PROIECTAREA UNUI SISTEM DE IRIGAȚII AUTOMATIZAT Absolvent Tudor-Cătălin ILIE Conducător științific: s.l. dr. ing. Bogdan MARINCA TIMIȘOARA 2016 ANEXA… [311287]

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” DIN TIMIȘOARA

FACULTATEA DE ELECTRONICĂ ȘI TELECOMUNICAȚII

DEPARTAMENTUL DE ELECTRONICĂ APLICATĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

PROIECTAREA UNUI SISTEM DE IRIGAȚII AUTOMATIZAT

Absolvent: [anonimizat]-Cătălin ILIE

Conducător științific:

s.l. dr. ing. Bogdan MARINCA

TIMIȘOARA

2016

ANEXA 1

TEMĂ PENTRU LUCRAREA DE LICENȚĂ

Numele și prenumele student: [anonimizat] □ mediu redus □

Conducător științific Sl. dr. Ing. Marinca Bogdan

Locul de desfășurare a [anonimizat], Laborator „Electronică II”

Lucrarea trebuie finalizată ca PARTE TEORETICĂ ȘI PRACTICĂ

Lucrarea trebuie să conțină DOCUMENTAȚIE PENTRU PROIECTAREA UNUI SISTEM DE MONITORIZARE A [anonimizat], [anonimizat], PARTE PRACTICĂ

Cerințe suplimentare

Data propunerii temei 11.noiembrie.2015 Cond. științific sl. dr. ing. Bogdan Marinca

Data aprobării temei 12.decembrie.2015 Dir. de departament prof. dr. ing Dan Lascu

Data primirii temei 11.ianuarie.2016 Candidat: [anonimizat] 1

[anonimizat]. Conform statisticilor ONU (Organizația Națiunilor Unite), populația Globului crește anual cu 80 de milioane de persoane. Acest lucru implică o creștere de 64 de miliarde de metri cubi a necesarului de apă pentru consum anual.

Previziunea legată de competiția pentru apă este cuprinsă în raportul pe anul 2012 al World Water Development Report (WWDR), raportul ONU legat de evoluția apei planetare. Acest raport complex este emis de către ONU o dată la 3 ani.

În general 70% [anonimizat]. Agricultura irigată reprezintă 20% din totalul pământului cultivat (media globală), dar aduce 40% din hrană.

În agricultura modernă ([anonimizat], [anonimizat]), [anonimizat] a susține o [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], care devine din ce în ce mai valoros. [anonimizat].

Jumătate din suprafața totală a [anonimizat]. După 1989, suprafața irigată din România s-a [anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat]. În ultimii ani însă tehnologia irigațiilor a evoluat mult și performanțele sunt din ce în ce mai ridicate. Sistemele de irigații sunt acum dotate cu senzori și panouri de automatizare computerizate fapt care valorifică superior cantitățile de apă utilizate pentru culturi și eficientizează consumul de energie.

Gazonul are nevoie în medie de 5 litri de apă pe m2 zilnic. Asta inseamnă 1 m3 de apă pentru o suprafată de 200 m2. Acesta fiind media calculată pe un an, deci în perioade secetuase se poate ajunge și la dublu, adică 1 m3 de apă fiind de ajuns pe o suprafață de numai 100 m2.

La un robinet obișnuit în grădină, debitul este de cca 20 litri de apă pe minut, adică umplem două găleți într-un minut. La cantitatea de apă descrisă mai sus avem nevoie de 2 m3 de apă, adică 2000 litri pentru o suprafață de 200 m2. Cu debitul de 20 l/m înseamnă că trebuie să stăm 100 de minute zilnic cu furtunul în mână. Pe lângă faptul că pierdem aproape două ore zilnic, trebuie să udăm uniform, altfel gazonul o să crească neuniform.

Pentru un comfort total în privința udării gazonului se recomandă instalarea unui sistem automat de irigații. Aceste sisteme de irigații sunt total automatizate și udă uniform. Sistemele de irigații automate sunt dotate cu senzor de umiditate.

OBIECTIVUL LUCRĂRII

Lucrarea constă în proiectarea și realizarea practică a unui sistem automatizat de irigații, folosind senzorii necesari (cel de umiditate și cel ultrasunet), o plăcuță programabilă Arduino și o pompă de apă, cu scopul de a ușura munca omului în viața de zi cu zi.

Managementul apei este un factor foarte important, la nivel mondial. De aceea, utilizarea unui astfel de sistem este necesar pentru viitor.

Toate sistemele din orice domeniu tind să se îndrepte către automatizare. Acest lucru este un avantaj pentru noi deoarece economisim timp și efort, cu toate că, riscăm să devenim mai leneși decât suntem.

CAPITOLUL 2

DESCRIEREA SISTEMULUI

GENERALITĂȚI

Elementele unui sistem automat de irigații:

-programator (Arduino): acesta este cel care memorează programul de udare și transmite semnal la electrovalve pentru pornire

-senzor de ploaie / umiditate: în cazul în care au căzut precipitații peste cantitatea necesară gazonului / plantelor transmite un semnal la programator ca să nu mai pornească

-pompă de apă

-aspersoare și duze: prin ele se face udarea propriuzisa

Atunci când senzorul determină un nivel scăzut de umiditate în ghiveci, pompa începe să funcționeze.

Interfațarea aparatului cu mediul fizic de lucru se face prin intermediul senzorilor și efectorilor (pompa).

În această aplicație nu avem nevoie de măsurători simultane și foarte frecvente (cel mult din minut în minut), putem face o mare economie de piese, energie și complexitate a circuitului operând senzorii și pompele în regim de multiplexare; ATMEGA selectând și citind pe rând fiecare senzor la intervale regulate de timp.

Pentru a face o mare economie de piese și putere, s-a implementat prin programare un sistem de multiplexare a conexiunilor către senzori și comenzilor către pompe.

Pentru a măsura starea de umiditate a unei plante, vom folosi o metodă simplă, bazată pe măsurarea rezistivității solului, aceasta având valori mici (<5KΩ) pentru solul umed și crescând până la valori de 300KΩ-1MΩ pentru solul uscat.

Senzorul nostru este în esență o sondă care se înfige în solul din apropierea plantei și îl folosește ca element de circuit într-un divizor de tensiune. Atunci când este timpul pentru efectuarea unei noi măsurători, placa de bază va alimenta senzorul cu 5V între liniile sale POWER și GROUND, și va citi valoarea stabilită la ieșirea senzorului, conform formulei:

Pompa de apă

Cele mai importante caracteristici ale unei pompe de apă:

La  pompele de suprafață, capul de livrare manometrice (H), trebuie sa fie de min. 40 m;

Volumul de lichid livrat pe unitatea de timp (Q, [l / s], [l / min], [m3 / h]) – Valoarea trebuie să fie de minim de 30 l / min;

Puterea necesară pompelor de gradină să fie între 1 și 2 kW (în funcție de necesitate);

Puterea de aspirare sa fie este de aproximativ  cca.6 m (la pompe cu jet cca. 8 m).

Față de placa de bază, pompa utilizează atât tensiuni cât și curenți mai mari (circa 2A la 12V) și poate fi considerată un utilaj de putere. Prin urmare, pentru alimentarea unei pompe se folosește o sursă separată în forma unui adaptor de 12V, iar pentru realizarea și întreruperea circuitului conform cu semnalul de 5V emis de microcontroller se va utiliza un tranzistor de putere Darlington, capabil să comute curenți de ordinul amperilor și tensiuni de ordinul zecilor de volți în condițiile unui curent de bază de numai 5-10mA.

SCHEMA BLOC

Schema reprezintă modul de conectare a componentelor sistemului automat de irigații.

Avem senzorul de umiditate (LM-393 Driver), care citește gradul de umiditate din sol; senzorul ultrasunet (FC-28), care măsoară cantitatea de apă din vasul din care pompa se alimentează cu apă; un buzzer care emite sunet atunci când volumul de apă din vas este scăzut; microcontrolerul programabil Arduino, care este programat astfel încât în funcție de datele primite de la senzor, va afișa gradul de umiditate și va decide dacă este necesară acționarea pompei; afișajul LCD, care indică gradul de umiditate; etajul final de acționare al pompei, alcătuit dintr-un tranzistor de putere Darlington (TIP122) și pompa de apa.

SENZORI

Dicționarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvântul "senzor". Acesta a apărut

odată cu dezvoltarea microelectronicii, împreună cu alte noțiuni de mare impact, cum ar fi cele de „microprocesor”, „microcontroller”, „transputer”, „actuator” etc., adăugând o noțiune nouă unei terminologii tehnice având o anumită redundanță.

Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt încadrate în categoria de

traductor. Un traductor este un dispozitiv care convertește efecte fizice în semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de măsurat sau calculatoare.

Denumirea senzorului provine din cuvântul latin „sensus”, care însemnă simț și înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost și este utilizat pentru a desemna capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii, de a culege și prelucra informații din mediul înconjurător și a le transmite creierului. În acest proces mărimile fizice, neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpreta și pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor.

Senzorii au aparut in urma cu ceva timp în diverse forme. Primul termostat a aparut pe piață în 1883, iar mulți consideră că acesta este primul senzor modern creat de om. Senzorii cu infraroșu dateaza de la sfârșitul anilor 1940, chiar dacă într-adevăr au devenit populari in urma cu cativa ani. Senzorii de mișcare sunt utiliziati de numar bun de ani.

Inventatorul termostatului electric este Warren Johnson. Senzorul reușea să țină temperatura la o acuratețe de doar un grad, mai bine decât unii senzori de calitate mai joasă de pe piața din zilele noastre.

Primul senzor de mișcare folosit pentru un sistem de alarmă , a aparut la inceputul anilor 1950 si a fost inventat de Samuel Bagno.

Un senzor este un dispozitiv care detectează și răspunde la un anumit tip de intrare din mediul fizic. Intrarea specifică ar putea fi lumina , căldura , mișcarea , umiditatea , presiunea , sau oricare dintr-un număr mare de alte fenomene din mediu. Rezultatul este, în general, un semnal care este convertit pentru a fi afișat sau poate fi transmis prin o retea pentru procesarea informatiei.

Odată ce parametrul fizic a fost transformat într-un echivalent electric este ușor de conectat la un computer sau un microprocesor pentru manipulare, analiza și afișare.

Schema bloc a unui senzor cu semnalele de intrare/ieșire

Iată câteva exemple de tipuri diferite de senzori:

Într -un termometru de sticlă pe bază de mercur, marimea de intrare este temperatura. Lichidul conținut se dilată și se contractă ca răspuns, determinând astfel nivelul să fie mai mare sau mai mic pe ecartamentul marcat.

Un senzor de oxigen în sistemul de control al emisiilor unei mașini detectează raportul benzină / oxigen, de obicei, printr- o reacție chimică care generează o tensiune. Un computer în motor citește tensiunea și, în cazul în care amestecul nu este optim, reajusteaza echilibrul.

Senzorii de mișcare în diferite sisteme, inclusiv lumini de securitate si usi automate, trimit de obicei unele tipuri de energie, cum ar fi microunde, unde ultrasonice sau fascicule de lumină, și detecteaza când fluxul de energie este intrerupt de ceva din calea sa.

Un fotosenzor detectează prezența luminii vizibile, transmisie în infraroșu ( IR ) , și / sau ultraviolete ( UV ).

Caracteristicile senzorilor

1. Funcția de transfer – este caracteristica cea mai importantă a unui senzor. Reprezintă expresia relației dintre semnalul de intrare (de exemplu, concentrația unei anumite specii de determinat, temperatura, presiunea, etc) și semnalul de ieșire al senzorului.

2. Sensibilitatea (limita de detecție) – arată cât de mult se schimbă ieșirea senzorului atunci când cantitatea de intrare măsurată sufera modificări. De exemplu, în cazul în care mercurul dintr-un termometru se mișcă 1 cm, atunci când se schimbă temperatura cu 1 ° C, sensibilitatea este de 1 cm / ° C (aceasta este, în principiu pantei Dy / Dx presupunând o caracteristică liniară).

3. Selectivitatea unui traductor se referă la efectul interferențelor cauzate de ioni sau molecule, altele decât tipul urmărit. Întrucât la marea majoritate a traductoarelor nu se poate asigura un procent de 100 % a selectivității, este important sa se cunoască limitele de selectivitate.

4. Stabilitatea semnalului în timp: această caracteristică primară se referă, în general, la modificarea performanțelor traductoarelor (T) în timp din cauza unor diverși factori. Cunoașterea stabilității senzorului (traductorului) în timp permite stabilirea frecvenței de verificare și recalibrare a acestuia.

5. Timpul de răspuns: decalajul în timp dintre variația semnalului de intrare și variația corespunzătoare semnalului de ieșire a traductorului respectiv.

6. Gradul de participare al senzorului – gradul de participare al senzorului la interacțiunea cu sistemul studiat trebuie să fie redus datorită eliminării perturbațiilor cauzate de prezența senzorului în system.

7. Siguranța în exploatare – presupune asigurarea unui grad de fiabilitate a sistemului de măsură, care este garantat de producător pentru o anumita durată de funcționare a traductorului si este de dorit să fie cât mai mare. Fiabilitatea sistemului de măsură este definita ca numărul maxim de defecțiuni a sistemului intr-un anumit interval de timp.

8. Economicitatea este o caracteristica a unui senzor (traductor), care se poate realiza pornind de la producător și ajungând pânã la utilizator. La producător, economicitatea se poate realiza fie prin întrebuințarea unor materiale cu preț de cost redus, fie prin introducerea robotizãrii in procesul de fabricație de serie, folosind tehnologii de tip hightech (de exemplu: fabricarea senzorilor de tip micro-chip).

Criterii de a alege un senzor

Există anumite caracteristici care trebuie luate în considerare atunci când alegem un sensor:

1.     Acuratețe

2.     Starea mediului – Are de obice limite de temperatură/umiditate

3.     Raza de acțiune – Limita de măsurare a senzorului

4.    Calibrare – Esențial pentru cele mai multe dispositive de măsurare

5.     Rezoluție – Cea mai mica crestere detectată de catre senzor

6.     Cost

7.     Repetabilitate – Citirea care variază se măsoară în mod repetat, in același mediu

Clasificarea Senzorilor

Clasificarea bazată pe proprietate

Temperatura – termocuple, RTD, IC și multe altele.

Presiune – fibră optică, manometre pe bază de lichid elastic, LVDT, electronice.

Flux – electromagnetic, presiune diferențială, deplasare pozițională, masă termică

Senzori de nivel – presiune diferențială, cu ultrasunete de frecvență radio, radar , deplasare termică, etc

Proximitate si deplasare – LVDT, fotoelectric, capacitiv, magnetice, cu ultrasunete.

Biosenzori – oglindă rezonanta, electrochimice, rezonanță plasmonului de suprafață, adresabile – lumina adresabila potentiometric

Gaze naturale si chimice – Semiconductor, infraroșu, Conductanta, electrochimică

Acceleratie – Gyroscop, Accelerometru

Altele – Senzor de umiditate, Senzor de viteză, masă, senzor de inclinare, forță, vîscozitate.

Senzori Digitali si Analogici

Senzori Analogici

Senzorii analogici produc un semnal de ieșire continuu sau de tensiune, care este, în general proporțional cu cantitatea care trebuie măsurata. Cantități fizice, cum ar fi temperatura, viteza, presiunea, deplasarea, sunt toate cantități analogice, deoarece acestea tind să fie continue în natură. De exemplu, temperatura unui lichid poate fi măsurată cu ajutorul unui termometru, care răspunde în mod continuu la schimbările de temperatură, deoarece lichidul este încălzit sau răcit.

Circuitele care măsoară semnalele analogice au de obicei un răspuns lent și / sau acuratețe scăzută. De asemenea, semnalele analogice pot fi ușor transformate în semnale digitale pentru utilizare în sisteme de micro -controller prin utilizarea convertoarelor analog – digital sau ADC.

Senzori Digitali

După cum sugerează și numele, senzorii digitali produc un semnal de ieșire discret sau tensiuni, care sunt o reprezentare digitală a cantității măsurate. Senzorii digitali produc un semnal de ieșire binar sub forma de " 1" logic sau " 0 " logic (" ON " sau " OFF ") . Aceasta înseamnă că un semnal digital produce numai valori discrete (discontinue) care pot fi scoase ca un singur " bit " , (transmisie in serie) sau prin combinarea biților pentru a produce un singur " octet " (transmisie paralelă).

În comparație cu semnalele analogice, semnale digitale au precizie și pot fi măsurate la o viteză foarte mare. Precizia semnalului digital este proporțională cu numărul de biți utilizat pentru a reprezenta cantitatea măsurată. De exemplu, folosind un procesor de 8 biți, se va produce o precizie de 0,390 % (1 parte la 256) . În timp ce folosind un procesor de 16 biți oferă o precizie de 0,0015 % , (1 parte la 65536), sau de 260 de ori mai precis. Această precizie poate fi menținută, in timp ce cantitățile digitale sunt manipulate și prelucrate foarte rapid, de milioane de ori mai rapid decât semnalele analogice.

Senzorii trebuie să fie proiectați pentru a avea un efect mic asupra a ceea ce se măsoară; făcând senzorul mai mic, deseori îmbunătățește acest lucru și poate avea si alte avantaje.

Progresul tehnologic permite din ce in ce mai multor senzori să fie fabricati la o scară microscopica folosind tehnologia MEMS.

Un senzor bun se supune următoarelor reguli:

• este sensibil la proprietatea măsurată

• este insensibil la orice alte proprietati care pot fi întâlnite în aplicarea sa

• nu influențează proprietatea măsurată

SENZORUL DE UMIDITATE

Măsurarea umidității în industriile este critică , deoarece aceasta poate afecta costul de afacere al produsului , precum și sănătatea și siguranța personalului . De aceea, detectarea umidității este foarte importantă, în special în sistemele de control pentru procesele industriale și a confortului uman.

Senzorii de umiditate a solului măsoară conținutul de apă volumetric în sol, indirect, prin utilizarea unor alte bunuri ale solului, cum ar fi rezistența electrică, dielectricitatea constanta, sau interacțiunea cu neutroni, ca substitut pentru conținutul de umiditate. Relația dintre proprietatea masurata și umiditate a solului trebuie să fie calibrata și poate varia în funcție de factorii de mediu, cum ar fi tipul de sol, temperatura, sau conductivitatea electrică.

Măsurarea umidității solului este importantă in aplicațiile agricole, pentru a ajuta fermierii să gestioneze sistemele lor de irigare mai eficient. Știind exact condițiile de umiditate a solului de pe câmpurile lor, nu numai că agricultorii sunt capabili să utilizeze, mai puțină apă pentru a crește o cultură, acestia sunt, de asemenea, în măsură să crească randamentele și calitatea culturilor prin imbunătățirea managementului de umiditate a solului în timpul etapelor de creștere a plantelor.

Senzorii de umiditate pot fi împărțiti în linii mari în două categorii: cele din prima categorie utilizează un principiu capacitiv de detecție, în timp ce a doua categorie folosește efecte resistive.

Cele mai importante specificații in selectarea unui senzor de umiditate sunt:

Acuratețea

Repetabilitatea

Interschimbabilitatea

Stabilitatea pe termen lung

Rezistența la factori fizici si chimici

Mărimea

Eficiența costurilor

Amplasamentul

Plasarea senzorului de umiditate este foarte importantă pentru funcționarea corectă. Senzorul trebuie să fie plasat într-un loc potrivit. Acesta nu ar trebui să fie cel mai umed, deoarece ar opri pornirea aspersoarelor, dar nici în cel mai uscat loc deoarece aspersoarele ar porni prea des. Alegerea locului reprezentativ necesită observarea atenta a locului. Senzorul trebuie să fie în mijlocul modelului de aspersoare.

O altă opțiune ar fi de a plasa un senzor și controlerul acestuia în fiecare zonă din sistem. Aceasta este o alternativă bună atunci când supapele sunt distanțate și fiecare

senzor este folosit doar pentru o anumită zonă. Instalarea este mai ușoară, dar costurile cresc

din cauza numărului total de senzori utilizați.

Senzorul de umiditate folosit in aceasta lucrare este FC-28.

Senzorul de umiditate FC-28:

Tensiunea de operare: 3.3V ~ 5V

4 pini: – Ieșire analogică (A0)

– Ieșire digitală (D0)

-Vcc

-Gnd

LM393 – comparator, stabil.

PCB dimensiune: 3 cm x 1,5 cm.

Dimensiunea sondă: 6 cm x 3 cm.

Lungime cablu: 21cm.

SENZORUL ULTRASUNET

Senzorii cu ultrasunete se bazează pe măsurarea proprietăților undelor acustice cu frecvența peste intervalul audibil uman. Ele funcționează în mod obișnuit prin generarea unui impuls de inaltă frecvență de sunet, și apoi primirea și evaluarea proprietăților pulsului ecou.

Senzorii ultrasonici emit pulsații acustice scurte, de înaltă frecvență, la intervale de timp regulate. Acestea se propagă prin aer cu viteza sunetului. Dacă lovesc un obiect, acestea sunt reflectate inapoi ca semnale ecou la senzor, care calculează distanța până la obiect pe baza intervalului de timp dintre emiterea semnalului și receptarea ecoului.

Mod de operare

1A. Modul Reflexiei

În modul de reflexie (de asemenea, cunoscut sub numele de " raza ecoului ") , un emițător cu ultrasunete emite o scurtă explozie de sunet într -o anumită direcție. Pulsul ricoșează dintr-o țintă și se întoarce la receptor după un anumit interval de timp t. Receptorul înregistrează lungimea acestui interval de timp, și calculează distanța parcursă r bazat pe viteza sunetului.

r = c * t

Folosind o bună coordonare, un singur traductor poate fi utilizat atât pentru emitere pulsului cât și pentru primirea ecoului. Este nevoie de timp pentru ca traductorul să schimbe modurile, fiind o provocare măsurarea pe distanțe scurte.

1B. Mod de măsurare directă

În acest mod de operare emițătorul și receptorul sunt două unități separate, care se mișcă una față de cealaltă. De exemplu, receptorul poate fi fixat pe o țintă care se deplasează în raport cu un emițător staționar, sau vice – versa.

Proprietăți diferite ale pulsului ecou primite pot fi evaluate, pentru diferite scopuri de detectare:

Timp de zbor (pentru a determina distanta)

Deplasarea Doppler (pentru detectarea velocitatii)

Atenuarea amplitudinii (pentru distanța de detecție, direcționalitate, sau coeficientul de atenuare)

Lungimea de undă

Viteza de propagare

Atenuarea atmosferică

Reflectivitatea obiectelor țintă

Influența zgomotelor

Lungimea de undă

În fizică, lungimea de undă este un parametru de bază al oricărui fenomen ondulatoriu care se propagă în spațiu și anume reprezintă distanța parcursă de undă pe durata unei oscilații, ori distanța dintre două puncte din spațiu între care defazajul relativ al oscilațiilor este de 2π radiani.

Lungimea de undă este legată de viteza de propagare a undei respective și de frecvența ei prin relația:

λ = lungimea de undă;

v = viteza de propagare a undei în mediul respectiv;

f = frecvența undei, inversa perioadei temporale;

T = perioada undei.

Viteza de propagare a sunetului

Viteza sunetului este unul dintre parametrii care descriu propagarea sunetului printr-un mediu. Această viteză depinde de proprietățile mediului de propagare, în particular de elasticitatea și densitatea acestuia.

În aer și alte gaze viteza sunetului depinde în primul rînd de temperatură. De exemplu, la 0 °C viteza sunetului este de 331,5 m/s, iar la 20 °C aproximativ 343,4 m/s. Presiunea are un efect mic, iar umiditatea nu are aproape nici un efect asupra vitezei.

Pentru aer, formula aproximativă de mai jos permite calculul vitezei de propagare a sunetelor în funcție de temperatură, pentru un domeniu de temperaturi în jur de 0 °C:

]

t= temperatura aerului exprimată în grade Celsius

Deplasarea Doppler

Când un val este reflectat de un obiect în mișcare, frecvența este deplasată cu o valoare proporțională cu viteza obiectului. Acest fapt poate fi exploatat în detectarea cu ultrasunete prin măsurarea frecvenței întoarcerii pulsului ecou si nu a timpului de zbor.

Cunoscând fe și fr frecvența pulsului emis și primit, respectiv, viteza v a țintei, poate fi calculată:

fe – fr = 2 fe (v / c) cos(A)

Unde: A este unghiul dintre liniile impulsului de mișcare ținta.

Atenuarea amplitudinii

Prin măsurarea intensității pulsului care se întoarce, o estimare a distanței parcurse se poate face cu ajutorul următoarei ecuații:

I = I0e-ax

Unde: I și I0 sunt intensitatile primite și intensitățile originale

a este coeficientul de atenuare ( o proprietate a mediului )

x este distanța parcursă de unda.

Atenuarea poate fi, de asemenea, cauzată de un unghi mărit între țintă și receptor, care poate devia ecoul în altă parte și să nu fie auzit deloc.

Atenuarea atmosferică

Pe parcursul propagării ultrasunetelor, o parte din energia acestora este absorbită de mediu. Puterea semnalului acustic care pleacă de la o sursă scade conform cu legea inversului pătrat.

]

Unde: I = intensitatea (puterea per suprafață) la distanța d;

I0 = intensitatea maximă (inițială);

d = distanța.

Reflectivitatea obiectelor țintă

Directivitatea suprafeței obiectului țintă determină cât din energia reflectată e direcționată înapoi spre receptor.

Din moment ce majoritatea obiectelor împrăștie semnalul într-un mod izotropic, ecoul se disipă din nou în concordanță cu legea inversului pătrat, introducând un termen adițional la numitor față de forma ecuației precedente a intensității.

În plus, un nou factor Kr, trebuie introdus la numărător în raport cu reflexivitatea obiectului țintă.

unde: Kr = coeficient de reflexie.

Cu cât e mai mare dezacordul între impedanțele din cele două medii, cu atât mai multă energie va fi reflectată înapoi la sursă.

Influența zgomotului

În general, două feluri de zgomote pot afecta performanțele senzorilor ultrasonici: zgomotul mediului înconjurător și zgomotul auto-generat.

Timpul de zbor

Timpul de zbor are la baza ca metoda de detectare emiterea unui impuls, așteptând să se întoarcă.

Acest timp de asteptare limitează viteza cu care pot fi făcute măsurători succesive, fără a risca confuzie.

Cu toate acestea, Doppler și dispozitivele de detecție bazate pe atenuare nu au aceleași restricții: un val constant de ultrasunete pot fi emise, și atenuarea sau frecvența undei recepționate, este analizată în mod continuu. Acest lucru poate face măsurătorile mai rapide, crescând în mod eficient sensibilitatea senzorului.

Avantajul principal al senzorilor cu ultrasunete este faptul că măsurătorile pot fi efectuate fără a atinge sau a împiedica in alt mod ținta. În plus, în funcție de distanța măsurată, măsurătoarea este relativ rapidă (durează aproximativ 6ms pentru ca sunetul sa ajunga la 1m distanta) .

Cu toate acestea, mulți factori, cum ar fi temperatura, unghiul și materialul pot afecta măsurătorile.

Erori de măsurare

În procesul de analiză a datelor provenite din măsurătorile efectuate cu senzorii ultrasonici se vor calcula eroarea absolută, eroarea relativă și se va determina eroarea maximă admisibilă. Eroarea absolută este dată de relația:

unde xm este valoarea obținută prin măsurare și xr este valoarea reală.

Eroarea relativă este dată de relația:

unde Δx este eroarea absolută și xr este valoarea reală. Eroarea relativă este exprimată în procente.

Timpul de răspuns al senzorului este dependent de viteza de propagare a sunetului în mediul în care se fac măsurărorile. Timpul de răspuns teoretic al fiecărui senzor este dat de relația:

Senzorul de ultrasunete HC-SR04:

Funcționează pe principiul sonarului pentru a aprecia distanța până la un obiect, oferind o mare precizie a distanței măsurate: de la 2 cm până la 400 cm, cu precizie de până la 3 mm. Modulul include atât Transmițătorul (T) care trimite semnalul cât și Receptorul (R) care îl recepționează.

Ultrasunetele au o frecvență ridicată (în principiu 40kHz). La început este trimis un semnal de 10μs, apoi o serie de 8 impulsuri de 40 kHz. Receptorul așteaptă ecoul: dacă răspunsul este între 150μs-25ms se detectează un obstacol; dacă timpul este peste 38ms nu se detectează nimic.

Distanța este calculată folosind formula L= C * T/2, unde L este lungimea, C este viteza sunetului în aer (344 m/s la temperatura ambiantă de 20 grade C), iar T este diferența de timp de la trasmitere până la recepționare; timpul este înjumătățit deoarece distanța este parcursă în ambele sensuri. Trebuie ținut cont că viteza sunetului este afectată de densitatea aerului (iar densitatea este afectată în principal de temperatură și altitudine).

Modulul are 4 pini:

Vcc tensiunea de alimentare: +5.0V;

Trig care transmite semnalul;

Echo cel care asteaptă ecoul;

Gnd reprezintă masa;

ARDUINO

Istoric

Primul Arduino a fost lansat în 2005, având ca țintă asigurarea unei soluții ieftine și simple pentru începători și profesioniști spre a crea dispozitive capabile să interacționeze cu mediul, folosind senzori și sisteme de acționare.

A început ca un instrument simplu pentru realizarea de prototipuri rapide, care viza studenții fără un fundal în electronică și programare, al unui student al Institutului de Interacțiune a Designului din Ivrea, Italia. La acea vreme studenții foloseau o plăcuță de dezvoltare BASIC Stamp, care costa 100 de dolari, ceea ce era considerat foarte scump pentru studenți. Massimo Banzi, unul dintre fondatori, era student la Ivrea. Numele "Arduino" provine de la un bar din Ivrea, locul unde o parte din fondatori obișnuiau să se întâlnească.

Arduino este o companie open-source care produce, atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese în lumea reală.

Plăcile Arduino sunt capabile să citească intrări – lumină pe un senzor, un deget pe un buton sau un mesaj Twitter – și le transforma într- o ieșire – activarea unui motor, pornirea unui LED, publicarea de ceva on-line. Îi poti spune plăcii ce să facă prin trimiterea unui set de instrucțiuni microcontrolerului de pe placă.

Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare ca C și C++.

De îndată ce a ajuns la o comunitate mai largă, placa Arduino a început să se schimbe pentru a se adapta la noilor nevoi și provocări, de la panourile simple, pe 8 biți la produse pentru aplicații, imprimare 3D, și medii integrate.

Hardware

O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler AtmelAVR de 8-, 16- sau 32-biți cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite. Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele sunt adresabile individual prin magistrala serial I2C permițând utilizarea mai multor module în paralel. Multe plăcuțe includ un regulator liniar de 5 V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz.

Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootloader care simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând programarea de pe orice computer ordinar.

La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în funcție de versiunea hardware. Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL.

Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului, pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite. Oferă 14 pini digitali de intrare/ieșire, dintre care 6 pot produce semnale PWM și 6 intrări analogice, care, de asemenea, pot fi folosite ca intrări/ieșiri digitale. Acești pini sunt accesibili prin partea superioară a plăcuței, prin intermediul unor barete mamă cu pasul între pini de 2,54 mm.

Conexiune (USB / Barrel Jack)

Fiecare placă Arduino are nevoie de un mod de a fi conectată la o sursă de alimentare.

Arduino UNO poate fi alimentat de la un cablu USB care vine de la computer sau de la o sursă de alimentare de perete. In imaginea de mai sus, conexiunea USB este marcată (1) , iar mufa este marcata (2).

De asemenea, prin conexiunea USB, se va încărca codul de pe placa Arduino.
Tensiunea recomandată pentru majoritatea modelelor Arduino este între 6 și 12 volți.

Pinii (5V, 3.3V, GND, Analog, Digital, PWM, AREF)

Pinii de pe placa Arduino sunt locurile unde se conectează firele pentru a construi un circuit. Arduino are mai multe tipuri de pini, fiecare dintre ei este marcat și folosit pentru diferite funcții.

• GND (3) : “Masa” . Există mai multi pini GND pe Arduino, oricare dintre acestia putând fi folositi pentru a aduce circuitul la masa.

• 5V (4) și 3,3V (5) : După cum s-ar putea ghici, PIN-ul 5V este pentru 5 volți de putere, iar 3.3V pentru 3,3 volți putere. Cele mai multe dintre componentele simple, folosite cu Arduino pot rula cu 5 sau 3,3 volți .

• Analog (6) : Zona de pini sub eticheta " Analog In (de la A0 pana la A5 pe UNO ) sunt pini analogici. Acești pini pot citi semnalul de la un senzor analogic (cum ar fi un senzor de temperatura) și îl transformă într-o valoare digitala pe care o putem citi.

• Digital (7) : Pe cealaltă parte a pinilor analogici sunt pinii digitali (de la 0 la 13 la UNO). Acești pini pot fi folositi atât pentru intrare digitală (pentru a putea spune dacă un buton este apăsat) și ieșire digitală (cum ar fi alimentarea unui LED) .

• PWM (8) : Situati lângă unii dintre pinii digitali (3 , 5 , 6 , 9 , 10 , și 11 la ONU) . Acești pini acționează ca pini digitali, dar pot fi utilizati și pentru Pulse – Width Modulation (PWM) .

• AREF (9) : Se referă la referinta analogică. Este folosit uneori pentru a seta o tensiune de referință externă (între 0 și 5 volți) ca limită superioară pentru pinii de intrare analogici.

Butonul Reset

Arduino are un buton de resetare (10). Apasandu-l, va conecta temporar PIN-ul reset la masa și va reseta orice cod care este încărcat pe Arduino. Acest lucru poate fi foarte util în cazul în care codul nu se repetă, dar doriți să-l testați de mai multe ori.

Indicatorul LED pentru alimentare

Există un mic LED, lângă cuvântul " ON " (11). Acest LED ar trebui să se aprindă de fiecare dată când Arduino se conectează la o sursă de alimentare. În cazul în care această lumină nu se aprinde, există o șansă mare ca ceva sa nu fie în regulă.

LED-urile Tx si Rx

TX este prescurtarea de la transmisie, RX este prescurtarea de la receptionare. Aceste marcaje apar destul de des în electronică pentru a indica pinii responsabili de comunicarea în serie. În cazul nostru, există două locuri pe Arduino UNO, unde pot aparea TX și RX – pinii digitali 0 și 1, si LED-urile indicatoare (12). Aceste LED-uri vor da indicații vizuale de fiecare dată când Arduino recepționează sau transmite date.

Circuitul Integrat principal

Obiectul negru, cu picioare de metal este un IC, sau un circuit integrat (13). Principalul circuit integrat pe Arduino este ușor diferit de la placă la placă, dar este, de obicei, ATmega de la compania Atmel.

Regulator de tensiune

Regulatorul de tensiune (14) controlează cantitatea de tensiune din placa Arduino. Este ca un fel de portar; nu lasă să intre o tensiune suplimentară care ar putea afecta circuitul. Desigur, ea are limitele ei, deci Arduino nu trebuie conectat la o tensiune mai mare de 20 de volți.

AFISAJ LCD

Istoric

Display-urile cu șapte segmente pot fi găsite în brevetele de la inceputul secolului 20 ( în brevetul US 974943, F W Wood a inventat un ecran de 8 segmente, care afișează numărul 4 utilizând o bară diagonală ). În 1910, un afișaj cu șapte segmente iluminate de becuri cu incandescență a fost utilizat pe un panou central. Ele au fost de asemenea folosite pentru a afișa numărul de telefon apelat în timpul tranziției de la apelarea manual la apelarea telefonică automată. Ele nu au atins utilizarea pe scară largă, până la apariția de LED-uri în 1970.

Display-urile cu șapte segmente sunt utilizate pe scară largă în ceasuri digitale, contoare electronice, calculatoare de bază, și alte dispozitive electronice care afișează informații numerice.

Dioda luminiscentă (LED)

LED (Light Emitting Diode) – este o diodă care are proprietatea de a emite lumină atunci când este polarizată direct.

LED-ul este construit dintr-o structură semiconductoare PN cu suprafață foarte mică care emite lumină. 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 lumină. Această structură care mai poartă denumirea de diodă este amplasată într-o cupă reflectoare și este conectată la terminalele diodei ( ANOD și CATOD).

Parametrii electrici ai LED-urilor

Curentul direct () – reprezintă curentul maxim suportat de LED la polarizare 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 () – reprezintă tensiunea ce trebuie aplicată la bornele LED-ului pentru ca acesta să emită radiații luminoase. Valoarea acestei tensiuni variază între 1,2 V și 3,2 V, în funcție de culoarea luminii emise:

led roșu – = 1,2 – 1,6 V

led verde, galben – = 2 – 2,4 V

led albastru – = 2,8 – 3,2 V

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

Conectarea LED-ului în circuit

Un LED se conectează într-un circuit electric, întotdeauna în serie cu un rezistor care limitează valoare intensității curentului prin LED.

Calculul rezistenței rezistorului R (conectat în serie cu LED-ul)

Din datele de catalog ale LED-ului rezulta:

;

Tensiunea de alimentare

Curentul prin LED

R[Ω]= 1000

Afișajul cu 7 segmente

Conceptul și structura vizuală

Afișajul cu cristale lichide (engleză Liquid Crystal Display, prescurtat LCD) este un dispozitiv de afișare pentru litere, cifre, grafică și imagini, fiind constituit dintr-o matrice de celule lichide care devin opace sau își schimbă culoarea sub influența unui curent sau câmp electric. Din p.d.v. fizic fenomenul se explică prin proprietatea cristalelor lichide de a influența direcția de polarizare a luminii atunci când ele sunt puse sub o anumită tensiune electrică.

Cristalele lichide sunt, în cazul de față, combinații chimice de natură organică aflate în stare lichidă. Ele au proprietatea de a putea fi comandate de o tensiune electrică corespunzătoare, astfel încât își ordonează moleculele trecând de la o stare „transparentă” la o stare „netransparentă”. Concret, este vorba de o polarizare electrică a unor molecule lichide care în contrast cu restul „câmpului” formează o imagine vizibilă.

Segmentele unui afișaj cu 7 segmente sunt menționate prin literele de la A la G , unde punctul zecimal opțional ( un " segment al optulea " , denumit în continuare DP ) este utilizat pentru afișarea zecimalelor.

Implementare

Display-urile cu șapte segmente pot utiliza un dispozitiv de afișare cu cristale lichide ( LCD ) , o diodă luminscentă ( LED ) pentru fiecare segment, sau alte generatoare de lumină sau tehnici de comanda , cum ar fi de evacuare de catod rece cu gaz , fluorescente cu vid , filamente incandescente , și altele. O alternativă la afișajul cu 7 segmente din 1950 pana in 1970 a fost catod rece sau lampa cu tub de neon. Începând cu anul 1970, RCA a vândut un dispozitiv de afișare cunoscut sub numele de Numitron care a folosit filamente incandescente aranjate într-un afișaj cu șapte segmente.

Într -un pachet cu LED-uri simplu , de obicei, toți catozii (terminalele negative) sau toți anozii (terminale pozitive) ai LED-urilor de segment sunt conectați și aduși la un pin comun; acest lucru este denumit un " catod comun " sau un " anod comun " . Prin urmare, un afișaj cu 7 segmente plus punctele zecimale va necesita doar nouă pini. Display-urile integrate există, de asemenea, cu cifre unice sau multiple. Unele dintre aceste display-uri integrate încorporează propriul lor decodor intern, deși majoritatea nu încorporează.

Catodul comun ( CC ) – Pe afișajul cu catod comun, toate conexiunile catodice ale segmentelor LED sunt puse pe " 0 " sau la masa. Segmentele individuale sunt iluminate prin aplicarea unui, semnal " HIGH " sau logic " 1 ", printr-un rezistor de limitare a curentului.

Anodul comun ( CA ) – Pe afișajul cu anod comun, toate conexiunile anodice ale segmentelor LED sunt puse pe " 1 " . Segmentele individuale sunt iluminate prin aplicarea logicii de semnal " 0 " sau " LOW ", printr-un rezistor de limitare a curentului.

Display 7 segmente pentru toate numerele

Cu toate că un afișaj cu 7 segmente poate fi considerat ca un singur ecran , defapt sunt șapte LED-uri individuale într- un singur pachet și , ca atare, aceste LED-uri au nevoie de o protecție de supra-curent. LED-urile produc lumină numai atunci când sunt polarizate direct, curentul fiind proporțional cu cantitatea de lumină emisă.

Aceasta înseamnă că intensitatea luminii LED-urilor creste într-un mod aproximativ liniar cu un curent în creștere. Asa ca acest curent trebuie să fie controlat și limitat la o valoare sigură de către un rezistor extern pentru a preveni deteriorarea segmentelor de LED-uri.

Pentru a înțelege modul în care segmentele afișajului sunt conectate la un rezistor de 220Ω, de limitare a curentului, avem circuitul de mai jos :

În acest exemplu, segmentele unui afișaj cu anod comun sunt iluminate cu ajutorul switch-urilor. Dacă comutatorul A este închis, curentul va curge prin segmentul " A " al LED-ului pana la rezistorul de limitare de curent conectat la pinul A și la 0 volți. Doar segmentul A va fi iluminat. Deci, o condiție LOW este necesară pentru a activa segmentele de LED-uri de pe acest ecran cu anod comun.

Display-urile cu 7 segmente sunt de obicei acționate de un tip special de circuit integrat ( IC ), cunoscut în mod obișnuit ca un decoder 7 – segmente, cum ar fi CMOS 4511. Acest driver este capabil de a ilumina atât cu anod comun cât si cu catod comun.

Mod de conectare la microcontroller

Pentru a aprinde un LED este suficient un curent de 2mA, asta înseamnă că pentru un afișaj cu 7 segmente este nevoie de minim 14mA (2mA*7). Întrucât, în general, PIC-urile dau un curent de până la 25mA și absoarb același curent, suficient cât să putem aprinde un afișaj cu 7 segmente în oricare din cele două conexiuni.

Dacă avem doar un singur afișaj, atunci pinul de selecție se leagă direct la masă (pentru catod comun) sau la plus (pentru anod comun), astfel încât acesta este mereu selectat.

Conectarea unui segment in conexiunea catod comun

Conectarea unui segment in conexiunea anod comun

Pentru a afișa pe mai multe segmente diverse valori în același timp, teoretic acest lucru nu este posibil deoarce la un moment dat doar unul dintre module poate fi selectat pentru afișare. Practic însă, dacă rata de refresh este destul de mare (în jur de 50 rate pe secundă ~ 20ms) ochiul uman nu percepe pâlpâirea, astfel încât valorile se văd în același timp.

– Se configurează ca ieșiri toți pinii legați la toate modulele

– Se baleiază fiecare segment pe rand într-un ciclu

Pentru fiecare segment se validează pinul de selecție (se pune pe 1L)

Se invalidează pinul de selecție pentru celelalte module

Se trimite valoarea care se vrea afișată la portul respectiv

Se face o întarziere de 10ms (daca avem de afișat pe doua segmente -20ms/2module-)

Se trece la urmatorul segment

ETAJ FINAL PENTRU COMANDA POMPEI

Istoric

Tranzistorul este componenta fundamentală a dispozitivelor electronice moderne, și este omniprezent în sistemele electronice. Ca urmare a dezvoltării sale la începutul anilor 1950, tranzistorul a revoluționat domeniul electronicii, și a deschis calea pentru echipamente electronice mai mici si mai ieftine cum ar fi aparate de radio, televizoare, telefoane mobile, calculatoare de buzunar, computere și altele.

A fost inventat la Bell Telephone Laboratories din New Jersey la 6 decembrie 1947 de John Bardeen, Walter Houser Brattain, și William Bradford Shockley. Descoperirea tranzistorului a determinat dezvoltarea electronicii fiind considerat una din cele mai mari descoperiri ale erei moderne.

Tranzistorul este un dispozitiv electronic din categoria semiconductoarelor care are cel puțin trei terminale (borne sau electrozi), care fac legătura la regiuni diferite ale cristalului semiconductor. Este folosit mai ales pentru a amplifica și a comuta semnale electronice și putere electrică.

Clasificare:

Cu efect de câmp (TEC):

-TECMOS: -cu canal indus / cu canal inițial

-TEC-J

Bipolare (TB): npn și pnp

Tranzistoare de mică putere:

Aceste tranzistoare sunt încapsulate în plastic sau metal și nu sunt destinate montării pe radiator.

Tranzistoare de putere:

Aceste tranzistoare sunt încapsulate în plastic sau metal și sunt destinate montării pe radiator.

Tranzistoare de joasă frecvență:

Sunt tranzistoare destinate utilizării până la frecvența de circa 100kHz, în circuite audio și de control al puterii.

Tranzistoare de înaltă frecvență:

Sunt tranzistoare destinate aplicațiilor la frecvențe peste 100kHz, cum este domeniul radio –TV, circuite de microunde, circuite de comutație etc.

Tranzistorul bipolar:

Este un dispozitiv semiconductor cu două joncțiuni în succesiune npn sau pnp. Cele trei zone se numesc emitor (E), bază (B), colector (C). Se folosește în circuitele electronice atât digitale cât și analogice, de obicei pentru amplifica sau transmite un semnal electric.

Din punct de vedere funcțional un tranzistor este în electronică ceea ce un robinet este în instalațiile mecanice. Permite închiderea sau deschiderea unui circuit electric, acest regim numindu-se "în comutație" când fronturile de schimbare sunt scurte ca durată, bruște, sau este numit analogic, atunci cand se folosește regimul liniar/tranzitoriu de funcționare.

Tranzistorul se numește bipolar deoarece conducția este realizată de două tipuri de purtători de sarcină electrică, de semn diferit: electronii (-), respectiv golurile (+).

În funcționare normală joncțiunea emitor–bază este polarizată direct, iar joncțiunea colector–bază este polarizată invers.

emitorul (E): este fabricat dintr-un semiconductor de tip N, foarte puternic dopat, ceea ce înseamnă că dispune de o mare cantitate de electroni liberi;

colectorul (C): este fabricat tot dintr-un semiconductor de tip N însă care este mai slab dopat, ceea ce înseamnă că are mai puțini electroni liberi. Pe lângă acestea, colectorul este cea mai voluminoasă zonă tranzistorului;

baza (B) – este fabricată dintr-un semiconductor de tip P tăiat sub forma unei foițe foarte subțiri. Baza este plasată între emitor și colector creând bariere de potențial la zonele de contact cu aceștia.

Parametrii specifici tranzistoarelor:

– Factorul de amplificare (βf)

– Temperatura maximă a joncțiunilor

Valoarea temperaturii maxime a joncțiunilor până la care tranzistorul funcționează normal depinde de natura semiconductorului folosit. Astfel, tranzistoarele realizate din siliciu funcționează corect până spre 200 grade C, în timp ce cele realizate din germaniu sunt limitate în funcționare în jurul valorii de 100 grade C.

Observație: La temperaturi mai mari decât cele menționate, are loc creșterea extraordinar de rapidă a concentrației purtătorilor minoritari și semiconductorul se apropie de unul intrinsec, dispozitivul pierzându-si proprietățile inițiale.

-Puterea maximă disipată

Puterea disipată de tranzistor apare datorită trecerii curentului prin dispozitiv. O parte din această putere este radiată în mediul ambiant și o parte produce încălzirea tranzistorului.

Puterea disipată de un tranzistor este , în principal, puterea disipată în cele două joncțiuni ale acestuia:

-Curentul de colector maxim

Reprezintă valoarea maximă pe care o poate atinge curentul de colector al unui tranzistor fără ca acesta să se distrugă. El este indicat în cataloage și depinde de particularitățile tehnologice ale tranzistorului.

-Tensiunea maxima admisa

Reprezintă valoarea cea mai mare a tensiunii pe care o poate suporta un tranzistor fără ca acesta să se deterioreze. Această valoare este limitată de tensiunea de străpungere a joncțiunii colector bază (polarizată invers).

Acest parametru are valori diferite în funcție de conexiunea tranzistorului și este prezentat în foile de catalog pentru fiecare situație în parte.

Tranzistorul bipolar de putere

Caracteristica statică

Caracteristica statică este dependența curentului de colector de tensiunea colector emitor pentru diverși curenți de bază,fig.

În convertoarele statice tranzistoarele bipolare sunt utilizate în montajul cu emitor comun și în regim de comutație.

Funcționarea tranzistorului bipolar de putere este identică cu cea a tranzistorului de semnal mic, cu unele diferențe produse de prezența stratului n – .

O primă influență constă în micșorarea substanțială a factorului de amplificare în current:

Schema cu emitor comun Caracteristica statică

În planul caracteristicilor statice se disting mai multe zone:

• Dreapta 1, pentru tensiunea , ca reprezentând tensiunea maximă admisă în sens direct de tranzistor pentru comanda > 0 , sau = 0 cu circuitul de bază deschis.

In această zonă, datorită tensiunii colector-emitor mari, apare fenomenul numit ”prima străpungere sau prăbușire”, fenomen care, ca urmare a accelerării purtătorilor, produce creșterea densității purtătorilor minoritari și a curentului prin tranzistor.

• Regiunea activă este caracterizată printr-o independență a curentului față de tensiunea , curenții de colector obținuți fiind cu atât mai mari cu cât curentul de bază este mai mare, < < < < .

Această zonă este folosită în general în regim de amplificare, iar în electronica de putere doar în perioadele de intrare, respectiv ieșire din conducție. În această zonă, la curenți mari, dacă tensiunea capătă de asemenea valori mari, apare fenomenul celei de a ”doua străpungeri”, curba 2, fenomen care conduce la deteriorarea ireversibilă a tranzistorului.

•Zona de cvasisaturație situată între dreptele 3 și 4.

Ea este proprie tranzistoarelor de putere și se datorează prezenței stratului suplimentar n- . Astfel în această zonă, straturile tranzistorului, inclusiv stratul n- , sunt invadate de purtători de sarcină, conductivitatea electrică a acestora fiind practic constantă.

• Zona de saturație adâncă, dreapta 4.

Ca urmare a densității mari a purtătorilor, conductivitatea straturilor crește, ceea ce provoacă o scădere în continuare a tensiunii , care evident atrage micșorarea curentului de colector. Saturația adâncă este avantajoasă întrucât pierderea de putere în transistor, este sensibil mai mică ca în zona de cvasisaturație.

Funcționarea tranzistorului

Alegerea punctului de funcționare constă în determinarea perechii , , și, în funcție de aceasta, perechea , corespunzătoare.

Alegerea se face în planul caracteristicilor statice în funcție de dreapta de sarcină 1, care se trasează prin perechile de puncte la mersul în gol, = 0 și = , respectiv în scurtcircuit, = 0 și = /R.

Intersecția cu una din caracteristicile statice, a cărui punct de funcționare F, corespunde necesităților de curent de colector solicitate de sarcină și regimului de funcționare în cvasisaturație, furnizează curentul de bază necesar .

Alegerea punctului static de funcționare

.

Tranzistorul Darlington

În electronică, tranzistorul Darlington (adesea numit o pereche Darlington) este o structură compusa, formata din două tranzistoare bipolare (fie dispozitive separate sau integrate) conectate în așa fel încât curentul amplificat de primul tranzistor este amplificat de al doilea.

Această configurație ofera un câștig de curent mult mai mare decât fiecare tranzistor luat separat și, în cazul dispozitivelor integrate, poate ocupa mai puțin spațiu decât două tranzistoare individuale, deoarece acestea pot utiliza un colector partajat.

Tranzistorul poate fi folosit atât pentru amplificarea curentului continuu cât și pentru amplificarea semnalelor variabile în timp.

Configurația Darlington a fost inventat de Bell Laboratories engineer Sidney Darlington în 1953. El a patentat invenția de a avea doi sau trei tranzistori pe un singur cip, impartind acelasi colector.

O pereche Darlington se comportă ca un singur tranzistor cu un câștig mare de curent (aproximativ produsul dintre câștigurile celor doi tranzistori).

Pe lângă factorul de amplificare ridicat, tranzistorii compuși au și o rezistență de intrare mai mare decât un singur tranzistor.

.

(1)

Pe baza schemei de conexiune a celor doi tranzistori se pot scrie următoarele relații între curenți:

(2)

(3)

(4)

(5)

Înlocuind relațiile (2) – (5) în relația (1) se obține expresia factorului de amplificare în curent continuu al tranzistorului compus Darlington:

care este cel puțin egal cu produsul factorilor de amplificare în curent continuu ai celor doi tranzistori componenți. Tranzistorul compus se comportă în circuit ca un tranzistor de tip npn cu factorul de amplificare în curent continuu egal cu .

În cazul în care și sunt suficient de mari (de ordinal sutelor), această formula poate fi aproximată prin:

Un dezavantaj este o dublare aproximativă a tensiunii bază / emițător. Din moment ce există două joncțiuni între baza și emitorul tranzistorului Darlington, echivalentul tensiunii bază / emitor este suma celor două tensiuni:

Un alt dezavantaj al perechii Darlington este tensiunea de " saturație " crescuta. Tranzistorului de ieșire nu ii este permis să satureze (adică joncțiunea bază – colector trebuie să rămână în sens invers)

. O altă problemă este o reducere a vitezei de comutare sau de răspuns, pentru că primul tranzistor nu poate inhiba în mod activ curentul de bază a celui de al doilea, ceea ce face aparatul lent la comutare. Pentru a atenua acest lucru, al doilea tranzistor are un rezistor de câteva sute de ohmi conectat între bază și emitor.

Darlington monolitic

Montaj Darlington Darlington monolitic

Tranzistorul T2 începe să se blocheze abia după ieșirea din conducție a lui T1, ceea ce face ca timpul lui de stocare să fie mult mai mare.

Rămânând în conducție numai T2, acesta va prelua întregul curent de sarcină, supraîncărcându-se.

Evitarea acestui inconvenient se atinge prin introducerea diodei de de stocare DDS, care, după evacuarea sarcinii stocate din T1, permite o situație similară și pentru tranzistorul T2 permițând un curent negativ de bază pe T1.

În prezent se realizează așa numitele Darlington monolitice care au înglobate în aceeași capsulă toate elementele unei corecte funcționări.

În capsulă sunt incluse rezistoarele R de echilibrare și diodele de stocare DDS, capsula având numai cei trei electrozi consacrați, C,B,E.

În prezent tranzistoarele de mare putere sunt realizate numai în montaje de tip Darlington monolitic. Per ansamblu un montaj de acest fel este luat în considerație ca un tranzistor simplu, comportarea lui fiind defapt cea a unui tranzistor bipolar obișnuit, mai puțin curentul de bază, care este sensibil mai mic.

Tranzistorul de putere folosit pentru sistemul de irigații, ca etaj final pentru comanda pompei este Darlington TIP122, cu urmatoarele caracteristici electrice, preluate din DataSheet-ul acestuia:

Caracteristici electrice:

CAPITOLUL 3

PROIECTAREA ȘI SIMULAREA

PREZENTAREA MEDIULUI DE PROIECTARE

PREZENTAREA PLĂCII DE TESTARE

CAPITOLUL 4

CONCLUZII

Cunoștințe teoretice:

Cunoașterea sistemelor de irigații automatizate.

Cunoașterea senzorilor de umiditate si senzorilor ultrasunet.

Cunoașterea tranzistoarelor de putere și afișajul LCD.

Cunoașterea programelor care au ajutat la proiectarea și simularea modulului experimental.

Ințelegerea funcționării circuitelor programate cu ajutorul microcontrolerului Arduino

Cunoașterea principalelor metode si structuri pentru implementarea unui sistem automatizat de irigații.

Deprinderi dobândite:

Cunoașterea structurii, ințelegerea avantajelor sistemelor de irigații automatizate.

Analiza si proiectarea unui circuit folosind senzorii aferenți si microcontrolerul Arduino.

Alegerea si folosirea corectă a circuitelor integrate adecvate unei aplicații specifice.

Abilități dobândite:

Prezenta lucrare oferă toate informațiile necesare pentru realizarea unui sistem de irigații automatizat.

In urma acestei lucrari, oricine va dori, va fi capabil să realizeze un astfel de sistem automatizat de irigații pentru uzul propriu, mult mai ieftin decat cele de pe piața.

BIBLIOGRAFIE