul de defecte. Déjà in 1975 a aparut primul standard ce aborda norme pentru circuite integrate « General Specification for IC’s in Automotive Application » ce a fost abordat si acceptat de marii producatori din industria semiconductorilor. In 1995 a luat fiinta si Automotive Electronic Council fii infiintat de catre Ford, Chrysler, gM-Delco ce a pus bazele procesul de calificare in industria semiconductorilor.

Diferenta dintre defect de fabricație și eroare/eșec (failure) defect

Defect-produse ce nu functioneaza din momentul ce acestea au fost fabricate.

Eoare/defect- reprezinta produsele ce au fost functionale dar care datorita expunerii la factorii demediu aferenti profilului de misiune s-au defectat pe parcursul timpului.

Ingineria fiabilitatii se ocupa cu studiul procesului in urma caruia un produs conform se transforma intr-un produs defect.

Sunt 3 factori care pot cauza defectiunea unui produs :

Factori latenti -sunt cause ce exista deja in design ul produsul inca din momentul fabricarii

FActori externi:ca umiditatea , caldura datorate profilului de misiune al produsului

Degradarea datorata treceri timpului.

Profilul de misiune

Profilurile de misune descriu sarcian si stresul al care este supus un produs.Acestea pot fi de exemplu :

Ciclaje de temperatura

Profilul de temperatura la care opereaza produsul

Vibratii

Functionarea in campuri electrice

Functionarea in campuri magnetice

Este foarte important de specificat factorii de stres, intensitate si durata expunerii cat si mixul acestor factori de stres daca este posibil

Astfel pe baza profilul de misiune durata de viata poate fi acoperita prin efectuarea de teste, adaptate la aplicatie si la mecanismele de defectare. Un porces esential sunt testele de durabilitate. Pe baza rezultatelor testelor de durabilitate se poate determina fiabilitatea si robustetea dispozitivului.

Testele de durabilitatea-Teste accelerate

O descriere amuzanta a procesul de testare a durabilitatii echipamentelor pri intermediul testelor accelerate a avut-o omul de stiinta german ce si-a desfasurat activitatea in cadrul NASA intre 1960-1970 Werner von Braun :

« Testele accelerate esueaza deoarece acestea se bazeaza pe teoria conform careia , cu noua femei insarcinate poti aduce pe lume un copil intr-o luna »

Testele accelerate reprezinta procesul de testare prin care un produs este supus la diferite conditii de stres (dilatare,tensiune,vibratii,presiune,socuri mecanice) in excess fata the parametrii normali de functionare in speranta ca in acest mod se vor evidentia defecte ascunse sau moduri de defectare intr-o perioada scurta de timp. Prin analizarea raspunsului produsului la acest tip de teste ,inginerii pot face predictii despre modul in care acesta se va comporta pe durata de exploatare cat si la ce intervalle de timp ar fi necesare actiuni de mentenanta pe respectivul produs.

Figura 6 – Factori de defectări

Testele de durabilitate accelerate –Accelerated Life Tests (ALT)

Se folosesc in general pentru a aborda 3 cazuri :

Produse cu o rata de defectare mica-TEstarea chair si a unui numar foarte mare de produse la conditii normale de utilizare va avea ca rezultat putine cazuri de defectare sau deloc intr-un timp rezonabil de testare

Produse cu perioada de utilizare indelungata – Produsul trebuie sa fie fiabil pe o perioada mare timp fiind imposibilia astfel testarea lui in condiit normale de funtionare.

Produse ce sutn utilizate intens- Este cauza de defectare ce poate apare pe o periaoda extinsa de timp.

De exmplu, un test de durabilitate facut pe circuite ce ar trebui sa functioneasa pentru ani si ani de zile (longivitate ridicata) va aveea nevoie de rezultate intr-un timp scurt de timp. Daca testul are scopul de a estima cat de des circuitul trebuie schimbat, atunci categoria de teste pentru echipamente cu rata mica de defectare ar fi si ele indicate.In plus daca se observa ca circuitele au si o rata de utilizare ridicata se paote alege si teste din cea de a treia categorie. Daca in urma testarilor de mai sus se opbserva ca un soc a dus la aparitia defectului atunci poate ca indicate ar fi testele de durabilitatea cu factor de accelerare ridicat.

Alegerea modelului de accelerare

Un model de accelerare este o ecuatie ce relateaza cu acuratete obiectivul unui test si a performantei produsulul in concordanta cu nivelul de stres aplicat. Se mai numeste si model de accelerare, in care constantele se numesc factori de accelerare. Modelele de accelerare sunt in general legate de tipuri de materiale sau componenete ce sunt folosite. Unele dintre cele mai utilizate modele de accelerare sunt :

Arrhenius pentru temperatura

Coffin-Manson temperatura si umiditate

Eyring pentru temperatura si umiditate

Blattau pentru ciclaj de temperatura.

Cand modelul de accelrare potrivit este cunoscut in avans este necesar daor identificarea parametrilor necesari pentru rularea modelului, totusi este necesar sa se verifice daca modelul folosit a fost verificat.Stabilirea modelelor trebuei sa demonstreze corelarea dintra extrapolarile informatiilor survenite din testele accelrate si a celor ce provin din utilizarea normala a produsului.

In acelasi timp daca modelul este cunoscut de ianinte sau daca existe modele multiple, testul trebuie sa estimeze ce model este cel mai potrivit pe baza testului ce va fi aplicat si a rezultatelor ce vor surveni in urma testarii.Chair daca 2 modele se potrivesc aceluiasi imput de date acestea totusi pot diferi prin intermediul magnitudinii sau a unor factori de stres mai scazuti. Aceasta problema poate fi clarificata prin abordarea mai multor teste in asa fel incat sa potrivesti modelul de accelerare cu datele de intrare sau de iesire dorite.

Cum unul dintr factori cumulat cu trecerea timpului este inteles depinde pe larg de cel ce efectueaza masuratoare. De exmplu un test ce masoara durata de viata poate avea ca interes durata medie pana la defect sau poate sa se incadrese intr-o distributie statistica a unui defect in timp.

Acest lucru se poare defini si ca distributia de durabilitate sau Probability Density Function – ce reprezinta proportia de produse ce se vor defecta dupa o anumita durata de timp. Pentru aceasta functie exista cateva distributii :

Exponentiala

Weibull

Long-Normal

Gamma

1.2.4 Instalația electrică a sistemelor de iluminat

Instalația electrică a automobilului este ansamblul tuturor echipamentelor electrice și electronice, generatoare și receptoare instalate la bordul său și interconectate prin cabluri și/sau conductori electrici având ca scop:

► producerea (generarea) și stocarea energiei electrice la bordul automobilului;

► alimentarea cu energie electrică a tuturor receptorilor la o valoare cât mai constantă a tensiunii de alimentare, atât in mers cât și în staționare;

► asigurarea pornirii și funcționării motorului cu ardere internă de tip MAS (scânteie) și respectiv MAC (compresie Diesel) al automobilului;

►controlul (măsurare, afișare) a parametrilor funcționali ai motorului și a celorlalte sisteme ale automobilului;

►iluminarea drumului și a vehiculului (în interior și exterior) la circulația nocturnă, semnalizare optică și acustică;

►asigurarea confortului ambiental (șofer plus pasageri) independent de condițiile de funcționare ale motorului și de condițiile climatice externe.

Echipamentul electric presupune orice dispozitiv implicat în procesul de producere, transport/distribuție și utilizare a energiei electrice.

Generatorul electric este echipamentul electric ce transformă o anumită formă de energie (mecanică, termică, luminoasă, etc) în energie electrică.

Receptorul electric este echipamentul electric ce transformă energia electrică în alte forme de energie (mecanică, termică, luminoasă) pentru utilizare.

Consumatorul electric reprezintă totalitatea receptorilor din cadrul unei instalații electrice interconectați conform unui scop comun.

Echipamentele electrice și electronice din cadrul instalației electrice auto se grupează în sisteme electrice funcționale; o imagine sintetică a structurii generale este reprezentată în schema bloc din fig. 1.

Figura 7 -Schema electrică a instalației electrice auto

Sistemul de iluminare și semnalizare: asigură (pe timpul nopții sau în condiții de vizibilitate redusă) iluminarea drumului și a autovehiculului (exterior/interior), precum și semnalizarea optică (schimbarea de direcție, frânare, mers înapoi) și acustică. Se compune din: corpuri de iluminat echipate corespunzător cu surse electrice de lumină (faruri, lămpi de poziție, direcție, frână, mers înapoi etc), aparataj electric aferent, claxon și/sau sirenă;

1.2.5 Dispozitive de iluminat

Actuatoarele care convertesc energia electrică într-o radiație luminoasă se pot clasifica după modul de conversie în:

►becuri cu filament incandescent;

►lămpi cu descărcare în gaz;

►dispozitive cu LED – uri.

Becuri cu filament incandescent

Becul cu filament incandescent funcționează pe același principiu de la inventarea lui de către Edison în 1879. Lumina se produce prin încălzirea pană la incandescenta a unui filament metalic prin care trece curentul electric. Ajungând la o temperatura foarte mare, acesta începe să emită o radiație cu o lungime de undă în domeniul vizibil. Filamentul (care în prezent se face din tungsten) se află într-un bulb (balon) din sticlă. Acesta poate fi vidat sau umplut cu diverse gaze inerte. Deoarece o parte din energia becului incandescent se degajă sub forma de căldură, s-a căutat o soluție mai eficienta din punct de vedere energetic radiație luminoasă.

Funcția fiecărui bec de pe automobil stabilește conform normativelor internaționale si puterea acestuia. Caracteristicile tehnice sunt specificate de fiecare producător de automobil in parte. De reținut ca in același balon de sticlă pot fi montate 2 filamente cu puteri diferite și prin urmare au funcții diferite.

Figura 8 – Caracteristica curent-tensiune aunui bec clasic de semnalizare, poziții

Figura 9 – Bec cu filament incandescent

Figura 10 – Bec far cu 2 faze

O construcție aparte o are becul pentru far care trebuie sa aibă doua moduri de iluminare: fază scurtă (lumini de întâlnire) si fază lungă (lumini de drum). Cele două moduri de lucru sunt realizate prin cele două filamente dintre care unul are o oglindă semisferică plasată in apropiere ( vezi Figura și Figura ). El se montează întotdeauna în aceeași poziție cu ajutorul dispozitivului de ghidare pentru a păstra reglarea sistemului de iluminare.

Figura 11 – Modul de iluminare al unui bec cu 2 faze

Becul cu halogen

Becul cu halogen funcționează pe același principiu ca și becul incandescent. Ceea ce diferă, este compoziția bulbului de sticlă și amestecul de gaze din interior, care conțin și halogen. Astfel, filamentul poate ajunge la o temperatura mai mare, fara a se distruge (arde). Intensitatea luminii produse este cu 20-30% mai mare decat in cazul becului incadescent clasic. Datorita dimensiunilor mici, becurile cu halogen se folosesc mai ales la corpurile de iluminat cu spoturi de lumină. Există însă și becuri cu halogen dedicat domeniului auto. Pe cutie este scrisă clasa de consum, precum și luminozitatea, exprimată în lumeni.

1.2.6 Protocoale de comunicație pentru automobile

Protocoalele de comunicație utilizate în industria automobilelor se clasifica în principal în funcție de viteza de transmitere a datelor. SAE (Society of Automotive Engineers), societatea inginerilor de automobile, propune următoarea clasificare a sistemelor/rețelelor de comunicație:

Figura 12 – Logo protocol CAN (Controller Area Network)

Începând cu mijlocul anilor 1980 Bosch a demarat dezvoltarea protocolului CAN. În prezent acest protocol este cel mai utilizat în industria automobilelor, în anul 2000 fiind comercializate aproximativ 100.000.000 de module CAN. Protocolul CAN se caracterizează prin robustețe și viteză de transmitere a datelor relativ mare. Este utilizat în principal pentru aplicații în timp real, cum ar fi managementul motorului, transmisiei și a sistemului de frânare clasic (hidraulic).

Figura 13 – Logo protocol LIN (Local Interconnect Network)

Protocolul LIN este rezultatul colaborării dintre Audi AG, BMW AG, Daimler AG, Freescale, VW și Volvo. Scopul colaborării este de a crea un protocol simplu, ieftin, de viteza mica care sa fie utilizat la controlul sistemului de închidere centralizată, climatizare, oglinzi electrice, etc. Față de protocolul CAN care utilizează doua fire pentru a transmite informațiile protocolul LIN este monofilar, utilizează doar un fir.

Capitolul 2 – Implementarea hardware a sistemului

2.1 Obiectivele lucrării

Proiectarea și dezvoltarea hardware și software a unei platforme de testare funcțională a un ui bloc optic (lampă față) cu leduri pentru un autovehicul, ce are încorporată și unitatea electronică de comandă (Electronic Control Unit, ECU). Testarea funcțională presupune monitorizarea parametrilor de funcționare (tensiune, curent, intensitate luminoasă) ai blocului optic la variația temperaturii ambientale utilizând o cameră climatică și are ca scop verificarea testelor realizate de producătorul blocului optic și a concordanțelor cu cerințele beneficiarului.

Partea hardware a platformei de testare va conține un modul de testare cu microcontroler care comunică cu un calculator. Modulul de testare conține un microcontroler ATMega328p, circuite de alimentare, circuite de comandă (driver) pentru blocul optic, circuite de măsurare a tensiunilor și curenților, senzor de temperatură, afișaj, butoane de control. Schema electronică și cablajul imprimat se vor proiecta și simula în Proteus.

Partea software va conține o aplicație dezvoltată în LabVIEW, ce reprezintă interfața cu utilizatorul pentru comanda și monitorizarea blocului optic, și codul sursă pentru microcontroler, dezvoltat în Arduino IDE, ce permite primirea comenzilor de la aplicația LabVIEW, comanda blocului optic, măsurarea parametrilor de funcționare și

transmiterea acestora către aplicația LabVIEW.

Setarea testului se bazeaza pe:

Date de intrare:

– temperatura camerei climatice;

– timpul de test;

– numărul de activări / dezactivări.

Echipamente utilizate:

– camera climatică (Laborator AIB);

– platforma de activare;

– echipamente de testat;

– conectică (fire);

– sursa de alimentare.

2.2 Echipamente de testat

Figura 14 – Ambient Light

Figura 15 – Head Lamp X52 Brazilia

2.3 Schema bloc a sistemului

Figura 16 – Schema bloc a sistemului

Conform schemei, proiectul functionează astfel :

Pornim de la un calculator ( ce are instalat pe el aplicatia Software) ce permite comunicarea serială cu Arduino.

Arduino interpretează datele primite din aplicație și transmite comenzi către platforma de testare.

Aceasta din urmă va avea rolul de a controla ECU-urile introduse în camera climatică.

2.4 Schema bloc a circuitului

Figura 17 – Schema bloc a circuitului electric

2.5 Descrierea componentelor utilizate

Componente folosite:

– stabilizator de tensiune 7805;

– ULN2003A;

-rezistori;

-condensatori;

-diodă;

– 6 tranzistori MOSFET;

-LED-uri;

-conectori;

a) Stabilizator de tensiune 7805

În platforma de teste dezvoltată am ales să folosesc stabilizator de tensiune 7805, ce este un stabilizator stabilizatoarele liniare integrat, care oferă la ieșire 5 [V].

Stabilizatoarele liniare integrate reunesc într-o singură capsulă toate componentele necesare unui stabilizator liniar performant din toate punctele de vedere. Cel mai întâlnit exemplu este cel al stabilizatoarelor integrate din seria 78XX și 79XX care arată așa ca în figura de mai jos. Primele două cifre din codul stabilizatorului reprezintă tipul tensiunii stabilizate (78XX este destinat tensiunilor pozitive, iar 79XX celor negative. Ultimele două cifre reprezintă valoarea tensiunii stabilizate, deci, 7805 este un stabilizator de tensiune pozitivă ce oferă la ieșire 5 [V].

Figura 18 – Capsula stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX și 79XX

Modul în care funcționează stabilizatorul 7805 este descris în figura următoare. Pinii 1, 2 și 3 indicați în aceste figuri corespund pinilor indicați în figura de mai sus. Conform datasheet-ul stabilizatoarelor din seriile 78XX si 79XX , acestea includ protecție la suprasarcină și la supraîncălzire.

Figura 19 – Schema interna a stabilizatorului de tensiune 7805

ULN2003A––trb datasheet

Figura 20 -ULN2003A – Tranzistor Darlington

Tranzitori MOSFET

Figura 21-Tranzistor de putere MOSFET NVD2955

MOSFET- Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effect Transistor ( Tranzistorul cu Efect de Câmp cu Poartă Izolată)

Din multitudinea tranzistoarelor utilizând tehnologia MOS (metal-oxid-semiconductor) și efectul de câmp (FET), în electronica de putere se utilizează cele cu canal indus. Față de

semiconductoarele de putere prezentate anterior tranzistorul MOSFET cu canal indus se

caracterizează prin două diferențe esențiale:

• crearea canalului de conducție prin câmp electric, deci printr-o comandă în tensiune de putere

redusă;

• asigurarea conducției în canal prin purtători de tip minoritar.

În figura de mai jos  am schițat structura unui MOS-FET cu canal P. Se observă că are în componență două joncțiuni PN care sunt plasate spate în spate la fel ca în cazul tranzistorului bipolar, motiv pentru care barierele de potențial formate între acestea nu permit trecerea curentului electric între sursă și drenă.

Figura 22 – Structura și simbolizarea unui tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET)

În figura următoare, observăm că situația se schimbă radical când MOS-FET-ul este polarizat corespunzător. Observăm că poarta este conectată la borna + (plus) a sursei din circuitul de intrare, ceea ce înseamnă că electronii liberi în jurul barierelor de potential vor fi atrași către poarta MOS-FET-ului. Acești electroni nu vor putea să ajungă în zona porții pentru că îi impiedică stratul de izolator, motiv pentru care se vor aduna sub forma unei “pelicule” de electroni alungită de-a lungul izolatorului (vezi zona portocalie din figura). Această peliculă dizolvă barierele de potențial deoarece în acest caz și de o parte și de alta a joncțiunilor PN există surplus de electroni. Mai departe, observăm că această peliculă creează o punte de legatură între sursa și drena MOS-FET-ului.

Figura 23 – Funcționarea unui tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET)

Se observă că drena și sursa MOS-FET-ului sunt simetrice,deci am putea inversa oricând drena cu sursa. Cu toate acestea, trucurile folosite de fabricanții de MOS-FET-uri pentru a-i îmbunătăți performanțele, în general nu permit inversarea drenei cu sursa.

MOS-FET-ul nu consumă curent din circuitul de intrare, ceea ce înseamnă că și el este un tranzistor ce se poate comanda în tensiune. Regula de funcționare este însă inversă: cu cât este mai puternic semnalul de intrare (UPS), cu atât mai mare este curentul de drenă (ID) pe care îl determină în circuitul de ieșire.

Funcționarea MOS-FET-ului cu canal P are loc în același mod, exceptând bineînțeles faptul că polaritatea tensiunilor electrice trebuie inversată.

Rezistori

Rezistorul este o piesă componentă din circuitele electrice și electronice a cărei principală proprietate este rezistența electrică. Rezistorul obișnuit are două terminale; conform legii lui Ohm, curentul electric care curge prin rezistor este proporțional cu tensiunea aplicată pe terminalele rezistorului ( {\displaystyle I={\frac {U}{R}}} {\displaystyle I={\frac {U}{R}}}). Cel mai important parametru al unui rezistor este rezistența sa electrică, exprimată în ohmi.

Figura 24 – Rezistor SMD

Rezistența de pull-up

În circuitele logice electronice, un rezistor de tracțiune este un rezistor folosit pentru a asigura o stare cunoscută pentru un semnal. Se utilizează în mod obișnuit în combinație cu componente cum ar fi întrerupătoare și tranzistoare, care întrerup fizic conexiunea componentelor ulterioare cu solul. Rezistența de tragere asigură apoi o tensiune bine definită (adică VCC) pe parcursul celei din urmă în timpul întreruperii.

Când comutatorul este deschis, tensiunea de intrare a porții este trasă până la nivelul lui Vin. Când întrerupătorul este închis, tensiunea de intrare de la poarta trece la masă.

Să presupunem că vrem ca la Vin sa avem tensiunea 1 atunci când switch-ul nu este apăsat și 0 atunci cand acesta este apasat.

Daca am face ca in figura de mai jos atunci cand switch-ul nu este apasat tensiunea Vin nu poate fi determinata, iar daca switch-ul este apasat tensiunea Vi este 0. Nu este ceea ce ne dorim.

Vom folosi rezistenta de pull-up pentru a obtine rezultatul dorit:

Figura 25 – Schema rezistenței de pull-up

In acest caz, atunci cand switch-ul este ridicat, tensiunea Vin este 5V. Atunci cand switch-ul este apasat, curentul va prefera calea cu rezistenta mai mica si va merge spre ground prin switch tensiunea Vin fiind 0.

Rezistența de pull-down

Rezistenta de pull-down este asemanatoare’ cu rezistenta de pull-up.

Presupunem ca vrem ca atunci cand circuitul este deschis sa avem tensiunea Vin egala cu 0, iar atunci cand circuitul este inchis tensiunea Vin sa fie 5V.

Pentru a ajunge la acest rezultat vom folosi circuitul urmator:

Figura 26 – – Schema rezistenței de pull-down

Atunci cand intrerupatorul este deschis tensiunea Vi este egala cu zero deoarece este conectata direct in masa.

Daca intrerupatorul este inchis, tensiunea de intrare Vi este egala cu 5V.

Condensatori

Condensatorul este un dispozitiv electric pasiv ce înmagazinează energie sub forma unui câmp electric între două armături încărcate cu o sarcină electrică egală, dar de semn opus. Acesta mai este cunoscut și sub denumirea de capacitor. Unitatea de măsură, în sistemul internațional, pentru capacitatea electrică este faradul (notat F).

Figura 27 – Condensator SMD

Figura 28 – Simboluri convenționale pentru condensatori

Dioda – este o componentă electronică cu două terminale (contacte), având conductanță asimetrică. Dioda are rezistență mică (ideal zero) la trecerea curentului într-o direcție și rezistență mare (ideal infinită) la trecerea în cealaltă direcție. Dioda semiconductoare, cea mai des utilizată diodă, este o bucată cristalină de material semiconductor având la bază o joncțiune p-n conectată la 2 terminale electrice. Cea mai utilizată funcție a diodei este de a permite trecerea unui curent electric într-o direcție (numit și curent direct al diodei), blocând totodată trecerea curentului în direcția opusă (numit și curent invers al diodei).

Figura 29 – Diodă

Figura 30 – Simbolul diodei

g) Dioda Luminiscentă (LED)

LED-ul este o diodă care are proprietatea de a emite lumină atunci când este polarizată direct.

Figura 31 – Dioda luminiscentă (LED)

Reprezentarea LED-ului

Acesta este construit dintr-o structură semi-conductoare p-n cu o suprafață foarte mică, care emite lumina. Această structură se realizează din aliaje semiconductoare speciale. La construcția structurii semiconductoare nu se utilizează siliciu sau germaniu deoarece se încălzesc și nu emit bine lumina.

Această structură care mai poartă numele de diodă este amplasată într-o cupă reflectoare și este conectată la terminalele diodei (ANOD și CATOD). Toate aceste elemente sunt încapsulate în capsule ce se realizează din rășini sintetice de diverse culori și forme.

Funcționarea LED-ului

Între semiconductorul de tip N și semiconductorul de tip P al diodei se formează o joncțiune PN. La frontierele joncțiunii electronii difuzează din partea N în partea P și se recombină cu golurile de aici iar golurile difuzează din partea P în partea N și se recombină cu electronii de aici. Se formează o regiune sărăcită de purtători, în care nu există electroni liberi și nici goluri libere, ce formează o barieră care nu mai permite recombinarea electronilor din partea N cu golurile din partea P.

Prin polarizarea directă a joncțiunii PN, bariera creată de regiunea sărăcită de purtători este străpunsă, electronii din partea N sunt atrași de terminalul pozitiv al sursei de alimentare iar golurile din partea P sunt atrase de terminalul negativ al sursei de alimentare. Atât electronii cât și golurile ajung în regiunea sărăcită de purtători unde se recombină și eliberează energie sub formă de caldură și lumină.

La LED-uri, prin construcția acestora , majoritatea combinărilor electron-gol eliberează fotoni sub formă de lumină în spectrul vizibil. Acest proces se numește electroluminiscență. Intensitatea radiațiilor luminoase produse de LED sunt direct proporționale cu intensitatea curentului direct prin joncțiunea PN a LED-ului.

Parametrii electrici ai LED-urilor

Curentul direct (IF) – reprezintă curentul maxim suportat de LED la polarizarea directă. Valoarea maximă a acestui curent este de 50 mA pentru LED-urile ce emit în spectrul vizibil respectiv 100 mA pentru LED-urile ce emit în infraroșu.

Tensiunea de deschidere (VF) – reprezintă tensiunea ce trebuie aplicată la bornele LED-ului pentru ca acesta să emită radiații luminoase. Valoarea acestei tensiuni variază intre 0,6 V și 3,2 V.

Tensiunea inversa (VR)- reprezintă tensiunea maximă inversă pe care o poate suporta LED-ul fără a se distruge (tipic 3 V-10 V).

2.6 Schema electrică a circuitului

Figura 32 – Schema electrică a circuitului

2.7 Layout

Cablajul schemei electrice este realizat în Proteus Professional.

TOP

Figura 33 – TOP Layout

BOTTOM

Figura 34 – BOTTOM Layout

TOP+BOTTOM

Figura 35 – TOP+BOTTOM Layout

Vizualizare 3D

TOP

Figura 36 – Vizualizare 3D TOP

BOTTOM

Figura 37 – Vizualizare 3D Bottom

Figura 38 – Vizualizare 3D

Forma PCB-ului după prima etapă a asamblării

Figura 39 – PCB faza 1

Forma finală a proiectului

Figura 40 – PCB fază 2

Componentele au fost asamblate manual pe placută.

Capitolul 3 – Implementarea software a sistemului

3.1 Implementarea software a semnalului de activare al echipamentului de testat

3.1.1 Prezentarea mediului de programare LabView

LabVIEW este un mediu de programare grafic pentru instrumentație virtuală, produs și dezvoltat de firma National Instruments din Austin, Texas, începând cu anul 1986. Acest mediu de programare s-a impus cu timpul datorită facilităților oferite pentru dezvoltarea de aplicații de măsurare, testare și control cu ajutorul calculatorului, existând la ora actuală un număr foarte mare de integratori ce dezvoltă aplicații în acest limbaj pe întreg globul. LabVIEW este în principal dedicat construirii de instrumente virtuale, având funcții specializate pe operațiuni de achiziție, prelucrare, afișare și transmisie la distanță a semnalelor de măsură, dar poate fi privit și ca un limbaj de programare grafică de uz general, de sine stătător. LabVIEW este un mediu de programare foarte flexibil, dispunând de biblioteci puternice de funcții dedicate. Astfel, se pot concepe și dezvolta aplicații de la cele mai simple, ca de exemplu măsurarea și afișarea unei temperaturi, până la programe sofisticate de testare on-line și control industrial.

Programele dezvoltate în LabVIEW se numesc instrumente virtuale (virtual instruments sau IV-uri) și prezintă extensia .vi. Aceste programe au rolul de a primi date de la utilizator sau de la interfețele calculatorului cu procesul ai cărui parametri se măsoară, de a le prelucra și apoi de a le afișa, stoca sau a le transmite la distanță. Ideea constructorului limbajului este ca aceste IV-uri să semene cât mai bine din punctul de vedere al utilizatorului cu un instrument de măsură real, atât ca înfățișare cât și ca funcții. LabVIEW, în cei peste 20 de ani de când există, a evoluat mult în complexitate. La ora actuală, limbajul posedă puternice capabilități de gestionare a resurselor calculatorului, în scopul opțimizării puterii de calcul, ca și un mare număr de toolkituri, seturi de biblioteci adiționale dedicate, ce permit programatorului dezvoltarea de aplicații extrem de complexe. Un IV conține următoarele trei elemente principale:

1. Panoul frontal

2. Diagrama de legături

3. Pictograma cu conectorul

3.1.2 Diagrama bloc a aplicației software

Figura 41 – Diagrama bloc a aplicației software

3.1.3 Descrierea și scopul aplicației software

► Realizată în mediul de dezvoltare LABVIEW;

► Interfață de comandă și monitorizare pentru ECU-uri;

► Permite comunicarea serială dintre Arduino și calculator;

► Monitorizează timpul de testare a unui ECU în camera climatică sub diferite condiții de temperatură.

Panoul frontal al aplicației software:

Figura 42 – Panoul frontal al aplicației software

În imaginea de mai sus este reprezentată interfața aplicației software.

Aplicația permite selectarea portului device-ului, timpul de test si numarul de cicluri.

De asemenea, avem 6 canale cu ajutorul carora putem sa activam sau sa dezactivam independent mai multe componente ale unui ECU, prin selectarea unor procente ON Delay si ON TIME, astfel incat testul sa se realizeze conform cerintelor din caietul de sarcini.

In partea dreapta avem si graficele starilor celor 6 canale, avand specificat in partea de sus timpul curent si afisaza ciclul la care se afla testul in momentul prezent.

3.2 Implementarea software a comenzii unității de testare funcțională

3.2.1 Descrierea mediului de dezvoltare Arduino IDE

Arduino IDE este un mediu de programare pus la dispoziția utilizatorilor de catre ARDUINO. Programele Arduino sunt scrise în limbajul C/C++. Ceea ce îl deosebește de alte medii de programare , este o biblioteca 'wiring.h' ce îi permite utilizatorului să comande pinii de pe placuță printr-o singură comandă. Utilizatorii trebuie să definească două funcții pentru a avea un program ciclic complet:

setup(): este o funcție rulată la începutul unui program în care sunt inițializate variabilele

și loop(): este o funcție repetitivă ce rulează până când plăcuța nu mai este alimentată sau este ștearsă memoria flash.

Majoritatea plăcilor Arduino au conectat un LED la pin-ul 13 și la masă, ceea ce face mult mai ușor testarea proiectelor. Scrierea în memoria flash a programelor se face conectând placa Arduino la un calculator folosind un cablu USB. Arduino IDE folosește GNU Toolchain și AVR Libc pentru compilarea programelor în limbajul microprocesorului și AVRdude pentru uploadarea pe plăcuță.

Deoarece Arduino folosește microcontrollere Atmel, poate fi folosit și AVR Studio pentru scrierea programelor.

Figura 43 – Interfața Arduino IDE

3.2.2 Organigrama implementpării software

3.2.3 Codul sursă Arduino

String inData;

char msg[20];

int i = 0;

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(4, OUTPUT);

pinMode(5, OUTPUT);

pinMode(6, OUTPUT);

pinMode(7, OUTPUT);

pinMode(8, OUTPUT);

pinMode(9, OUTPUT);

pinMode(10, OUTPUT);

pinMode(11, OUTPUT);

pinMode(12, OUTPUT);

pinMode(13, OUTPUT);

}

void loop() {

while (Serial.available() > 0)

{

char recieved = Serial.read();

inData += recieved;

if (recieved == '\n')

{

inData.toCharArray(msg, inData.length());

for (i = 0; i < inData.length(); i++)

{

if (msg[i] > '0')

digitalWrite(4 + i, HIGH);

else

digitalWrite(4 + i, LOW);

}

//Serial.print(inData);

inData = ""; // Clear recieved buffer

}

}

}

AICI MAI AM DE BAGAT COMENTARIILE DE LA NITUC

Capitolul 4 – Aplicație practică a platformei de activare

Așa cum am descris in cadrul primului capitol, pentru orice produs dezvoltat, etapa de validare este absolut necesară pentru a demonstra fiabilitatea și robustețea echipamentului electronic.

Pentru a putea demonstra aceste două calități într-un timp scurt, un eșantion de piese va trebui fi supus unor factori de stres mari, conform unui model de accelerare bazat pe profilul de funcționare al echipamentului electronic.

Pentru validarea echipamentului, acesta va trebui fi supus la ciclaje de temperatură, umiditate, socuri mecanic, substante chimice și vibrații (ca în exemplele date în cadrul primului capitol).

Utilitatea platformei de testare functionala o reprezinta capacitatea de a programa activarea echipamentului ce necesita a fi testat. Un exemplu il reprezinta un test de durabilitate ce se poate desfasura pe parcursul a cel putin 3 luni în care echipamentul va trebui activat și dezactivat la o temperatură ridicată de un număr de ori estimat pentru intreaga durata de exploatare a echipamentului in viata reala.

De exemplu, pentru un far ce este montat pe o masina ce in medie este utilizata timp de 10 ani, iar utilizatorul foloseste masina in fiecare zi, printr-un calcul matematic simplu vom obtine un numar de activari al farului de 3650 de ori (acesta este un calcul nerealist …..)

Pentru o durata de testare de 3 luni, echipamentul va fi activat de 1200 pe luna.

Figura 44 – Durata efectivă a testului

In cadrul Companiei Renault, printre testele de rezistenta la factorii de mediu (vibratii, mecanice, climatice, chimice, durata de viata) avem specificat in caietul de sarcini acest grapfic ce reprezinta ,,Profil de activare test fiabilitate’’, in care ne este specificata temperatura camerei climatice: T room (80-90 grade Celsius) si Durata efectiva a testului ce urmeaza a fi facut, cu o precizare referitoare la Timpii de activare si dezactivare (T ON si T OFF) ai unor componente ale ECU-urilor. Astfel, in functie de cat timp rezista o componenta la temperatura dorita , dupa un numar de activari si dezactivari, putem vorbi despre doua rezultate posibile :

1. Test trecut : fiabilitatea -100%

2. Test esuat : fiabilitatea< 100%, sau putem sa ne referim aici la un anumit numar de ani in care, o componenta de pe un ECU isi indeplineste functia.

!!!!!!!!!!!Day profile (TABEL)

Platforma nu a putut fi utilizată pentru un test de durabilitate, însă a fost folosită cu scopul de a compara rezultatele realizate de către un furnizor de echipamente electronice cu cele realizate de către Renault, în cadrul unui test de funcționalitate pentru tot domeniul de temperatură specificat pentru produs.

Figura 45 – Pre-testarea farurilor

Figura 46 – Testarea farurilor în camera climatică

Capitolul 5 – Concluzii

În urma testării funcționale a blocurilor optice, am ajuns la urmatoarele concluzii:

Rezultatul testului este similar cu al furnizorului;

TABEL Rezultatele testului

Am realizat o comparație cu testele furnizorilor, însă rezultatele sunt similare și nu identice, deoarece testele realizate de noi sunt pe definiția tehnică a farului (Rezultatele Renault), iar cele realizate de producător sunt pe un prototip.

Rezultatele permit validarea acestei platforme de activare;

Aceasta platfomă de activare este foarte utilă în realizarea unei serii de teste climatice, conform caietelor de sarcini interne.

Bibliografie