Sistem Automat de Comanda Pentru Masina de Spalat Realizat cu Pic16f877

Lista acronimelor

ADC – Analog to Digital Converter – Convertor Analog-Digital

CMOS – Complementary metal–oxide–semiconductor – metal oxid semiconductor complementar

CPU – Central Processing Init – unitatea centrală de prelucrare

EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read – Only Memory – memorie care poate fi doar citită programabilă și care poate fi ștearsă electric

EUSART – Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter – receptor/transmițător universal asincron îmbunătățit

GND – Ground – Împământarea

ICSP – In Circuit Serial Programming – programare serială în circuit

LCD – Liquid Crystal Display – afișajul cu cristale lichide

LED – Light Emitting Diode – diodă emițătoare de lumină

MSSP – Managed Security Service Provider – furnizor de servicii de securitate administrate

PCB – Printed Circuit Board – circuit imprimat

PLL – Phase Lock Loop – bucla de blocare a fazei

PWM – Pulse Width Modulation – semnal mudulat în lățimea impulsurilor de comandă

ROM – Read only memory – Memorie care poate fi doar citită

RC – Registrul de comenzi

RS – Registrul de stare

SPI – Serial Peripheral Interface – Interfață serial periferică

TTL – Transistor–transistor logic – tranzistor-tranzistor logic

USB – Universal Serial Bus – magistrală serială universală

USART – Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter – receptor/transmițător universal asincron

WDT – Watchdog timer

CUPRINS

Introducere

Capitolul 1 – Prezentare generală

Rezistorul

Condensatorul

Tranzistorul bipolar

LED-ul

Transformatorul electric

Schema bloc

Capitolul 2 – Calculul electric si mecanic a echipamentului realizat cu microcontrolerul PIC18F452

Legea lui Ohm

Teoremele lui Kirchhoff

Calculul electric pentru stabilirea valorilor rezistențelor, pentru LED–uri și tranzistoare

Motorul de curent continuu

Capitolul 3 – Prezentare generală Microcontroler PIC18F4520

3.1 Microcontroler-ul PIC18F4520

3.2 Schema bloc internă a microcontroler-ului PIC18F4520

3.3 Descrierea pinilor microcontroler-ului PIC18F4520

Capitolul 4 – Proiectare electronică

4.1 Metode de fabricare a PCB-urilor

4.2 Proiectarea schemei electrice

4.3 Proiectarea cablajului (PCB)

Capitolul 5 – Proiectare interfată micropascal

5.1 Schema logică

5.2 Cod sursă

Concluzii

Bibliografie

Anexe

INTRODUCERE

Proiectul permite realizarea unei aplicații complexe ce utilizează cunostințe din domeniile: Dispozitive si Circuite Electronice, Circuite Integrate Digitale, Electronică de Putere, Sisteme cu Microcontrolere.

Ca atare oferă o bună ocazie pentru aprofundarea cunoștințelor teoretice studiate în facultate. Este o aplicație practică ce îmi permite realizarea unei imagini de ansamblu pentru ceea ce un inginer electronist ar putea face în viață.

Utilitate:

• în anul 1960, o parte din gospodine erau nevoite să spele manual rufele, să le limpezească și să le stoarcă;

• în anul 1970, gospodina care avea acasă o mașină de spălat trebuia doar să limpezească și să stoarcă manual rufele;

• în anul 1980, mașina de spălat era dotată și cu storcător, fapt care ușura munca gospodinei;

• în anul 1990 mașinile automate scuteau gospodina de a mai limpezi sau stoarce rufele;

• în anul 2000 printr-o simplă alegere a programului dorit, mașina de spălat automată (automat programabil de tip mecanic și mecanic – electric) spală, clătește, stoarce. În acest fel gospodina nu mai pierde timpul cu spălatul rufelor.

•in anul 2010 mașina de spălat este mai modernă ca oricand datorită multiplelor posibilități pe care ți le ofera pentru programele de spălare si programarea acestora, astfel gospodina economisind timp.

Concluzia este următoarea: nevoia de a avea rufe curate a rămas, s-au schimbat doar mijloacele de satisfacere a acestei nevoi.

Montajul propus pentru realizarea unei mașini de spălat moderne are o electronică bazată pe microcontroler ca și element central capabil de funcții precum multiple programe de spălare predefinite și ajustabile după nevoia gospodinei, in funcție de timpul necesar executării programului și ora la care să execute programul dorit.

Funcția de bază și in același timp cu ce vine in plus montajul propus facându-l mai deosebit si util, este memorarea programului în lucru și monitorizarea acestuia. Prin această funcție, microcontroler-ul memorează toți parametrii astfel incât la o pană de curent sau oprirea neprevăzuta, toate funcțiile sunt incărcate din memoria EEPROM internă si reluarea activității fară a fi nevoie de inițializarea acestora. Semnalele de avertizare sunt atât afisate pe LCD, pe LED dar și acustic printr-un buzer.

Pentru realizarea acestuia am optat pentru un microcontroler Microchip din seria 18 (PIC18F4520) datorită memoriei de o capacitate mai mare decat seria 16(PIC16F877) . Codul sursă pentru programul realizat depăsește capacitațile microcontrolerului din seria 16, datorita functiei de memorare si monitorizare a programului in lucru ceea ce m-a determinat in alegerea acestuia pentru montajul realizat.

Capitolul 1. Prezentare generală

1.1. Rezistorul

Reprezintă un element pasiv de circuit

u(t)=u(i(t),t) -caracteristica de tensiune

i(t)=u(u(t),t) -caracteristica de curent

Rezistorul reprezintă un fir conductor care fiind parcurs de un curent electric degajă caldură; nu produce câmp electromagnetic, nu conține surse de câmp electric străin.

Fig. 1.1. Rezistorul

Ecuația de funcționare:

u(t)=Ri(t)

unde:R→Ω(rezistența) i(t)=Gu(t);

G-conductanța și se măsoară in Ω-1 sau 1S=1Ω-1 (Siemens)

Nu întotdeauna conductanța reprezintă inversul rezistenței (numai în curent continuu).

Caracteristica tensiune-curent în cazul curentului liniar e reprezentat printr-o dreaptă ce trece prin origine => tensiunea și curentul au aceeași formă de variație la bornele rezistorului.

Fig. 1.2. Caracteristica tensiune-curent

Dacă rezistența tinde la 0, caracteristica devine u=0 și ramura devine un scurtcircuit, iar dacă rezistența tinde la oo deci G→0 atunci ramura devine o ramură deschisă (deci ramura funcționează în gol).

ec: u(t)=R(t)i(t) reprez. În planul tens.- curent.

3) Rezistoare neliniare- caracteristica tens.- curent nu este o dreaptă si au ecuația de funcționare:

a) f(u(t),i(t),t)=0 dacă rezistorul este variabil în timp.

b) f(u(t),i(t))=0 dacă rezistorul este invariabil în timp.

1.2. Condensatorul

Reprezintă sisteme conductoare, care, fiind parcurse de curent electric de conducție acumulează sarcina electrică, nu degajă caldură prin efect fotocaloric, nu produce câmp magnetic și nu conține surse de câmp electric străine.

Ecuația de evoluție se stabilește pe baza legii conservării sarcinii electrice și se scrie astfel: I=dq/dt unde dq reprezintă sarcina electrică a armăturii condensatorului. Integrând relația în [0,t] ⇒ q(t)=q(0)+S0tq(t)dt numită ecuația de ereditate a condensatorului și care indică, că sarcina la un moment oarecare de timp, depinde de valoarile anterioare ale intensității curentului.

Fig. 1.3. Condensatorul

Tipuri de condensatoare:

1) Condensatorul liniar, invariabil in timp

ec de funcționare: q(t)=Cu(t)

C- capacitatea condensatorului

u – unitatea de masură F (Farad)

– ecuația de funcționare a condensatorului reprezintă dependența dintre sarcina armăturii și tensiunea la borne.

În general q(t)=q(u(t),t) u(t)=Sq(t) unde >S->F-1.

Caracteristica sarcină-tensiune este o dreaptă care trece prin origine deci forma de variație în timp a sarcinii electrice q și a tensiunii u este aceeași.

Ecuațiile volt-amper ale condensatorului:

2) Condensatorul liniar parametric; C-capacitatea variabilă în timp

ec: q(t)=C(t)u(t)

– caracteristica sarcină-tensiune reprezintă o familie de drepte ce trec prin origine=> sarcina și tensiunea au variații în timp diferite:

i(t)=C(t)*du/dt+u(t)*dc/dt

3) Condensatorul neliniar – poate fi variabil sau invariabil în timp => ecuația lui poate fi scrisă astfel:

f(q(t),u(t),t)=0 – variabilă ; f(q(t),u(t))=0 – invariabilă.

– caracteristica sarcină-tensiune are forma unui ciclu de histerezis electrolitic.

1.3. Tranzistorul bipolar

Fig. 1.4. Tranzistorul

Conține trei părti din siliciu (germaniu) foarte purificat la care sunt adăugate cantități mici de materiale dopante. Legatura dintre placuțele de siliciu se numește joncțiune care dă voie curentului să treacă de la n la p. Conexiunea la fiecare plăcuță este făcută prin evaporarea de aluminiu pe suprafața acestora; stratul de dioxid de siliciu protejează părțile nemetalice. Un curent mic între joncțiunea bază-emitor produce un curent de 10 până la 1000 de ori mai mare decat cel dintre colector și emitor (Săgețile arată curentul pozitiv). Tranzistorii sunt folosiți în diferite domenii de la detectori electronici sensibili până la amplificatoare puternice Hi-Fi .

Tranzistorii au fost concepuți la Laboratoarele Bell Telephone de fizicienii americani Walter Houser Brattain, John Bardeen și William Bradford Shockley. Pentru această realizare cei trei au împarțit în 1956 Premiul Nobel în fizică. Shockley este cunoscut ca inițiatorul cercetărilor asupra materialelor semiconductoare ce au dus la descoperirea acestor tipuri de dispozitive. Colegii săi sunt creditați pentru descoperirea diferitilor tipuri de tranzistori.

Proprietățile electrice ale materialelor semiconductoare sunt determinate de structura atomică. Într-un cristal pur de germaniu sau de siliciu atomii sunt legați într-un aranjament periodic formând un cub perfect. Fiecare atom din cristal are patru electroni de valență, fiecare interacționează cu electronul din vecinatate pentru a forma o legătură divalentă. Deoarece electronii nu sunt liberi să se miște, materialul pur la temperaturi scăzute se comportă ca un izolator.

Fig. 1.5. Tipuri de tranzistori

Cristalele de germaniu și siliciu ce conțin cantități mici de anumite impurități pot

conduce curentul și la temperaturi scăzute. O impuritate cum ar fi fosforul se numește impuritate donoare pentru că, contribuie la un exces de electroni, numai patru intrând în legătura divalentă cu germaniu sau siliciu. Când este aplicat un curent electronul rămas este liber să se miște. Elementele, cum ar fi galiu au trei electroni de valență. Acestea sunt numite impurități acceptoare deoarece accepta electroni de la atomii vecini. Deficiențele rezultante sau așa numitele goluri pe rând sunt umplute de alți electroni.

Acestea se comportă ca purtători pozitivi mișcându-se sub un curent aplicat în direcția opusă electronilor.

Tranzistorii sunt dispozitive electronice care sunt folosite ca oscilatoare, amplificatoare, în comutație și în calculatoare. Diagrama arată structura internă a diferitelor tipuri de tranzistori.

O joncțiune N-P (cunoscută și sub numele de diodă) lasă curentul să treacă doar într-o singură direcție. Electronii din materialul de tip N pot să treacă direct prin cel de tip P dar excesul de electroni din P va prevenii orice scurgere de electroni spre stânga . [4]

Fig. 1.6. Jonctioune N-P

*Nota: Curentul este definit ca o curgere în sens opus curgerii de electroni .

A. Regimurile de functionare ale tranzistorului

Regimul de comutare al unui tranzistor bipolar constă din trecerea lui din starea de blocare în starea de conducție – în regiunea activă normală sau în saturație – și invers. În starea de blocare, ambele joncțiuni ale tranzistoarelor sunt polarizate invers; prin tranzistor circulă curenții Icb0 și Ic00 (în conexiunea EC), de obicei, neglijabili pentru tranzistoarele din siliciu, astfel încât tensiunile la bornele tranzistoarelor blocate sunt determinate numai de elementele circuitului exterior acestora.

În starea de conducție, tranzistorul are joncțiunea bază-emitor polarizată direct iar joncțiunea colector-bază este fie blocată (în cazul funcționării în regiunea activă normală) fie polarizată direct (în cazul în care tranzistorul funcționează la saturație). Funcționarea tranzistorului în saturație, în circuitele de comutație, prezintă avantaje, precum realizarea unui coeficient bun degimul de comutare al unui tranzistor bipolar constă din trecerea lui din starea de blocare în starea de conducție – în regiunea activă normală sau în saturație – și invers. În starea de blocare, ambele joncțiuni ale tranzistoarelor sunt polarizate invers; prin tranzistor circulă curenții Icb0 și Ic00 (în conexiunea EC), de obicei, neglijabili pentru tranzistoarele din siliciu, astfel încât tensiunile la bornele tranzistoarelor blocate sunt determinate numai de elementele circuitului exterior acestora.

În starea de conducție, tranzistorul are joncțiunea bază-emitor polarizată direct iar joncțiunea colector-bază este fie blocată (în cazul funcționării în regiunea activă normală) fie polarizată direct (în cazul în care tranzistorul funcționează la saturație). Funcționarea tranzistorului în saturație, în circuitele de comutație, prezintă avantaje, precum realizarea unui coeficient bun de utilizare a tensiunii de alimentare, putere disipată mică pe tranzistor, stabilitate a tensiunii de ieșire, dar are și dezavantajul unui timp de comutare inversă mai mare, datorită sarcinilor stocate suplimentar în bază.

Condiția de funcționare în saturație a unui tranzistor bipolar este ca și joncțiunea colector-bază a tranzistorului să fie polarizată direct, ceea ce, pentru circuitul din fig. 1.7. :

Fig. 1.7. Condiția de funcționare în saturație a unui tranzistor bipolar

devine: (1) unde IBS este curentul de bază la saturație incipientă iar IB1 este curentul direct prin baza tranzistorului.

În saturație, tranzistorul este caracterizat prin tensiunea bază-emitor, VBE , de circa 0,7 – 0,9 V (în funcție de curentul de emitor) și prin tensiunea de colector de saturație, VCE sat , de circa 0,1 – 0,3 V (în funcție de curentul de colector), neglijabilă.

Tensiunile pe joncțiuni fiind foarte mici sau, oricum, cunoscute, pentru un tranzistor bipolar saturat, curenții prin el sunt determinați de elementele circuitului exterior. Se adaugă și relația:

IE = IB + IC .

În regiunea de saturație, tranzistorul este caracterizat și prin gradul de saturație:

(2).

B. Întârzierea la comutare

Întârzierea, la comutarea dintr-o stare în alta, a tranzistorului, este determinată atât de fenomenele de acumulare a sarcinii de purtători în baza tranzistorului, caracterizate prin constantele de timp τn (constanta de timp de viață a electronilor minoritari în exces în bază) și τs (constanta de timp de stocare) cât și de capacitățile de barieră ale joncțiunilor tranzistorului, CBE , ce contează când tranzistorul este blocat, respectiv CBC ce contează și când tranzistorul este deschis, în regiunea activă normală (în special, la rezistențe de colector de valoare mare).

Pentru tranzistoarele de comutație, se iau măsuri tehnologice pentru micșorarea constantelor de timp τn și τs (crearea unor centri de recombinare suplimentari prin dopare cu atomi de aur, concentrații mari de impurități) și a capacităților de barieră (suprafețe mici ale joncțiunilor). Rezultă curenți reziduali ai joncțiunilor de valoare mică și, deci, tensiuni directe pe joncțiuni deschise de valori mai mari (circa 0,7 – 0,9 V); de asemeni, factorul de curent al tranzistorului, β0 , va avea valori relativ mici, de circa 30 – 50, având în vedere recombinarea favorizată a purtătorilor minoritari în bază.

C. Regimul de comutare al tranzistorului bipolar

Regimul de comutare al tranzistorului bipolar se poate studia pe circuitul echivalent din fig.1.8, unde rezistența R0 limitează curentul de colector al tranzistorului, ceea ce permite și obținerea regimului de saturație. Curenții IBS (direct) și IB2 (invers) depind de configurația circuitului exterior și de tensiunea bază-emitor, VBE , a tranzistorului, la fel ca și curentul de colector al tranzistorului, IC = IC sat .

Formele de undă ale curenților de bază și de colector sunt reprezentate în fig. 1.8. :

Fig. 1.8. Formele de undă ale curenților de bază

Așa cum se observă, la comutarea inversă, prin baza tranzistorului, se stabilește un curent invers (-IB2 ) care există atât timp cât mai există sarcină de purtători minoritari stocată în baza tranzistorului.

Pentru circuitul testat, se scriu curenții:

(3), (4), (5).

S-au neglijat căderile de tensiune de pe rezistențele rb și rc folosite pentru măsurarea curenților respectivi.

D. Comutarea directă

Comutarea directă este caracterizată, pe de o parte, printr-un timp de întârziere, tî, determinat de încărcarea capacității parazite de intrare a tranzistorului bipolar și prin timpul de difuzie al purtătorilor minoritari de la emitor la colector (foarte mic), nereprezentat în fig.1.8 și, pe de altă parte, prin timpul de creștere care, dedus din ecuațiile metodei sarcinii pentru regim tranzitoriu, se calculează cu relațiile:

– pentru comutarea în regiunea activă normală: τσ = 2,3 τn (6)

– pentru comutarea în regiunea de saturație:

(7).

Se remarcă dependența timpului de comutare directă ( tcd = tî + tcr ≈ tcr ) de gradul de saturație al tranzistorului.

E. Comutarea inversă

Comutarea inversă a tranzistorului din regiunea de saturație este caracterizată prin timpul de stocare, ce se poate calcula cu relația:

(8)

și prin timpul de cădere, dat de relația:

(9).

Observație: dacă ôn ≈ ôs , atunci se obține:

(10)

relație care, fiind independentă de IBS , arată că timpul de comutare inversă depinde de cantitatea de sarcină totală stocată în baza tranzistorului (proporțională cu IBS) și de curentul de bază invers ( IB2 ) care elimină sarcina din bază. [5]

1.4 LED-ul – Light Emitting Diode

Impactul Tehnologiei Led – Lumina Eficientă Energetic a Viitorului

Schimbări dramatice în tehnologia luminii sunt în curs de desfășurare. Până nu de curând, semiconductoarele Led erau folosite numai ca simple indicatoare în diferite circuite electronice sau jucării. Noile tehnologii descoperite au permis producerea de Led-uri puternice și eficiente. În multe aplicații au început deja sa înlocuiască lămpile cu filament, în special acolo unde se cere durabilitate și temperatură scăzută. România posedă o infrastructură în domeniul semiconductorilor, care ar putea fi îmbunătățită și perfecționată cu fonduri reduse, astfel încât să aducă profituri imense din produsele comercializate precum și din economiile de energie. Singura cale pentru ancorarea țării noastre în domeniul acestor tehnologii de vârf ar fi un sprijin consistent din partea statului: “Cazul unei inițiative naționale pentru lumina cu semiconductori”.

Privire de ansamblu

Ca indicatoare, afisaje numerice, panouri de reclamă precum și, în general, în industrie, aproape toată lumea este familiară cu așa numitele Led-uri. Datorită luminii slabe emise, precum și a paletei restrânse de culori, folosirea lor a fost limitată până nu de curând. Noile tehnologii și materialele descoperite recent au reușit însă extinderea paletei de culori precum și a eficienței luminoase, devenind comparabilă, dacă nu chiar mai ridicată decât a becurilor obișnuite cu filament. Led-urile nu au filament sau părti de sticlă, sunt extrem de mici, ușoare și au o durată de viață mult mai lungă, comparativ cu sursele de lumină tradiționale.

Pentru o perioadă lungă de timp de acum înainte, Led-urile par a cuceri zone ale pieței de lumini inaccesibile lor cu ani urmă. Utilizarea lor a devenit extrem de largă începând cu indicatoarele de frână la automobile, iluminatul stradal și terminând cu aplicații în medicină, biotehnologie, precum și domenii noi încă neexplorate.

Ce sunt Led-urile ?

Led (în engleză “Light Emitting Diode” – Dioda Emițătoare de Lumină) este o

componentă semiconductoare ce convertește energia electrică în fotoni, respectiv în lumină. Operația de conversie se face la rece, ceea ce atrage o eficiență extrem de ridicată comparativ cu sursele de lumină obișnuite. Lumina este practic generată în interiorul unui cristal semiconductor, parcurs de un curent electric. Cristalul semiconductor constă dintr-o joncțiune semiconductoare de tip Aluminiu, Indiu, Galiu si Fosfor sau Indiu, Galiu, Azot și poate produce până la patru culori fundamentale, cum sunt Roșu, Galben, Verde, Albastru, cu nuanțe în jurul acestora și lumina Alba. O paletă largă de culori se poate obține prin combinarea celor trei culori de bază (Roșu, Albastru, Verde) în proporțiile dorite, procedeu asemănător celui din televizoarele color.

Cum se produce lumina?

În termeni simpli, un LED este construit din două tipuri diferite de material semiconductor : unul care are foarte multi electroni liberi și altul care nu are suficienți. Când un electron trece din materialul supraîncărcat (donatorul ) în cel cu mai puțini electroni (găurile) se eliberează energie sub formă de lumină (fotoni ). În funcție de un număr de factori – printre care tipul de material din care este construit LED-ul și condițiile de trecere prin granița ce separă donatorul de găuri – energia emisa are o anumită lungime de undă, lungime de undă care corespunde unei culori .

Explicații termeni :

Lungime de undă :

Fig. 1.9. Spectrul vizibil

Lumina este o formă de energie și conform teoriei se deplasează în unde. Distanța între două “vârfuri “ consecutive ale unei unde se numește lungime de undă. Lumina vizibilă este formată din unde a căror lungime poate fi intre 400 și 700 nanometri (nm) și fiecare valoare din acest interval corespunde unei culori sau unei nuanțe de culoare. Ochiul uman are tipuri de receptori sensibili la o anumita valoare a lungimii de undă și în acest mod sunt percepute culorile. După cum se poate vedea în imaginea alaturată, roșu are o lungime de unda între 780 și 622 nm (în funcție de nuanță), albastru între 492 – 425 și așa mai departe .

Candela:

Candela este unitatea de bază pentru măsurarea luminii vizibile. În termeni științifici : Candela (cd) măsoară intensitatea luminoasă, într-o direcție dată, a unei surse ce eminte lumina cu o lungime de undă de aproximativ 555 nanometri (culoare verde-galbui ) și care are o intensitate radiantă de 1/683 watt pe steradian. O milicandelă este a mia parte dintr-o candelă, adică 1 CD = 1000 MCD. Intensitatea luminoasă în candele este independentă de distanță. Această unitate de măsură este folosită mai ales la sursele luminoase ce focalizează lumina.

Ce este steradianul ?

După cum se poate observa, un steradian reprezintă o arie de 1 m² pe suprafața unei sfere cu o rază de 1 metru sau o arie de 1 m² la o distanță de 1 metru.

De la candelă la lumen:

Candela poate fi folosită și pentru măsurarea intensității luminoase a surselor de iluminat ce nu focalizează lumina. Acest lucru poate duce la confuzii. Spre exemplu : un LED produs de “Lumileds” poate ajunge la 825.000 mcd (825cd ) iar un bec incandescent de 100 W are “doar” 150.000 mcd (150 cd ). Înseamnă ca LED-urile au ajuns sa fie de până la 5 ori mai luminoase decat un bec de 100 W? In nici un caz, cel puțin, nu încă.

Exemple de intensitate luminoasă (in candele pe m² = cd) în viața de zi cu zi :

Iluminat stradal 1,2 cd ;

Cameră 8-12 cd ;

Birou 12-18 cd ;

Masa de lucru 18-30 cd (totul pentru lumina artificială ) .

Exceptând sursele ce focalizează, luminozitatea este dată de fluxul luminos ce are ca unitate de masură lumenul .

Ce este Lumenul ?

Lumenul este fluxul luminos emis pe un steradian de un punct luminos ce are intensitatea de o candelă ( 1 cd ) . Altfel spus, o candelă va produce un lumen pe o suprafață de 1 m² la o distanță de 1 metru – figura dreapta . Un lumen pe metru pătrat înseamnă un lux .

Ce este unghiul de vedere ?

De exemplu, un unghi de vedere de 60º este suprafața portocalie din figura de mai jos.

Fig. 1.10. Unghiul de vedere

Ce inseamna Lumen/watt ?

Foarte simplu : câți lumeni se produc pe un watt de putere. Spre exemplu, un bec incandescent de 100 Watti are 1700 lumeni sau 17 lumeni/watt, un LED “Luxeon” produs de “Lumileds” are 25 până 80 lumeni pe watt.

Procesul de fabricație

Așa cum s-a menționat anterior, lumina este generată în interiorul unui cristal semiconductor ale cărui dimensiuni nu depășesc 1 mm3. În ansamblul Led-ului, capsula din plastic precum și terminalele ocupă, de fapt, cea mai mare parte din volum. Procesul de fabricație a Led-urilor este cunoscut sub denumirea de “epitaxial”, deoarece structurile cristaline ale materialului semiconductor sunt crescute efectiv una deasupra celeilalte. Acest proces de creștere epitaxială permite folosirea unor materiale semiconductoare ce nu puteau fi utilizate anterior, obtinându-se structuri de înaltă precizie și puritate.

Caracteristicile tehnice ale LED – urilor

Fig. 1.11. Variații ale intensității luminoase în funcție de tensiune, curent și temperatură

Fig. 1.12. Caracteristicile LED-ului, funție de tensiune, curent

Avantajele LED-ului față de alte surse de iluminat sunt :

•  Consum de energie : LED-ul consumă cu până la 80% mai puțină energie decât alte surse de iluminat .

•  Eficiența : LED-ul este printre cele mai eficiente surse de lumină. Cu 25 pana la 80 lumen/watt el a depășit de mult becul incandescent (max 17 lumen/watt), halogenul ( 22 lumen/watt) sau neonul (50 lumen/watt). Singurul care mai ramâne de întrecut este becul fluorescent (80lumen/watt), bec care are o serie de dezavantaje printre care fragilitate, lumină obositoare și conținut de mercur .

•  Durata de funcționare : LED-ul are o durată de viață de 100.000 de ore sau mai mult (durată de funcționare = luminozitate redusă cu 50% , nu ardere ). Un bec incandescent “traiește” în jur de 1000 ore iar un bec/neon fluorescent cel mult 10.000 de ore .

•  Siguranță , durabilitate , rezistență : LED-ul nu are filament sau părți mobile . Nu se poate sparge sau defecta la șocuri, rezistă la extreme de temperatură și poate fi aprins și stins la nesfârșit fără ai afecta durata de viață. Degajă foarte puțină cladură.

•  Culoare perfectă : LED-ul emite lumina ce are lungime de undă fixă și nu are nevoie de filtre pentru a produce culori. Culorile obiectelor nu sunt denaturate iar LED-urile pot fi combinate pentru a produce până la un miliard de nuanțe de culoare !

•  Marime : LED-ul are dimensiuni reduse și poate fi folosit acolo unde nu există alternative. Spre exemplu , LED-ul SMD poate avea doar 1 mm diametru !

•  Voltaj redus : Nici un LED nu are nevoie de mai mult de 4 Volți pentru a funcționa.

•  Timp de reacție rapid : LED-ul se aprinde mult mai repede decât alte surse de iluminat. Această calitate îl face perfect pentru stop-uri la automobile sau ecrane publicitare complexe.[7]

1.5 Transformatorul electric

Transformatorul electric este un aparat care realizeaza o modificare a parametrilor (tensiune,curent) energiei electrice de curent alternativ in scopul adaptarii energiei la caracteristicile funcționale diferiților consumatori.

Elementul constructiv principal al infășurării este spira, care reprezintă conductorul sau ansamblul de conductoare legate in paralel care înconjoara o singură dată o parte a sistemului magnetic al transformatorului parcurs de fluxul magnetic. Gruparea de două sau mai multe spire in serie formează o unitate constructivă numita bobină. Locul in care bobinatorul incepe rularea conductorului pe suportul cilindric reprezintă inceputul infăsurării.

De asemenea si conductoarele de bobinaj prezintă o larga clasificare.

Transformatorul electric este o mașină electromagnetică statică de curent alternativ, care transformă o energie electromagnetică primară de anumiți parametrii (u1,i1) într-o energie electromagnetică secundară de alți parametrii (u2,i2), frecvența rămane insă constantă (f1=f2=ct.). Cei doi parametrii care ne dau puterea: u-tensiunea și i-curentul, suferă prin transformare schimbări inverse, astfel dacă tensiunea se micșorează, curentul se mărește și invers. La baza funcționării transformatorului stă principiul inducției electromagnetice.

Din punct de vedere constructiv, transformatorul are două părți principale:

1) circuitul magnetic- reprezentat de miezul de fier și construit din tole de oțel electrotehnic pentru reducerea pierderilor în fier;

2) circuitele electrice- reprezentate de două sau mai multe înfășurări din Cu sau Al, realizate în jurul circuitului magnetic, fiind deci cuplate electromagnetic.

Infășurarea care primește energia de la o sursă se numește infășurare primară, iar cea care cedează energia unei rețele sau unui consumator se numește infășurare secundară. După cum tensiunea înfășurării secundare este mai mare sau mai mică decat cea a înfășurării primare, transformatorul este ridicător sau coborâtor de tensiune.

Pratic, un transformator monofazat, care are două înfășurări este reprezentat în figuraaurmătoare:

Fig. 1.13. Schema bloc a transformatorului electric monofazat

u1 – tensiunea de alimentare a primarului;

i1 – curentul din primar, cand în secundar avem legată impedanța de sarcină zs;

u2 – tensiunea la bornele secundarului rezultată prin inducție electromagnetică;

i2 – curentul din secundar;

фσ1,фσ2 – fluxurile de scăpări ale primarului și secundarului;

N1,N2 – numărul de spire a înfășurării primare respectiv secundare.

După numărul de faze putem avea transformatoare monofazate, trifazate sau speciale (ex:tri-hexafazate).

Rolul circuitului magnetic:

Concentrarea liniilor de câmp;

Susținerea înfasurarilor;

Transmiterea cuplului , forțelor;

Transmiterea căldurii. [6]

1.6. Schemă bloc

Fig. 1.14. Schema bloc a montajului realizat

Schema bloc realizată în figura 1.14 prezintă legaturile între blocurile componente ale montajului.

Microcontroler

Întreg montajul este realizat in jurul blocului de procesare realizat cu ajutorul microcontrolerului de la Microchip de tipul PIC18F4250 in capsulă PDIP 40 pini caruia i s-au atașat trei etaje de intrare(sursă de alimentare, tastatură si potențiometru) si 2 etaje de ieșire(afișaj, avertizare optică și acustică). S-a optat la seria 18 datorită memoriei de o capacitate mai mare decat seriei 16 din motive de folosire a unui meniu bazat pe câteva pagini și text ceea ce duce la condiționarea unui cod sursă mărit.

Sursă de alimentare

Montajul este alimentat la tensiune de 220Vac care prin intermediul transformatorului TR1 se reduce la o tensiune dublă de 2X 12Vac. Tipul de conectare a infasurarii secundare este in punte cu punct median utilizat ca punct de masă, iar celelalte extreme sunt conectate împreuna prin puntea de diode shotky D5 pentru dublarea curentului de la 250mA la 500mA. Frecvența de lucru este de 50 Hz.

Tastatura

Sistemul de selectare a funcțiilor se face prin intermediul unui meniu format din cateva pagini. Navigarea prin acesta se face cu ajutorul tastaturii si anume SELECT. Confirmarea funcției se face din tasta Play/Pause. Din tasta Power/Stand by, se pornește montajul sau se trece in stand-by.

Cu ajutorul rezistențelor R5, R6, R7, R8 care sunt folosite pentru ținerea portului D in „1” logic, mai precis RD0, RD1, RD2, RD3, ca fiind inactive stărilor de intrare si devenind active prin punerea lor la „0” logic prin butoanele S1, S2, S3, S5 s-a realizat tastatura aferentă montajului. Butonul S4 are rolul de reset al microcontrolerului.

Potențiometru

Modificarea timpului de executie al programului se realizează prin rotirea cursorului unui potențiometru liniar. Semnalul analogic este citit de către microcontroler prin etajul ADC (Analog to Digital Converter) astfel incât, valoarea setată sa fie timpul de plecare descrescător până la epuizarea acestuia și în același timp terminarea programului.

Afișaj, avertizare optică si acustică

LCD-ul DIS1 este un display de tip alphanumeric de 2 linii si 16 coloane si este utilizat la afișarea comenzilor din meniu. Semnalele de avertizare sunt atât afișate pe LCD, pe LED dar și acustic printr-un buzer.

Etajul de ieșire

Acționarea motorului se face de catre microcontroler cu ajutorul etajului de iesire care este alcatuit din 2 relee comandate de 2 tranzistoare care sunt legate de microcontroler prin rezistențele R3 și R4. Acestea sunt folosite pentru limitarea curenților electrici prin baza trazistoarelor Q2 si Q3 Tranzistoarele Q2 si Q3 sunt tranzistoare de tip npn folosite in comutație actionând la rândul lor releele de 12 VDC K1 respectiv K2 ce accționează motorul. Diodele D3 si D4, sunt folosite pentru protecția joncțiunilor a tranzistoarelor de vârfurile periculoase ce apar la decuplarea releelor din cauza inducției electromagnetice generată de bobinele releelor astfel încat acele vârfuri periculoase să se scurtcircuiteze prin diodele D3, respectiv D4.

Capitolul 2. Calculul electric si mecanic a echipamentului realizat cu microcontroler-ul PIC18F4520

Breviar de legi și teoreme, utilizate în conceperea schemei electrice de funcționare

2.1. Legea lui Ohm

Este valabilă pentru conductorii electrici la capetele cărora se aplică tensiuni electrice. Legea lui Ohm spune ca într-un conductor intensitatea curentului electric este direct proporțională cu tensiunea aplicată. Formula cea mai utilizată a legii lui Ohm este:

unde:

I – este intensitatea curentului, măsurată în amperi (A);

U – este tensiunea aplicată, măsurată în volți (V);

R – este rezistența circuitului, măsurată în ohmi (O).

Cu alte cuvinte, în cazul unui rezistor a cărui rezistență este constantă, dacă tensiunea crește, intensitatea curentului va crește și ea, proporțional. Un astfel de rezistor care respectă fidel legea lui Ohm se numește rezistor ohmic.

2.2. Teoremele lui Kirchhoff

Legile lui Kirhhoff servesc la calcularea rețelelor electrice, și anume, cunoscându-se o parte din mărimile care intervin într-o rețea, ele permit să se determine celelalte mărimi necunoscute.

De multe ori, circuitele electrice sunt mai complicate , conținând una sau mai multe surse de energie electrică și mai multe rezistențe, legate în diferite moduri alcătuind rețele electrice. Mărimile care intervin într-o rețea elecrică sunt: forțele elecromotoare,rezistențele diferitelor laturi și curenții prin aceste laturi. În general, circuitele electrice nu sunt formate dintr-un singur generator și un singur consumator. Un circuit ramificat este circuitul care conține mai multe generatoare și consumatoare. Pentru un astfel de cicuit, în mod evident nu se pot folosi legile lui Ohm.

NOD = Punct al unui circuit în care sunt interconectate cel puțin trei elemente de circuit.

LATURA = Porțiune de circuit:

Cuprinsă între două noduri;

Care nu cuprinde nici un nod interior;

Care este parcursă de același curent.

OCHI = Porțiune de circuit:

Formată dintr-o succesiune de laturi (cel puțin două) care formează o linie poligonală închisă.

La parcurgerea căreia se trece prin fiecare nod o singură dată.

O categorie deosebită de ochiuri o reprezintă ochiurile simple (fundamentale) sunt ochiuri care nu au diagonale.

Fig. 2.1. Ochiuri fundamentale

TEOREMA I A LUI KIRCHHOFF

DEMONSTRAȚIE

Considerăm un nod de rețea în care se întâlnesc cinci laturi. Curenții din fiecare latură transportă, într-un interval de timp oarecare, ∆t, sarcinile electrice Q1,Q2 ,…,Q5.

Deoarece sarcina electrică:

nu poate fi creată;

nu poate să dispară;

nu se poate acumula în nod;

Rezultă că sarcina totală care iese din nod trebuie să fie egală cu sarcina totală care intră în nod, adică:

Q2+Q3+Q5=Q1+Q4 .Împărțind această relație la ∆t, se obține:

I1 +I4=I2+I3+I5 Nod de rețea.

Evidend, acest rezultat se poate generaliza pentru orice nod în care se intâlnesc orcâte laturi. Rezultatul este cunoscut sub denumirea de teorema I a lui Kirchhoff.

Teorema I- a lui Kirchhoff:

Suma intensităților curenților care ies dintr-un nod este egală cu suma intensităților care intră în nodul respectiv.

sau

Suma algebrică a intensităților curenților care se întâlnesc într-un nod, este nulă.

Teorema II- a lui Kirchhoff:

Din legea lui Ohm pentru întregul circuit rezultă: I(R+r)=E. Această relație cuprinde în membrul stâng suma tensiunilor pe rezistențele din circuit iar în membrul drept – tensiunea electomotoare din ochi.

Suma algebrică a tensiunilor dintr-un ochi de rețea este egală cu suma algebrică a tensiunilor electromotoare din ochiul respectiv.

∑E=∑RI

-E1+E2= I1(R1+r)-I2r2-I3(R3+R6)+I4(R4+R5)

APLICAREA TEOREMELOR LUI KIRCHHOFF

Dacă se cunosc elementele consecutive ale unui circuit (toate caracteristicile generatoarelor și consumatoarelor), ecuațiile obținute prin aplicarea teoremelor lui Kirchhoff, permit aflarea intensităților tuturor curenților din acel circuit.

Etapele care trebuie parcurse pentru analiza acestui sistem fizic sunt:

Se identifică nodurile circuitului .

Se identifică laturile circuitului.

Se notează curenții și se aleg sensuri pentru aceștia.

Se aplică teorema I a lui Kirchhoff pentru n-1 noduri.

Se aleg cele f ochiuri pentru care se aplică teorema a II a lui Kirchhoff.

Este recomandabil ca acestea să fie tocmai ochiurile simple (fundamentale). Se aleg sensuri de referință în cele f ochiuri.

Se aplică teorema a II a lui Kirchhoff în cele f ochiuri alese.

Cu cele n-1 ecuații obținute se formează un sistem de ecuații.

2.3. Calculul electric pentru stabilirea valorilor rezistențelor, pentru LED-uri și tranzistoare.

Fig 2.2. Calculul electric pentru stabilirea valorilor rezistențelor

U = 4,7 V Ur = 4,7 – 3,2 = 1,5 V

R = 100 Ω

ULed rosu = 3,2V

ILed rosu nom. = 20mA

2.4. Motorul de curent continuu.

Fig. 2.3. Motorul de curent continuu

Mașina de curent continuu cunoaște o mare răspândire în sistemele de acționare electrică, datorită caracteristicilor electromecanice avantajoase pe care le prezintă.

Mașina de curent continuu este utilizată atât în regim de motor cât și în regim de generator; regimul de frână este întâlnit numai incidental în funcționarea mașinii de curent continuu.

În mașina de curent continuu câmpul inductor este fix față de armătura inductoare, realizată ca stator. Câmpul inductor poate fi produs cu ajutorul curentului continuu sau cu ajutorul magneților pemanenți (la puteri mici).

Înfășurarea prin care trece curentul continuu pentru producerea câmpului inductor se numește înfășurare de excitație, iar curentul respectiv, curent de excitație. Indusul mașinii de curent continuu, realizat pe rotor, este prevăzut cu o înfășurare de curent continuu (de tip închis), conectată la colector, organ caracteristic și indinspensabil al mașinii de curent continuu, care are rolul de a redresa curentul alternativ al indusului pentru a da în circuitul exterior un curent continuu.

Înfășurarea de excitație a mașinii de curent continuu poate fi alimentată în diferite moduri : de la surse exterioare mașinii (fig. a), când se spune că mașina are excitație separată, sau chiar de la bornele mașinii, când se spune că mașina este autoexcitată. După modul de conectare al înfășurării de excitație mașinile cu autoexcitație pot fi excitate în paralel sau în derivație (fig.b), cu excitație în serie (fig.c), sau cu excitație mixtă (fig.d).

Fig. 2.4. Conexiunile mașinilor de curent continuu:

a – cu excitație separată; b – cu excitație derivație, c – cu excitație serie; d – cu exicitație mixtă.

Regimul nominal de funcționare al mașinii de curent continuu se caracterizează prin mărimile nominale, pentru care a fost dimensionată mașina și care sunt înscrise pe plăcuța indicatoare a mașinii : regimul de funcționare (generator, motor) ; puterea în kW; la generatoare puterea electrică la borne, la motoare, puterea mecanică la arbore; curentul la bornele principale în A; tensiunea la borne în V respectiv în A; regimul de lucru (de durată, intermitent, scurtă durată).

Ca generator mașina de curent continuu nu mai prezintă o importanță energetică, această utilizare a ei fiind din ce în ce mai redusă, existând tendința de a produce curent continuu prin redresarea curentului alternativ.

Mașina de curent continuu spre deosebire de redresor realizează și o conversie electromagnetică a energiei. Generatorul de curent continuu se folosește în energetică mai ales ca excitatoare și ca subexcitatoare.

Motoarele de curent continuu se folosesc pe scară largă în diferite sisteme de acționare electrică cu turația variabilă și in tracțiunea electrică : laminoare reversibile, sisteme de urmărire, mașini de extracție (ascensoare miniere), excavatoare, tramvaie, troleibuze, locomotive electrice.

Deși s–au încercat numeroase soluții pentru înlocuirea motorului de curent continuu cu motoare de curent alternativ, până în prezent nu s–a găsit o soluție mulțumitoare din toate punctele de vedere. Puterea unitară maximă a motoarelor de curent continuu utilizate în prezent este de aproximativ 10 MW (la laminoare reversibile și la tunele aerodinamice).

Mașina de curent continuu se compune constructiv din două părți: statorul, care cuprinde carcasa cu scuturile portlagăr și sistemul inductor cu poli aparenți; rotorul realizat ca indus al mașinii prevăzut cu colector.

Indusul mașinii de curent continuu este magnetizat alternativ datorită rotirii lui în câmpul inductor. De aceea miezul indusului este realizat din tole de oțel electrotehnic, de 0,5 mm grosime, izolate între ele cu lac sau cu oxizi.

La periferia miezului indusului sunt practicate crestături, sub forma unor canale logitudinale deschise sau semiînchise, prima formă prezentând avantaje tehnologice deoarece ușurează așezarea înfășurării în crestături.

În crestături este dispusă înfășurarea indusului, ale cărui conductoare sunt legate după anumite reguli la lamelele colectorului.

Colectorul constă din lamele din cupru ecruisat de secțiune trapezoidală, izolate unele față de celelalte cu micatină. Indusul și colectorul se fixează pe arborele mașinii direct sau prin intermediul unor bucșe.

Tot pe arbore se fixează și ventilatorul. Inductorul este format din polii principali sau poli inductori și din polii auxiliari sau poli de comutație. Polii principali servesc la crearea câmpului inductor. Ei au un miez pe care sunt așezate bobinele de excitație concentrate, iar în partea către întrefier sunt prevăzuți cu piese polare, care asigură o repartiție mai favorabilă a inducției magnetice în întrefier. Polii inductori pot fi din oțel masiv sau ștanțați din tole de oțel de 1 – 2 mm grosime, ultima soluție prezentând avantaje tehnologice. Polii principali sunt fixați cu buloane de jugul statoric, care adesea joacă rol de comutație și se realizează de regulă din oțel și sunt prinși de jug prin buloane. Pe polii de comutație se dispune o înfășurare conectată în serie cu înfășurarea indusului. La mașinile de putere mai mare, în piesele polare ale polilor inductori se dispune în crestături o înfășurare de compensare în serie cu înfășurarea indusului.

Pe suprafața exterioară a colectorului calcă periile realizate prin sinterizare din grafit artificial sau din pulberi metalografitice. Periile sunt ghidate de portperii , prevăzute cu arcuri care apasă periile pe suprafața colectorului cu o anumită forță. Portperiile sunt așezate pe tije de susținere fixate izolat pe un colier. Colierul se fixează de regulă pe un scut sau pe o piesă de ghidare, solidară cu carcasa și poate fi rotit în anumite limite pentru a aduce periile în pozitia necesară unei funcționări corecte a mașinii. Capetele înfășurării mașinii și tijele periilor sunt legate la borne și sunt fixate pe o placa de borne solidară cu carcasa, fiind de regulă protejate într-o cutie de borne.

Diagrama energetică a motorului

Mașina de curent continuu poate funcționa și în regim de motor electric. Motorul electric transformă puterea electrică primită de la o rețeaua electrică în putere mecanică prin intermediul câmpului electromagnetic.

Fie o mașină de curent continuu cu excitație separată funcționând ca generator, care debitează curentul într-o rețea de curent continuu cu tensiunea atunci :

.

Micșorând treptat diferența între t.em. E și tensiunea U (micșorând turația sau fluxul magnetic inductor, sau tensiunea ),curentul va scădea treptat păna la zero și apoi va schimba semnul dacă determinând și schimbarea de semn a puterii electrice .

Astfel mașina trece din regimul de generator în regim de motor și primește putere de la rețea. În regimul de motor, cuplul electromagnetic schimbă semnul și acționează asupra rotorului în sensul de rotație (cuplul activ).

În regimul de motor sensurile de referință ale tensiunii la borne și ale curentului se asociază după regula de la receptoare.

Ecuațiile motorului în regim staționar rămân de aceeași formă ca și la generator cu precizarea că își schimbă semnul :

Căderea de tensiune își schimbă semnul odată cu .

După modul de conectare a înfășurării de excitație se disting: motoare cu excitație separată, motoare cu excitație derivație, motoare cu excitație serie și motoare cu excitație mixtă.

Când alimentarea motorului se face de la o sursă de tensiune constantă nu există deosebire între motorul cu excitație separată și motorul cu excitație derivație.

Ecuația cuplurilor la viteza de rotație constantă este : este cuplul dezvoltat la ax pentru a învinge cuplul rezistent al instalației antrenate. Înmulțind ecuația cuplurilor cu se obține ecuația puterilor :, unde este puterea utilă la arbore .

Puterea electromagnetică se poate pune sub forma :

unde este puterea absorbită de motor de la rețea ; sunt pierderile Joule în rezistența la perii și în rezistența R este puterea transformată în caldură prin efect Joule în înfășurarea de excitație. Pe baza relațiilor de mai sus s-a construit diagrama energetică a motorului.

Randamentul motorului este :

Polaritatea polilor auxiliari se stabilește după aceeași regulă ca la generator și rezultă că parcurgând periferia rotorului în sensul de rotație, întâlnim întâi un pol auxiliar de polaritate opusă față de polul de excitație care urmează.

Motoarele de curent continuu prezintă o deosebită importanță în acționarea cu reglaj de viteză, cunoscând în prezent o largă dezvoltare, ca fabricație și utilizare (tracțiunea electrică, acționarea mașinilor unelte, metalurgie, instalații de transport).

Performanțele unui motor sunt determinate de caracteristicile de pornire, de funcționare, de frânare și de modificare a vitezei de rotație.

Caracteristicile motorului de curent continuu depind de modul de conectare al înfășurării de excitație; este importantă caracteristica mecanică care se aproximează cu

Fig. 2.7. Pornirea motorului de curent continuu cu excitație în derivație

Caracteristicile se studiază la tensiune constantă : .

Pornirea motorului derivație se poate efectua fie cu ajutorul unui reostat conectat în serie cu indusul, fie prin alimentarea motorului de la o sursă cu tensiune reglabilă.

Curentul de pornire este mare în raport cu deoarece în momentul pornirii n=0 și deci t.e.m. este nulă.

Variația curentului în raport cu timpul, în intervalul de pornire se determină din ecuațiile:

Constanta de timp este redusă și curentul absorbit crește foarte repede până la o valoare maximă , de la care începe să scadă pe măsură ce crește turația , tinzând aperiodic sau osilant amortizant spre valoarea finală

Valoarea maximă a curentului depinde de momentul de inerție J. Dacă J este mare se realizează o pornire lentă și se apropie de valoarea .

Curentul ajunge la valoarea în aproximativ 0,02 s.

La motoarele derivație, trebuie să se conecteze mai întâi circuitul de excitație și după ce s-a stabilit fluxul magnetic, de regim se conectează circuitul indusului.

Astfel, pornirea are loc într-un interval de timp mai mare din cauza constantei de timp a înfășurării de excitație. Șocul de curent la pornire este periculos atât pentru motor din cauza comutației grele cât și pentru rețea mai ales dacă aceasta este de putere mică.

Odată cu șocul de curent are loc și un șoc de cuplu deoarece .

Pentru a limita curentul de pornire se folosesc reostate de pornire conectate în serie cu indusul, a căror rezistență poate fi variată în trepte sau continuu, în așa fel încât .

Această metodă de pornire este cea mai răspândită, fiind utilizată la motoarele cu puteri medii și mari (excepție fac motoarele de puteri foarte mari, de exemplu pentru caja laminoarelor, la care reostatele ar rezulta de dimensiuni exagerate și pierderile de energie ar fi importante 0).

Metoda se aplică la toate tipurile de motoare de curent continuu.

La conectarea rezistenței de pornire , caracteristica mecanică se schimbă conform relației devenind cu atât mai cazătoare cu cât este mai mare.

Când cuplul dezvoltat de motor atinge valoare (curentul prin indus este ) se scurtcircuitează prima treaptă a reostatului (se închide ) și se înregistrează un nou șoc de curent și cuplu. Se pot dimensiona treptele reostatului astfel încât noul șoc de curent și cuplu să fie tot . Viteza crește în continuare după caracteristica mecanică 2 care corespunde rezistenței de pornire .

În mod similar se scutcircuitează și celelalte trepte și motorul funcționeză în final pe caracteristica mecanică naturală , notată cu 5.

De obicei .

Pentru un cuplu de pornire mare trebuie ca fluxul magnetic de excitație să fie maxim, adică

Pornirea motorului prin alimentarea de la sursă reglabilă de tensiune este utilizată în instalații de mare putere și în unele acționări speciale sau în instalațiile care necesită un reglaj larg de turație; în privința randamentului este avantajoasă.

Fig. 2.8. Caracteristicile mecanice la reglajul turației cu ajutorul unui reostat

Reglajul turației motorului derivație.

Reglajul turației motorului derivație: deci reglarea turației se face prin următoarele procedee :

– cu ajutorul unui reostat de rezistență reglabilă conectat în serie cu indusul, procedeu numit reglaj reostatic;

– prin reglarea tensiunii la bornele indusului;

– prin variația fluxului de excitație.

Reglajul reostatic păstrează turația de mers în gol ; această nu depinde de Odată cu variația rezistenței se modifică panta caracteristicii mecanice (fig.2.8) în acest caz .

Pentru se obține caracteristica mecanica naturală. Rezistența este dimensionată pentru regim de lungă durată (diferă de ).

Uneori rezistența de reglare se utilizează și ca rezistența de pornire, dar reciproca nu este valabilă. Prin acest procedeu se poate doar reduce turația motorului (sub ) , iar la sarcini reduse reglajul este instabil. Randamentul este scăzut datorită pierderilor în rezistența . La același cuplu rezistent odată cu scăderea turației pierderile în infășurarea indusului rămân neschimbate și este necesar să se intensifice ventilația mașinii. În acest scop, motoarele destinate să funcționeze timp îndelungat la o turație redusă se prevăd cu un sistem de ventilație exterioară forțată , ceea ce complică construcția mașinii. Comutația este mai bună la viteze mai mici . Procedeul este economic îndeosebi la reglajul turației în limite restrânse (de la la ) și pentru un interval de timp relativ scurt. Metoda este destul de utilizată la motoare de puteri mici și mijlocii, mai ales în tracțiunea urbană.Reglajul turației prin variația tensiunii la bornele indusului realizează modificarea turației de mers în gol cu păstrarea pantei caracteristicii mecanice.Reglajul este eficient la orice sarcină a mașinii. La motorul compensat se obține o familie de drepte paralele. Procedeul permite reducerea sau creșterea turației motorului, însă necesită prezența unei surse reglabile de curent continuu ceea ce sporește costul investiției.Reglajul turației prin variația fluxului de excitație constă în introducerea unui reostat în circuitul de excitație care permite deplasarea caracteristicii mecanice; puterea reglată este relativ mică. Acest procedeu este eficient la sarcini reduse. Dacă fluxul de excitație se micșorează simțitor, este posibil ca să crească mult și reacția indusului să aibă efecte mai puternice. Slăbirea fluxului magnetic are efecte negative asupra stabilității și comutației motorului. Totuși această metodă se folosește pentru mărimea turației până la de două ori turația nominală a motorului.

Se poate obține și o scădere a vitezei de rotație prin creșterea curentului de excitație, însă acesta poate conduce la încălziri ale înfășurări de excitație peste limita admisibilă.

Din cauza saturației, fluxul de excitației nu crește sensibil la majorarea curentului de excitație și deci turația se micșorează destul de puțin. [1]

Capitolul 3. Prezentare generală a microcontroler-ului PIC18F4520

3.1. Microcontroler-ul PIC18F4520

Fig. 3.1. Dispunerea pinilor la PIC18F4520 [8]

Configurația microcontroler-ului PIC18F4520 :

Repere periferice:

– Chiuveta de mare curent / sursă 25 mA/25 mA ;

– Trei întreruperi externe programabile ;

– Patru întreruperi de schimbare de intrare ;

– Două module PWM de captură :

Captură pe 16 biți la o rezoluție de 12.5 ns ;

Captură pe 16 biți la o rezoluție de 200 ns ;

PWM max. rezoluție de 10 biți ;

– Capture îmbunătățită / compara / Modulul PWM (PESC) (numai dispozitive 40/44-pin)  :

Una, două sau patru ieșiri PWM;

Polaritate selectabile ;

Timp mort programabil;

Auto-Shutdown și Auto-Restart;

– Port serial sincron Master(MSSP) cu SPI în modul (Master-toate cele 4 moduri) și în modul (Master/Slave) ;

– Modul USART adresabil îmbunătățit :

Suportă RS-485, RS-232;

Operațiunea RS-232 folosește bloc oscilator intern (nu necesită cristal extern ) ;

Auto-Wake-up pe Start bit;

Auto-Detect Baud;

– Convertor Analog – Digital pe 10 biți :

Capacitatea de auto-achiziție;

Conversie disponibilă în timpul somnului;

– Comparatoare analogice duble cu multiplexare de intrare.

Structura oscilatorului:

– Patru moduri de cristal, până la 40 MHz;

– 4X Phase Lock Loop (disponibil pentru cristal și oscilatoare interne) ;

– Două moduri de RC extern, de până la 4 MHz;

– Două moduri de ceas extern, de până la 40 MHz;

– Bloc oscilator intern:

8 frecvențe selectabile de utilizatori, de la 31 kHz până la 8 MHz;

Oferă o gamă completă de viteze de ceas de la 31 kHz până la 32 MHz, atunci când este utilizat cu PLL;

– Oscilator secundar folosind Timer1 @ 32 kHz;

– Fail-Safe Ceas Monitor:

Permite închiderea în siguranță în cazul în care ceasul periferic se oprește.

Caracteristici speciale ale microcontrolerului:

– Flash imbunătațit de 100.000 cicluri de citire/ștergere ;

– Memorie EEPROM cu 1.000.000 de cicluri de citire/ștergere ;

– Retenție Flash/Data EEPROM: 100 ani ;

– Auto-programabil sub controlul software ;

– Nivele de prioritate pentru întreruperi ;

– 8 x 8 Single-Cycle Hardware de multiplicare ;

– Watchdog Timer (WDT) – Programabil de la 4 ms la 131s ;

– Intrare serială de programare (ICSP) prin doi pini ;

– Plaja tensiunii de alimentare pentru funcționare (2V – 5.5V) ;

– Circuit de detecție pentru Brown-out Reset (BOR) ;

Toate dispozitivele din familia PIC18F4520 încorporează o serie de caracteristici care pot în mod semnificativ reduce consumul de energie în timpul funcționării.

3.2. Schema bloc internă a microcontroler-ului PIC18F4520

Fig. 3.2. Schema bloc PIC18F4520

Elementele cheie includ:

Alternarea modurilor de rulare – a controlerului de la sursa Timer1 sau a blocului oscilatorului intern,consumul de energie în timpul executării de cod putând fi redus cu până la 90%.

Moduri Idle multiple – Controlerul poate rula, de asemenea, cu unitatea de prelucrare dezactivată, dar perifericele încă active. În acest fel, consumul de energie poate fi redus chiar mai mult, la mai putin de 4% din cerințele normale de funcționare.

Comutare on-the-fly – Modurile de gestionare a puterii sunt specificate in cod de utilizator, in timpul funcționării, permițând utilizatorului să includă idei de economisire a energiei în proiectarea software a aplicației.

Consumul scăzut în module cheie – Cerințele de energie atât pentru Timer1 și

Watchdog Timer sunt reduse la minimum. [2]

3.3. Descrierea pinilor microcontroler-ului PIC18F4520

Tabel 3.1. Descriere pini PIC18F4520

Legendă:

TTL = TTL compatibil de intrare;

CMOS = CMOS compatibil de intrare sau de ieșire;

Intrare ST = Schmitt Trigger cu nivele CMOS;

I = intrare;

O = ieșire;

P = Putere. [3]

Tabel 3.2 Configurație pini PIC18F4520

Capitolul 4. Proiectarea electronică

4.1. Metode de fabricare a PCB-urilor

Fig. 4.1 Placa cicuit imprimat

Placa cu circuite imprimate (PCB) este un ansamblu mecanic ce este alcătuit din straturi de fibră de sticlă, laminat cu modele de cupru. Este folosită pentru a monta componente electronice pe un suport solid ce poate fi împachetat. Este cunoscută și sub numele de placă de cablaj.

Cablajul

Un cablaj trebuie dispus astfel încât să arate legătura părților componente pe placă. Fiecare parte de pe schemă ar trebui să aibă un indicator de referință, care să corespunda cu cel de pe lista de materiale. Multe programe ce se ocupă de scheme, permit generarea automată a listei de materiale.

Lista de materiale

Componentele care vor fi montate pe PCB ar trebui să fie scrise pe lista de componente. Fiecare componentă trebuie sa aibă un indicator unic și o descriere (de exemplu o rezistență poate avea un indicator “RI” cu descrierea rezistor cu film de carbon de ½ watti). Se pot include orice detalii care pot ajuta la procesul de asamblare, cum ar fi aparatura necesară montării, distanțierii, sau orice alte materiale care nu sunt arătate în diagramă.

Alegerea componentelor din tabelele de produse

Producatorii de componente pun la dispoziție tabele cu produsele ce pot fi folosite de către proiectanți în realizarea circuitelor. Pentru a putea realiza PCB-urile cât mai bine, aceste componente ar trebui să aibă trecute și dimensiunile fizice. În mod normal, informații cu privire la produse se găsesc pe pagina personală de internet a producatorului. Dacă o componentă ce va fi folosită nu are specificații tehnice, ar trebui să achizitionăm un exemplar pentru a-i testa proprietățile. Această metodă este mai putțn precisă decât dacă am folosi informația de la producator, mai ales dacă componenta are o toleranță mare, dar este mai bine decât a lua una la întamplare.

Alegerea tipului de placă și dimensiunea

O placa PCB nu reprezintă un produs finit. Va avea mereu nevoie de conexiuni la lumea externă pentru a primi curent, a face schimb de informații, sau pentru a afișa rezultate. Va fi nevoie ca aceasta să intre într-o carcasă sau să gliseze într-un suport pentru a-și putea îndeplini funcția. Este posibil să existe zone pe placă ce au restricții de înălțime (cum ar fi mulajul suportului de baterii sau șinele suportului în care trebuie să gliseze). În cadrul procesului de producție este posibil să fim nevoiți să facem găuri în placă. Toți acești factori externi trebuie să fie definiți înainte ca placa să fie proiectată, inclusiv dimensiunea maximă a placii și amplasamentul conectorilor, a afișajelor, a suporților de susținere sau a altor funcții externe. PCB-ul trebuie să țină cont de grosimea cuprului care va fi laminat pe suprafața sa. Cantitatea de curent ce trece prin circuite duce la stabilirea grosimii stratului de cupru. În mod normal, această grosime este standard. De asemenea putem alege între mai multe tipuri de materiale pentru producerea plăcii și putem alege și numarul de straturi:

Material:

Fibra de sticlă sub formă de rășină ce este laminata ( FR4). Este o placă rigidă cu grosimea de 1.6 mm (convențional) sau 0.8 mm.

Fenolul este un material pentru fabricarea PCB-urilor mai ieftine. Este o placă rigidă cu grosimea de 1.6 mm (convențional) sau 0.8 mm.

Straturi:

Fig. 4.2. PCB un strat

Un singur strat: un strat de cupru. În mod normal componentele trebuie sa fie montate doar pe o singură parte a PCB-ului, toate legăturile făcându-se prin intermediul găurilor, piesele fiind lipite. De asemenea, componentele se pot monta și pe suprafața plăcii folosind tehnologia SMT sau SMD. Circuitele montate pe suprafața plăcii sunt în general mai mici decât cele convenționale. Acest tip de montaj este în general mai potrivit pentru asamblarea automată decât cea convențională. În practică, majoritatea plăcilor sunt o combinație între componente convenționale și montaj pe suprafața plăcii. Această combinație poate avea dezavantajele sale, deoarece cele două tehnologii necesită metode diferite de lipire. Circuitele convenționale sunt în general mai ușor de diagnosticat și reparat.

Fig. 4.3. PCB doua straturi

Două straturi de cupru, unul pe fiecare parte a plăcii. Componentele trebuie să fie montate doar pe o singură parte a plăcii, dar este posibil și montarea componentelor pe ambele părți. În mod normal numai circuitele montate pe suprafața plăcii pot fi așezate pe ambele părti ale PCB-ului. Componentele trebuie să fie montate folosind și tehnologia convențională și tehnologia de montare a SMD-urilor. Circuitele convenționale sunt în general mai ușor de diagnosticat și reparat.

Fig. 4.4. PCB multistrat

Multistrat PCB-ul poate fi produs cu mai mult de două straturi de cupru, folosind o construcție de tip sandwich. Costul plăcii reflectă numărul de straturi. Straturile suplimentare pot fi folosite pentru a devia circuite mai complicate și/sau pentru a distribui energia mai eficient.

Desenarea schemei PCB-ului

Schema PCB-ului poate fi desenată fie manual, fie prin intermediul unui program ECAD. Pentru lucrarea de față s-a folosit programul Eagle pentru proiectare scheme electrice și cablaje. Procesul manual este folositor și rapid doar pentru PCB-uri foarte simple, pentru PCB-uri mai complicate sugerez a doua metodă. În prezent programe ieftine se pot ocupa de toate aspectele preprocesării PCB-urilor. De asemenea sunt disponibile și programe profesionale care pot controla în mod direct uneltele de fabricație (cum ar fi mașina de găurit). Câteva metode empirice pot fi folosite atunci cand se proiectează plăcile:

Amplasarea componentelor

În general, este bine să amplasăm componentele doar pe partea superioară a plăcii. În primul rând plasăm toate componentele care trebuie să fie intr-un anumit loc. Asta include conectori, întrerupatoare, leduri, găuri pentru montaj, radiatoare sau orice alte componente ce trebuie sa fie montate la o locație externă. Componentele care se conecteaza una cu alta trebuiesc puse în apropiere una de alta. Dacă facem o treaba buna aici, va fi mult mai ușor să trasăm circuitele. Aranjăm IC-urile în una sau în două din poziții: sus și jos sau stânga și dreapta. Aliniem fiecare IC, astfel încât pinul numarul 1 să fie în același loc pentru fiecare direcție, de obicei în partea de sus sau în stânga. Componentele polarizate (de exemplu diode și învelișurile electronice) cu legaturile pozitive având aceiași orientare. De asemenea folosim o suprafață pătrată pentru a marca legăturile pozitive ale acestor componente. Vom câștiga mult timp lăsând destul spațiu între IC-uri pentru a putea trasa circuitele. De obicei un începător rămâne fără spațiu atunci când trebuie să traseze circuitele. Lăsăm 0.350” – 0,500” între IC-uri și pentru IC-uri mai mari lăsăm chiar mai mult. Componetele care nu se găsesc în stoc, pot fi făcute prin plasarea unor serii de plăci individuale și apoi grupându-le. Punem câte o plăcuță pentru fiecare legătură a componentei. Este foarte important să măsurăm distanța dintre pini și diametrul acestora cât se poate de exact. Pentru această operație, de obicei se folosesc șublere digitale sau analogice. Atunci când alegem o plăcuță și mărimea găurii pentru pinii componentei, trebuie sa ținem minte că marimea găurii se referă la mărimea burghiului ce este folosit atunci cand placa este făcută. După ce gaura este placată, diametrul se va micșora cu 0.005” până la 0.007”. Când alegem mărimea găurii adaugăm 0.008 sau chiar mai mult. După ce am amplasat toate componentele, printăm o copie a schemei. Amplasăm fiecare componentă deasupra schemei. Verificăm pentru a vedea dacă am lăsat destul spațiu între componente astfel încât acestea să nu se atingă.

Amplasarea liniilor de semnal

Procesul conectării părților este cunoscut sub denumirea de direcționare și poate fi realizat manual sau automat. Dacă folosim un program de direcționare este o idee bună să direcționăm semnalele critice manual. Astfel semnalul va fi direcționat cu mai puține cotituri decât dacă acesta ar fi fost trasat de către program. Anumite semnale pot avea nevoie de tratament special, cum ar fi împământarea sau lungimi specifice care pot fi mai ușor de făcut înainte de a porni programul. Aceste linii ar trebui marcate drept fixe pentru ca programul să nu le mute. Când amplasăm liniile, este o idee bună să le facem cât mai scurte și cât mai directe posibil. Folosim legăturile prin intermediul găurilor pentru a transfera semnalul de la un strat la altul. În general, cea mai buna strategie este să facem o placă cu trasee verticale pe o parte și trasee orizontale pe partea cealaltă. Facem legatura acolo unde este nevoie ca un traseu orizontal să se întâlnească cu unul vertical. O lățime a traseului bună pentru semnale digitale și analogice de tensiune joasă este 0.012”. În legăturile care suportă o cantitate de curent mai mare ar trebui să fie mai late decât cele care transportă doar semnal.

Atunci când amplasăm o legatură, este foarte important sa ne gândim la spațiul dintre acea legatură și alte legături adiacente. Trebuie să ne asigurăm că există o distanță minimă de 0.007” între componente, optim ar fi 0.010”. Lăsând un spațiu cât mai mic, apare riscul ca în momentul realizării plăcii, să apară un scurtcircuit. De asemenea, este necesar să lăsăm spații mai mari atunci când lucrăm cu voltaj ridicat. Atunci când folosim legături înguste, de 0.025” sau chiar mai mici, evităm întoarcerile de 90o. Problema aici este că în procesul de fabricare al piesei, colțul exterior este deseori gravat prea îngust. Soluția este să folosim două cotituri de 45o lăsând o mică distanță între ele. Este o bună idee să scriem pe stratul superior al plăcii numele produsului sau al companiei. Textul amplasat pe stratul superior poate fi de ajutor pentru a ne asigura că nu există nici o confuzie în procesul de producție cu privire la întâietatea stratului.

Verificarea muncii realizate

După ce toate legăturile sunt amplasate, este bine să verificăm de două ori direcționarea fiecărui semnal pentru a vedea că nu am omis nimic sau nu am legat în mod necorespunzător. Realizăm această operație, verificând schema, luând câte o legătură în parte. Urmărim atent calea pe care o urmează fiecare legătură pe placă pentru a ne asigura că este aceiași cu cea de pe schemă. După ce fiecare legătură este confirmată, marcăm acel semnal pe schemă cu un marker. Inspectăm placa atât pe partea superioară cât și pe cea inferioară pentru a ne asigura că distanța dintre fiecare componentă este de 0.007” sau mai mare. Verificăm să nu existe legături lipsă între cele două straturi. O metodă ușoară de a verifica lipsa unei legături este să tipărim prima dată stratul superior și apoi pe cel inferior. Inspectăm vizual fiecare parte pentru a descoperii legături care nu se conectează la nimic. Când am găsit o conexiune lipsă, o realizăm. Verificăm să nu existe trasee care se intersectează. Acest lucru se poate realiza foarte ușor prin inspectarea schemei fiecărui strat. Componentele mecanice cum ar fi radiatoarele, cristalele, întrupătoarele, bateriile și conectorii, pot cauza scurt-circuite dacă sunt amplasate deasupra legăturilor stratului superior. Inspectăm existența acestor scurtcircuite prin amplasarea componentelor metalice pe suprafața unui imprimat al stratului superior. Apoi căutăm legăturile care trec pe sub componentele mecanice.

Desenarea schemei de fabricație

Schema de fabricație ar trebui să arate dimensiunile plăcii în concordanță cu datele necesare. Trebuie să arate o reprezentare pentru fiecare gaură de pe placă, folosind simboluri diferite pentru fiecare mărime a găurii, și să existe un tabel care să ilustreze numărul de găuri în funcție de mărime. Această schemă va fi folosită de producatorul plăcii împreună cu fișierele de date generate în etapa post-procesare.

Desenarea schemei de asamblare

Este posibil să fie nevoie sa desenăm o schemă de asamblare care să ne ajute la construcție și la reparație. Aceasta ar trebui să arate codul pieselor de identificare. De asemenea, ar trebui să conțină orice informații cu privire la anumite operații speciale de asamblare. Multe companii cer aceste desene, altele folosesc copii ale shemei circuitului.

Metode diferite de realizare a PCB-urilor:

Gravarea

Gravarea este probabil cea mai ușoară și mai ieftină metodă.

Gravarea este procesul chimic de îndepărtare a cuprului nedorit de pe o placă. Trebuie să punem o mască peste porțiunile care dorim să ramână după gravare. Aceste porțiuni care rămân pe placă sunt liniile care transmit curentul între componente. Sunt mai multe soluții de gravare:

Clorura ferică: face multă mizerie, dar se poate achiziționa ușor și este mult mai ieftină decât celelalte variante. Atacă ORICE metal, inclusiv oțelul inoxidabil, așa că atunci când gravăm o placă folosim o chiuvetă din plastic sau ceramică, cu instalație tot din plastic, și orice șuruburi din metal le sigilăm cu ajutorul siliconului. Dacă exista posibilitatea ca bateria de la chiuvetă să se stropească o acoperim cu plastic. Un sistem de evacuare al vaporilor nu este necesar, însă este bine să acoperim vasul atunci când nu folosim substanța.

Este indicat să folosim clorura ferică hexahidrată ce are o culoare galben deschis și este sub formă de pudră sau granule care trebuie dizolvate în apă caldă până când aceasta devine saturată. Adaugând o linguriță de sare va face substanța mai clară, pentru ca verificarea să se facă mai ușor.

Uneori, se poate folosi și clorură ferică anhidră care este sub formă de pudră de culoare verde-maroniu. Dacă putem, evităm aceasta solutie și avem mare grijă în manipularea ei, deoarece degajă multă caldură atunci când este dizolvată. Întotdeauna adaugăm pudra foarte ușor; nu adaugăm apă peste pudră; folosim în permanență mănuși și ochelari de protecție. Este posibil ca clorura ferică anhidră să nu ajute deloc la gravare, așa că trebuie să adaugăm o mică cantitate de acid clorhidric și să o lăsăm o zi sau două.

Atunci când dizolvăm oricare dintre soluții, avem mare grijă sa evităm să ne stropim. Soluția afectează ochii și pătează permanent îmbrăcămintea, așa că folosim ochelari și mănuși de protecție și ne spălăm bine în cazul în care soluția a intrat în contact cu pielea.

Dacă realizăm PCB-uri într-un mediu profesional, unde timpul înseamna bani, ar trebui sa ne cumpărăm un recipient cu bule, încalzit, pentru gravură. Având clorura ferica nouă, o placă va fi gravată în mai puțin de 5 minute, în comparație cu o oră cât durează într-un recipient neîncălzit și fără sistem de agitare. Gravarea rapidă produce o mai bună calitate a marginilor și o lățime a liniilor constantă.

Dacă nu folosim un recipient cu sistem de agitare, va trebui să agităm des, pentru a asigura o gravură constantă. Încălzim substanța gravantă prin amplasarea recipientului cu soluție într-o tavă mai mare în care există apă fierbinte – pentru gravuri fine trebuie ca soluția să aibă o temperatura de 300-600.

Persulfat de amoniu: este furnizat sub formă uscată, ce este ușor de amestecat și este folosit drept gravant pentru circuite din cupru. Când este folosit în combinație cu catalistul sau, se poate menține un ritm de gravare constant pe toată durata procesului.

Dupa realizarea amestecului, soluția are o durată de viață de aproximativ trei săptămâni și o capacitate de gravare de 29.96 – 37.45 grame / litru de gravant. Această soluție, în comparație cu clorura ferică și alte substanțe gravante are urmatoarele avantaje:

Nu va păta hainele, recipientele sau pielea.

Se clătește ușor și nu lasă nici un reziduu în apă.

Are o viteză constantă de gravare și cu adăugare constantă a catalistului menține viteza pe toată durata de viață a soluției. Însă, ca și toate soluțiile gravante, persulfatul de amoniu are și dezavantaje:

Durata de viață activă : soluția are o durată de viață activă de 3 săptămâni, indiferent dacă este folosită sau nu.

Agresivitate: soluția atacă fibrele naturale precum bumbacul, lâna și pânza.

Există mai multe metode de pregătire a plăcii înainte de gravare:

Manual (desen direct)

O metodă de a imprima un model pe placă este să il desenăm direct. Folosind fie un creion permanent sau folosind benzi speciale (transferuri uscate) trasăm liniile direct pe suprafața de cupru a plăcii. Metoda stiloului se bazează pe faptul că cerneala este rezistentă la apă, iar cea cu benzile speciale se bazează pe faptul că acestea sunt făcute dintr-un plastic impermeabil, amândouă împiedicând gravantul să ajungă la cuprul ce se afla sub acestea, astfel, tot cuprul este îndepărtat cu excepția modelului ce a fost trasat. Aceasta este cea mai ușoară metodă de a transpune modelul pe placă dar apar dificultăți în amplasarea liniilor exact.

Aceasta este cea mai ușoară metodă de a trasa un model de circuit pe placă, dar este dificil să poziționăm liniile precis, mai ales dacă folosim pachete IC în cadrul desenului. În plus, din moment ce cerneala nu se aplică uniform, există posibilitatea ca liniile să fie și ele îndepărtate de soluția gravantă. Dacă facem o greșeală va trebui să o luăm de la capăt! Din acest motiv putem folosi această metodă pentru a face PCB-uri care sunt ușoare, fără detalii mari, sau să retușăm ușor placa înainte de gravare.

Fotolitografic

Sugerăm această metodă pentru a produce PCB-uri de calitate, în mod constant și eficient mai ales pentru realizarea prototipurilor profesionale ale plăcilor ce vor fi produse în serie.

În cadrul acestei metode, o placă este acoperită cu un material ce se lipește atunci când este expus la lumina ultravioletă. Pentru a reliza o placă în acest mod trebuie să realizăm o peliculă translucidă, pe care să curațăm zonele ce nu vrem să apară pe placă. După realizarea schemei pe peliculă, aceasta este plasată pe placa sensibilă la lumină și este expusă la ultraviolete. Lumina ultra violetelor transmite prin porțiunile transparente ale peliculei și ajută la lipire. Ceea ce este imprimat reprezintă forma circuitului nostru. Avantajele acestei metode sunt liniile exacte și fine, și odată ce facem pelicula, aceasta poate fi folosită de multe ori pentru a face numeroase plăci de același fel.

Nu veți obține un rezultat bun decât dacă pelicula este bine realizată. Ideea este să realizăm o imagine clară, precisă, care sa fie de un negru opac. În prezent, pelicula este desenată fie folosind un program de specialitate sau un pachet de desen special.

Pelicula trebuie să fie în așa fel pictată astfel încât, partea imprimată să fie în contact direct cu placa în momentul expunerii, pentru a evita linii neclare.

Calitatea peliculei este influențată și de dispozitivul de desenare și de suportul de imprimare.

PCB-uri fotorezistente

Pentru a putea transfera imaginea de pe peliculă pe placă trebuie să folosim o placă tratată cu vopsea de copiere specială (Photoresist).

Vopseaua sub formă de spray, este foarte greu de folosit, deoarece praful se va depune mereu pe suprafața umedă. Această metodă nu este recomandată decât dacă avem acces la o zonă foarte curată și bine ventilată sau la un cuptor de uscare, sau dacă vrem să facem o placă cu o rezoluție mică. În oricare dintre cazuri, pentru a folosi acest spray trebuie sa:

1) avem multă practică.

2) curățăm: degresăm suprafața înainte de aplicarea produsului.

3) aplicăm substanța: pulverizăm placa de la o distanță de aproximativ 20 de cm până când vopseaua devine vizibilă. Această operație trebuie să se realizeze în condiții lipsite de praf. Apoi stratul trebuie să fie uscat (la 20o timp de 24 de ore sau la 75o timp de 15 minute).

Întotdeauna folosim o placă de bună calitate. Verificăm cu atenție să nu existe zgârieturi pe folia de protecție, și după îndepărtarea acesteia, pe suprafața plăcii. Nu avem nevoie de o cameră obscură pentru a lucra cu această placă, cu condiția să evităm contactul direct cu lumina soarelui, să minimizăm expunerea inutilă, și o developăm imediat după expunerea la ultraviolete.

Mediu de realizare a peliculei.

Contrar cu ceea ce credem, nu este necesar să folosim un mediu transparent pentru a realiza pelicula, cu condiția să fie cât de cât transparent la lumina ultravioletă. Materialele ce sunt opace este posibil să aibă nevoie de o expunere mai îndelungată. Claritatea liniei, transparența dungilor și capacitatea de absorție a cernelei sunt mult mai importante. Medii posibile pentru peliculă sunt urmatoarele:

– folii transparente: acestea pot părea cele mai potrivite pentru această operație dar sunt scumpe, au tendința de a face cute sau a se deforma din cauza imprimării laser, iar cerneala se poate crăpa sau se poate zgâria foarte ușor.

– pelicula de transfer din poliestern: este bună, dar scumpă, suprafața aspră reține bine cerneala, și nu se deformează. Dacă este folosită la o imprimantă laser, cautăm cea mai groasă peliculă disponibilă, deoarece o peliculă mai subțire are tendința de a se încreți datorită căldurii. La anumite imprimante chiar și peliculele mai groase se pot încreți.

– foaie de transfer: are o transparență destul de bună și reține destul de bine cerneala și nu se deformează la caldură. Este ieftină, se găsește ușor la orice magazin de birotică (de obicei de aceiași măsură ca și hârtia obișnuită). Cumparăm tipul cel mai gros de foaie, cu o densitate de cel putin 90 grame/m2 (hârtia mai subțire se poate încreți), cea de 120 grame/ m2 este și mai bună dar mai greu de găsit.

Instrumente pentru a desena pelicula

Dispozitivul de imprimare este esențial pentru a produce o peliculă bună. Printre dispozitivele de imprimare se numără:

Stiloul manual: nu este o alegere adevărată dar îl putem folosi pentru a face plăci cu detalii reduse sau pentru refinisare. Acesta trebuie să fie un marker permanent negru.

Transferul uscat: este o metodă lentă și scumpă, dar ne permite să desenăm manual și cu precizie mare sau să retușăm pelicula.

Plottere-le sunt destul de complicate și trebuie să folosiți pelicula de transfer din polistiren (hârtia de transfer nu este bună deoarece cerneala nu se imprimă) și avem nevoie de cerneala specială și creioane scumpe pentru a obține rezultate satisfăcătoare. Capetele de scriere au nevoie de curățare frecventă și se înfundă foarte ușor.

Imprimante cu cerneală: reprezintă o metodă atât de ieftină încât merită încercată cu cât mai multe tipuri de mediu de imprimare, dar nu vă așteptați la aceeași calitate pe care o obținem de la o imprimantă laser. Principala problemă va fi obținerea unui negru destul de opac. Este posibil să încercăm o imprimantă cu cerneală și pentru imprimarea pe hârtie, care în cele din urmă poate fi fotocopiată pe hârtie de transfer cu ajutorul unui fotocopiator de bună calitate.

Imprimante laser : reprezintă cea mai bună soluție. Ne-o putem permite, este rapidă și are o calitate bună. Imprimanta ce este folosită trebuie să aibă o rezoluție de cel putin 600 dpi pentru toate PCB-urile, deoarece vom lucra în mod normal cu multipli de 0.025’’(40 de linii/inch). 300 dpi nu se împarte la 40, 600 dpi se împarte așa că vom obține o distanță constantă și o lățime a liniilor bună. Este foarte important că imprimanta să producă un negru opac fără găuri lăsate de toner. Dacă plănuim să cumpărăm o imprimantă pentru a o folosi la PCB-uri, facem câteva teste de imprimare pe hârtie de transfer pentru a vedea rezultatele. Dacă imprimanta are o setare pentru densitate, o setăm la cea mai mare valoare. Chiar și cele mai bune imprimante laser nu acopera bine zone mari (de exemplu, zone pentru împământare), dar aceasta nu este de obicei o problemă atâta timp cât liniile trasate sunt solide. Atunci când folosim hârtie de transfer sau pelicula de transfer, alimentăm imprimanta manual și setăm calea de ieșire cea mai directă pentru a pastra desenul cât mai plat posibil și a minimiza blocarea. Pentru plăci PCB mici, ținem aminte că putem economisi hârtie tăind-o în două (tăiem o hartie de A4 în două de A5) ; este posibil să facem o setare în cadrul programului PCB-ului de a desena vertical și astfel imprimând pe partea corectă a paginii. Unele imprimante laser au acuratețe dimensională proastă ceea ce duce la probleme pentru PCB-uri mai mari dar atâta timp cât orice eroare este de ordin liniar (de exemplu, nu variază de-a lungul paginii), poate fi compensată prin reglarea programului de imprimare. Singura dată când acuratețea imprimării poate fi vizibilă este atunci când este cauzată de proasta liniere a părților pentru PCB-urile ce sunt imprimate pe ambele părți – acest lucru se poate evita prin aranjarea cu grijă a hârtiei pentru a vă asigura ca eroarea este aceeași pe ambele părți.

Typesetters : pentru o peliculă de bună calitate, realizăm un fișier PostScript și îl ducem la un DTP sau la un serviciu de imprimare, și solicităm să se facă un film dupa acesta. Aceasta va avea o rezoluție de cel putin 2400 dpi, va fi de un negru absolut opac și va avea o bună acuratețe. Costul este “per pagină”, indiferent de suprafața folosită, așa că dacă putem face să intre mai multe modele de PCB sau ambele părți ale unui PCB pe aceeași foaie, vom economisi bani. Aceasta este o metoda buna de a realiza PCB-urile mai mari care nu pot fi imprimate cu ajutorul imprimantei laser. De obicei, imprimările de marimea A3 sunt disponibile cam la toate centrele iar cele mai mari la cateva centre specializate. Peliculele realizate în acest mod sunt destul de bune pentru producția PCB-urilor.

Expunerea

Placa sensibilă la lumină trebuie să fie expusă la lumina ultravioletă prin intermediul peliculei folosind o camera de expunere ultravioletă. Unitațile de expunere ultraviolete pot fi realizate usor, folosind becuri fluorescente sau neoane cu ultraviolete. Pentru PCB-urile mici, 2 sau 4 neoane de 8 watti sunt potrivite, pentru unităti mai mari(A3), 4 tuburi de 15 watti sunt ideale. Pentru a determina distanța dintre neon și sticlă, amplasați o foaie de hârtie de transfer pe suprafața de sticlă și ajustați distanța pentru a obține cel mai uniform nivel de lumină pe întreaga suprafață a hârtiei. Iluminarea uniformă este mai ușor de obținut la unitațile ce folosesc 4 neoane. Neoanele ultraviolete de care avem nevoie sunt acelea vândute ca piese de schimb pentru unități de expunere ultraviolete, aparate de neutralizat insecte sau neoane “cu lumina neagră” pentru discoteci. Acestea au un aspect alb sau ocazional negru/albastru atunci când sunt oprite și luminează cu o culoare purpurie care face hârtia fluorescentă să strălucească puternic. Nu se folosesc lămpi cu ultraviolete de unde scurte, cum ar fi tuburile de stergere EPROM care au sticla clară – acestea emit ultraviolete de unde scurte care pot afecta ochii și pielea. Un temporizator care oprește lămpile cu ultraviolete automat este esențial și ar trebui să permită expuneri de la 2 la 10 minute cu creșteri consecutive de 15-30 de secunde.

Este foarte util ca temporizatorul să aibă un indicator sonor pentru a semnaliza sfârșitul perioadei de expunere. Un temporizator de la un cuptor de microunde mai vechi ar fi ideal. Expunerea ochilor pe timp scurt la lumina ultravioletă nu este dăunatoare dar poate cauza disconfort mai ales pentru neoanele mari. Folosim un strat de sticlă decât unul de plastic pentru suprafața superioară a unității deoarece va flexa mai puțin și se zgârie mai greu. Dacă realizăm multe PCB-uri pe 2 părti, este de dorit să facem o unitate de expunere pentru ambele părti unde PCB-ul poate fi schimbat între cele 2 surse de lumină pentru a expune ambele părti simultan. Va trebui sa facem experimente pentru a găsi timpul de expunere necesar pentru o anumită unitate cu ultraviolete și cu un anumit tip de placă laminată, expunând o piesa de testare între 2 și 8 minute cu creșteri consecutive de 30 de secunde; notăm și folosim timpul care a dat cea mai bună imagine. În general, expunerea îndelungată este mai bună decât o expunere insuficientă. Pentru o PCB cu o singură parte, amplasăm pelicula cu desenul cu fața în sus pe sticla unității, îndepărtăm pelicula protectivă de pe placă și o plasăm cu partea sensibilă la lumină deasupra peliculei cu desen. Placa laminată trebuie să fie amplasată ferm pentru a asigura o suprafață de contact bună, acest lucru fiind realizat prin amplasarea de greutăți deasupra plăcii sau prin montarea unui capac căptușit cu spumă care poate fi folosit pentru a strânge placa PCB și pelicula. Pentru a expune un PCB cu două fețe, mai întâi imprimăm desenul principal după care imprimăm cel de-al doilea desen în “oglindă”. Aplasăm împreună cele două filme, cu partea imprimată în sus, și aliniați-le cu grijă, verificând toată suprafața folosindu-vă de găurile din placă. Un dispozitiv ce iluminează este foarte util în acest caz, dar alinierea se poate face și la lumina zilei, ținând cele două imagini pe suprafața unei ferestre. Dacă erorile de imprimare au cauzat o mică problemă, aliniați desenele astfel încât erorile să fie uniforme pe toată suprafața PCB-ului, pentru a evita distrugerea liniilor atunci când găurim. Când sunt corect aliniate, capsăm cele două desene la capete opuse, la 10mm de margine, formând o mânecă sau un plic. Spațiul dintre marginea foii și capse este foarte important pentru a impiedica distorsionarea marginii. Folosim cel mai mic capsator pe care îl găsim, astfel încât grosimea capsei să nu fie mai mare decât cea a PCB-ului. Dacă nu avem o unitate de expunere pe două părți, expunem fiecare parte, acoperind partea superioară cu o protecție rezistentă la lumină. După expunere putem vedea un model slab în stratul de suprafață.

Developarea

După expunere, trebuie să îndepărtăm pelicula sintetizată pentru a îndepărta surplusul de cupru. Acest proces este numit developare. Printre soluțiile posibile pentru developare se numară:

Hidroxid de sodium – este o alegere proastă, este o soluție foarte nepotrivită pentru developare. Este caustic, foarte sensibil la temperatură și concentrație, iar soluția preparată nu durează mult. Dacă este prea slabă, nu developează deloc, dacă este prea puternică îndepărtează tot stratul de cupru. Este aproape imposibil să obținem rezultate bune, consecvente, mai ales dacă developăm plăcile într-un mediu ce prezintă variații de temperatură.

Produse pe baza de silicat – acestea vin sub formă lichidă, și sunt concentrate. Această solutie are avantaje imense, pricipalul fiind că este foarte greu să se realizeze un proces de developare a întregului strat de cupru. Putem lăsa placa la developat de mai multe ori, fără a observa o degradare. Asta înseamnă că soluția nu este afectată de temperatură, și nu există riscul de exfoliere în cazul unei temperaturi mai ridicate. Soluția preparată are o durată de viață îndelungată, și rezistă până când este folosită, soluția concentrată rezistând cel puțin câțiva ani. Datorită faptului că nu exista pericolul îndepărtării și modelului de circuit imprimat pe placă, putem face soluția de o concentrare mai ridicată pentru a obține un timp de developare mai scurt. Amestecul recomandat este o parte soluție concentrat cu 9 părti apă, dar o putem face și mai puternică pentru o developare mai rapidă. Putem verifica, că soluția de developare este corespunzatoare, prin înmuierea plăcii în clorura ferică pentru o perioada foarte scurta de timp, cuprul ce este expus ar trebui să devină roz pal imediat. Dacă zone pe placă rămân strălucitoare, clătim și apoi înmuiem din nou în soluție pentru câteva momente. Dacă placa a fost expusă prea puțin, vom obține un strat subțire ce nu va fi îndepărtat de către substanța developantă. Putem îndepărta acest strat stergându-l cu un șervețel de hârtie, care este destul de abraziv pentru a îndepărta pelicula fără a afecta modelul. Putem folosi ori o tavă de developare sau un rezervor vertical; o tava ne permite să vedem mai ușor evoluția procesului. Nu avem nevoie de o tavă încălzită, decât în cazul în care soluția este cu adevărat rece (<15o).

Gravarea directă

Tonerul pulverizat de imprimanta laser are în compoziție o cantitate mare de plastic, care este rezistent la gravare. De când imprimantele laser au apărut, toată lumea a încercat să găsească o metodă de transfer a desenului de pe calculator direct pe placă. Mai întâi, imprimăm desenul pe o hârtie de transfer specială prin intermediul imprimantei laser. Punem apoi desenul, cu fața în jos peste o placă nouă după care dăm cu fierul de călcat peste ea pentru un minut sau două. Apoi, placa este introdusă într-o baie de apă ce dizolvă învelișul special permițând hârtiei să se depărteze lăsând tonerul pe placă. Suntem gata de gravare!

Putem încerca să folosim hârtie normală, dar rezultatele nu sunt aceleași. Această metodă este simplă și ieftină dar nu este recomandată pentru circuitele complexe.

Finisarea – Curățarea

Pentru a putea continua cu alte procese trebuie să curățăm placa. Mizeria va pune piedici în calea realizării operațiilor dorite, astfel este necesar să ne asigurăm că placa nu are urme de grăsime, oxidare sau alte probleme. Nu curățăm placa decât atunci când suntem gata să dăm găurile sau să facem alte operatii, deoarece stratul de la suprafață protejează împotriva oxidării.

Folosim acetone sau spirt pentru a îndepărta acest strat. Curățăm placa cu vată sau cu un burete moale. După aceea clătim placa cu apă și sapun. Avem grijă să îndepărtăm toate urmele de săpun. Uscăm bine folosind o cârpă ce nu lasă scame. Avem grijă să îndepărtăm toate așchiile de pe margine, ce ar putea apărea în urma procesului de tăiere sau decupare. De obicei plăcile au tendința de a se oxida dupa câteva luni, mai ales dacă s-au lăsat amprente pe ea, dar stratul de cupru poate fi curățat folosind un burete abraziv ce îi va reda strălucirea. Se mai poate folosi pentru curățare și o perie cu peri de fibră de sticlă, dar aceasta are tendința de a lăsa în urmă particule mici ce cauzează iritații. După curățare ștergem cu o cârpă înmuiată în solvent de curățare, ce va îndepărta toate urmele de grăsime.

După ce am pregătit suprafața evităm contactul cu aceasta pe cât posibil.

Cositorirea

Cositorirea unei suprafețe a plăcii face ca aplicarea componentelor să decurgă mult mai ușor. Singura soluție pentru realizarea acestei operații este metoda chimică, asta dacă nu avem la dispoziție echipament specializat. Din păcate, substanțele folosite pentru cositorire sunt destul de scumpe dar rezultatele merită efortul. Daca nu vom cositori suprafața plăcii, fie nu îndepărtăm stratul protector și pulverizăm placa cu o soluție ce este menită să împiedice oxidarea circuitelor. Vom folosi cristale de cositor, la temperatura camerei care dau un rezultat bun în câteva minute. Clătim și curățăm bine placa înainte de cositorire. În cazul în care soluția veche nu mai cositorește nu o adăugăm la soluția nouă, folosim doar soluția proaspăt preparată.

Pregatirea plăcii este o operație importantă pentru a obține un rezultat bun. Curățăm pelicula protectoare folosind spirt. Ținem placa, turnăm spirt și apoi o înclinăm pentru a permite soluției să curgă. Așteptăti 10 secunde după care putem șterge suprafața cu o cârpă îmbibată în spirt. Apoi ștergem suprafața cu vată minerală pentru a obține rezultatul dorit.

Cuprul ar trebui să capete o culoare argintie după 30 de secunde, și este indicat să lăsăm placa în soluție pentru 5 minute, agitând ocazional(dacă avem placa imprimată pe ambele părți, asigurându-ne că aceasta este într-un unghi înclinat pentru ca soluția să ajungă peste tot).

Clătim placa bine și ștergem cu un prosop de hârtie pentru a ne asigura că nu au rămas reziduri de cristale care pot strica finisajul.

Găurirea

Pentru a face o gaură în placa de circuite avem nevoie de o mașină de găurit, de un stand și de burghiu. Pentru a da găuri în plăci din fibră de sticlă trebuie să folosim burghie speciale cu cap de wolfram deoarece fibra de sticlă distruge repede burghiele obișnuite. Burghiele speciale sunt foarte scumpe iar cele subțiri au tendința de a se rupe ușor. Atunci când folosim aceste burghie este foarte important să ținem placa fixă deoarece acestea au tendița să ridice placa imediat cum gauresc întreaga secțiune, astfel ducând la ruperea burghiului.

De asemenea avem nevoie de o lumină bună, fiind indicat să ridicăm suprafața de lucru cu 15 cm pentru a avea o poziție mai bună. Aspiratorul de praf este un lucru bun, dar nu esențial. Mărimea tipică a unei găuri este de 0.8mm. Există și diode mai mari ce folosesc găuri de 1.0mm. Întotdeauna este bine să avem 2 burghie de rezervă.

Decuparea

Pentru a tăia placa trebuie să folosim mai multe dispozitive:

Fierăstraie obișnuite: trebuie să aibă dinții tratați pentru a evita îndoirea. Praful poate cauza iritarea pielii. Este, de asemenea, posibil să zgâriem în mod accidental de pelicula protectiva ducând astfel la distrugerea unor circute ce se află pe margine.

Ghilotina: este o metodă folositoare dar greu de utilizat pentru tăierea plăcilor din fibră de sticlă. Putem folosi și o ghilotină de tăiat metalul, dar condiția esențială este să avem un tăiș bine ascuțit.

Pentru a face decupaje, dăm mai multe găuri mici, îndepartati centrul si finisati conform marimii dorite.

Dupa realizarea tuturor operatiilor puteti aplica un strat protectiv. Procesul de aplicare este acelasi cu cel al imprimarii unui tricou si este destinat pentru a proteja placa de umezeală. De obicei stratul protectiv are culoarea verde, desi si alte culori sunt disponibile.

Lipirea Lipirea este procesul de prindere al componentelor de placa. Este folosit pentru a topi fludorul si a lipi componenta de stratul conductor de cupru.

4.2. Proiectarea schemei electrice

Pentru realizarea unui aparat electronic un pas foarte important îl deține proiectarea schemei electrice. Punctul de plecare în realizarea proiectării shemei electrice detaliate, este gruparea sau modularea fiecărei părți a întregului dispozitiv sub forma unui montaj general numit schema bloc. Fiecare bloc din schemă va purta numele celei mai importante componente și efectul care îl produce. Următorul pas consta în dezvoltarea fiecărui modul în parte și îmbinarea acestora astfel încât multitudinea de blocuri și schemele acestora sã devină una singură, numită schemă electrică generală. Pentru proiectarea ei se pot folosi interfețe software specializate ce dețin în structura lor de date, librării cu componente electronice sortate, denumirea lor și asignarea terminalelor. Astfel de interfețe software de proiectare a schemelor electrice, dar și a cablajelor sunt:

PCB layout, OrCAD, Eagle, Target3001, Proteus,  etc.

Diferența între interfețele software de proiectare o reprezintã gradul de complexitate. Interfața software de proiectare folositã de mine este Eagle v4.03.

Fig. 4.5. Schema electrica

Conform schemei electrice, transformatorul TR1 reduce tensiunea de 220Vac de la retea la o tensiune dubla de2x 12Vac. Tipul de conectare a înfașurării secundare este în punte cu punct median utilizat ca punct de masa, iar celelalte extreme sunt conectate împreuna prin puntea de diode shotky D5 pentru dublarea curentului de la 250mA la 500mA. Frecvența de lucru este de 50 Hz.

Condensatoarele C3, C4 si C5 sunt de tip ceramici nepolarizați si au rolul de eliminarea zgomotului din retea. Condensatoarele C6 si C7 sunt de tip polarizați si au rolul de filtrare. C1 si C2 sunt nepolarizați si sunt folosiți împreuna cu cristalul de quartz Q1 ca rezonator pentru tactarea microcontrolerului PIC18F4520 la 4 MHz.

Fig. 4.6 Forma de unda a rezonatorului de quartz 4Mhz

Rezistența R9 este folosita pentru limitarea curentului prin LED-ul 1. Buzerul SP1 este de tip activ și este folosit la avertizarea sonora.

Rezistențele R5, R6, R7, R8 sunt folosite pentru ținerea portului D in „1” logic, mai precis RD0, RD1, RD2, RD3, ca fiind inactive stările intrarilor si devenind active prin punerea lor la „0” logic prin butoanele S1, S2, S3, S5. S4 având rolul de reset al microcontrolerului.

Potențiometru liniar este folosit pentru ajustarea timer-ului. Semnalul analogic este citit de către microcontroler prin etajul ADC (Analog to Digital Converter) astfel incât, valoarea setată să fie timpul de plecare descrescător până la epuizarea acestuia și în același timp terminarea programului.

R1 si D1 sunt folosite pentru ținerea pinului MCLR al microcontrolerului in „1” logic tinându-l astfel activ. Resetarea acestuia se face prin punerea pinului MCLR la „0” logic.

Conectorul SV1 ICSP (Integrate Circuit Serial Programming) este folosit împreuna cu dioda D2 pentru programarea microcontrolerului. Dioda D2 este folosită pentru prevenirea inversării accidentală a tensiunii de programare.

R10, R11,R12, R13 si R2 sunt folosite pentru limitatea curenților prin interfața LCD-ului și a portului de ieșire RB. LCD-ul DIS1 este un display de tip alphanumeric de 2 linii si 16 coloane și este utilizat la afișarea comenzilor din meniu.

Rezistențele R3 si R4 sunt folosite pentru limitarea curenților electrici prin baza tranzistoarelor Q2 si Q3. Tranzistoarele Q2 si Q3 sunt tranzistoare de tip npn folosite în comutație acționând la rândul lor 2 relee de 12 VDC K1 respectiv K2 ce acționează un motor. Diodele D3 și D4, sunt folosite pentru protecția joncțiunilor a tranzistoarelor de vârfurile periculoase ce apar la decuplarea releelor din cauza inductiei electromagnetice generată de bobinele releelor astfel încat acele vârfuri periculoase sa se scurtcircuiteze prin diodele D3, respectiv D4.

4.3. Proiectarea cablajului (PCB)

Ca și proiectarea schemei electrice, proiectarea cablajelor este un alt pas foarte important pentru realizarea unui dispozitiv electronic. Pentru proiectarea cablajelor este nevoie de știut tipul capsulelor folosite și dimensiunea lor. Componentele trebuie amplasate cât mai bine strategic astfel încãt traseele să fie cât mai scurte și evitarea șerpuirii lor pentru a nu apărea fenomenul de bobină. Cablajele se pot proiecta și realiza în mai multe metode după complexitatea dispozitivelor și anume :

Pe un singur strat – ceea ce înseamnã cã traseele sunt doar pe o singură suprafață a plăcii ;

Pe două straturi – traseele apar pe ambele fețe ale plăcii,

Multistrat – prezența traseelor sunt atât pe cele douã suprafețe ale plăcii, cât și prin interiorul ei.

Fig. 4.7. Cablaj fata

Fig. 4.8. Cablaj spate

Fig. 4.9. Amplasare componente

Capitolul 5. Proiectarea interfață micropascal

5.1. Schemă logică

5.2. Cod sursă

program w_machine;

// LCD module connections

var LCD_RS : sbit at RB2_bit; //Setare variabile pentru portul LCD

var LCD_EN : sbit at RB3_bit;

var LCD_D4 : sbit at RB4_bit;

var LCD_D5 : sbit at RB5_bit;

var LCD_D6 : sbit at RB6_bit;

var LCD_D7 : sbit at RB7_bit;

var LCD_RS_Direction : sbit at TRISB2_bit;

var LCD_EN_Direction : sbit at TRISB3_bit;

var LCD_D4_Direction : sbit at TRISB4_bit;

var LCD_D5_Direction : sbit at TRISB5_bit;

var LCD_D6_Direction : sbit at TRISB6_bit;

var LCD_D7_Direction : sbit at TRISB7_bit;

// End LCD module connections

var text1,text2 : array[16] of char; //Variabile matrice de tip caracter

txt1,txt2 : array[3] of char;

var tmp,i,t : byte; //variabile de tip byte

label stby,main,menu,adc_error,set_error,p1,p2,p3,ct1_1,ct1_2,ct2_1,ct2_2,ct3_1,ct3_2,stop,beep; //etichete

begin

goto stop;

TRISB := 0; //Setarea portului ca fiind de iesire

TRISC := 0;

TRISD.2 := $01; //Setarea RD2 ca fiind de intrare

TRISD.3 := $01;

TRISD.4 := $01;

TRISD.5 := $01;

PORTB := 0; //Starea portului ca fiind inchis "0" logic

PORTC := 0;

PORTD.2 := $01; //Activarea RD2 ca fiind de intrare

PORTD.3 := $01;

PORTD.4 := $01;

PORTD.5 := $01;

//ANSEL := 0x04; // Configure AN2 pin as analog

//ANSELH := 0; // Configure other AN pins as digital I/O

//C1ON_bit := 0; // Disable comparators

//C2ON_bit := 0;

TRISA := 0xFF; // PORTA is input

Lcd_Init(); // Initialize LCD

Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display

Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); // Cursor off

text1 := 'Initializare CTR'; //Afisare text pe LCD linia 1

text2 := 'CPU: PIC18F4520 '; //Afisare text pe LCD linia 2

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

Delay_ms(3000);

PORTC := 16;

Delay_ms(100);

PORTC := 0;

text1 := ' Citire EEPROM ';

text2 := 'Memorie interna ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

tmp := EEPROM_Read(0); // Read data from address 0

t := EEPROM_Read(1); // Read data from address 1

Delay_ms(1000);

if tmp = 255 then tmp := 0; //conditie

if t = 255 then t := 0;

if t = 1 then goto p1;

if t = 2 then goto p2;

if t = 3 then goto p3;

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 0;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 0;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 0;

stby:

text1 := ' Stand by ';

text2 := ' ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

PORTC := 0;

Delay_ms(3000);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

if PORTD.5 = 1 then

begin

PORTC := 16;

Delay_ms(100);

PORTC := 0;

goto main;

end;

goto stby;

main:

text1 := 'Alege timp/prog ';

text2 := 'Apasa [SEL] ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

PORTC := 4;

tmp := 0;

t := 0;

if PORTD.3 = 1 then

begin

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

goto menu;

end;

goto main;

menu:

tmp := ADC_Read(2); // Get 10-bit results of AD conversion

if tmp >= 30 then

begin

tmp := 30;

end;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Program [ ] ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

ByteToStr(t, txt2); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

LCD_Out(2,12,txt2); // Write text in second row

PORTC := 4;

Delay_ms(300);

if PORTD.3 = 1 then

begin

t := t +1;

if t > 3 then t := 0;

PORTC := 20;

Delay_ms(300);

PORTC := 4;

end;

if PORTD.2 = 1 then

begin

text1 := 'Asteptati! ';

text2 := 'Salvare setari ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

EEPROM_Write(0,tmp); // Write some data at address 2

EEPROM_Write(1,t); // Write some data at address 0150

Delay_ms(1000);

PORTC := 20;

Delay_ms(300);

PORTC := 4;

Delay_ms(300);

PORTC := 20;

Delay_ms(300);

PORTC := 4;

end;

if PORTD.4 = 1 then

begin

if tmp = 0 then

begin

goto adc_error;

end;

if t = 0 then

begin

goto set_error;

end;

PORTC := 20;

Delay_ms(300);

PORTC := 4;

if t = 1 then goto p1;

if t = 2 then goto p2;

if t = 3 then goto p3;

end;

goto menu;

adc_error:

text1 := ' Nu ati setat ';

text2 := ' timpul! ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

goto menu;

set_error:

text1 := ' Nu ati setat ';

text2 := ' functia! ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

goto menu;

p1:

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Activare pompa ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

PORTC := 4;

Delay_ms(5000);

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Ext. detergent ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

Delay_ms(1000);

ct1_1:

i := i+1;

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Centrifuga >>> R';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

if tmp = 0 then goto stop;

PORTC := 5;

Delay_ms(1000);

if i < 5 then goto ct1_1;

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

if tmp = 0 then goto stop;

i := 0;

ct1_2:

i := i+1;

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Centrifuga <<< L';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

if tmp = 0 then goto stop;

PORTC := 6;

Delay_ms(1000);

if i < 5 then goto ct1_2;

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

if tmp = 0 then goto stop;

i := 0;

goto ct1_1;

p2:

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Activare pompa ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

PORTC := 4;

Delay_ms(5000);

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Ext. detergent ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

Delay_ms(1000);

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Temperatura 60*C';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

Delay_ms(5000);

ct2_1:

i := i+1;

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Centrifuga >>> R';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

if tmp = 0 then goto stop;

PORTC := 5;

Delay_ms(1000);

if i < 10 then goto ct2_1;

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

if tmp = 0 then goto stop;

i := 0;

ct2_2:

i := i+1;

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Centrifuga <<< L';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

if tmp = 0 then goto stop;

PORTC := 6;

Delay_ms(1000);

if i < 10 then goto ct2_2;

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

if tmp = 0 then goto stop;

i := 0;

goto ct2_1;

p3:

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Activare pompa ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

PORTC := 4;

Delay_ms(5000);

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Ext. detergent ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

Delay_ms(1000);

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Limpezire <<<>>>';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

Delay_ms(1000);

ct3_1:

i := i+1;

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Centrifuga >>> R';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

if tmp = 0 then goto stop;

PORTC := 5;

Delay_ms(1000);

if i < 10 then goto ct3_1;

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

if tmp = 0 then goto stop;

i := 0;

ct3_2:

i := i+1;

tmp := tmp-1;

text1 := 'Timp: [ ] ';

text2 := 'Centrifuga <<< L';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

ByteToStr(tmp, txt1); //

LCD_Out(1,12,txt1); // Write text in first row

if tmp = 0 then goto stop;

PORTC := 6;

Delay_ms(1000);

if i < 20 then goto ct3_2;

PORTC := 4;

Delay_ms(2000);

if tmp = 0 then goto stop;

i := 0;

goto ct3_1;

stop:

text1 := 'Program terminat';

text2 := ' EEPROM sters ';

LCD_Out(1,1,text1); // Write text in first row

LCD_Out(2,1,text2); // Write text in second row

EEPROM_Write(0,0); // Write some data at address 2

EEPROM_Write(1,0); // Write some data at address 0150

Delay_ms(1000);

beep:

i := i+1;

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(100);

PORTC := 20;

Delay_ms(100);

PORTC := 4;

Delay_ms(1000);

if i < 5 then goto beep;

if i >= 5 then goto stby;

end.

Capitolul 6. Rezultate și concluzii

În cadrul acestei lucrări realizată practic am reușit să-mi aprofundez cunostințele în electronica aplicată dobândite în anii de studiu. Tema aleasă este de actualitate și vine să imbunatățească tehnologia existentă in cadrul automatizărilor mașinilor de spălat facându-le capabile ca pe viitor acestea să interacționeze cu sistemele informaționale din zilele noastre (conectarea la internet). Montajul propus pentru realizarea unei mașini de spălat moderne are o electronică bazată pe microcontroler ca și element central capabil de funcții precum multiple programe de spălare predefinite și ajustabile după nevoia gospodinei, în funcție de timpul necesar executării programului și ora la care să execute programul dorit.

Microcontroler-ul studiat in această lucrare ne-a oferit posibilitatea de a creea un program care este capabil să monitorizeze derularea funcțiilor și reluarea acestora în cazul unei pene de curent cu ajutorul funcției implementate și anume memorarea. Prin această funcție, microcontroler-ul memorează toți parametrii astfel incât la o pană de curent sau oprirea neprevăzuta, toate funcțiile sunt incărcate din memoria EEPROM internă si reluarea activitații fară a fi nevoie de inițializarea acestora. Semnalele de avertizare sunt atât afișate pe LCD, pe LED dar și acustic printr-un buzer.

Dispozitivul creat este realizat în jurul unui microcontroler, acesta fiind parte decizionala si de executie a tuturor funcțiilor. Prin realizarea acestui montaj am inteles modul de interconectare a microcontrolerului cu diferite etaje de intrare si de iesire.

Datorită capacității de memorie de stocare mare a programului, lucru facilitat prin folosirea microcontrolerului din seria 18 a putut fi utilizat un cod sursă mărit. Programarea acestuia am realizat-o pe conectorul SV1 ICSP (Integrate Circuit Serial Programming) care mi-a permis încărcarea programului în memoria microcontrolerului cu ajutorul unei interfețe de tip USB-serial mikroProg.

Prin implementarea microcontroler-ului în montaj, s-a putut realiza afișarea programelor și alegerea funcțiilor pe un display alphanumeric de 2 linii si 16 coloane lucru ce nu ar fi posibil pe o mașina de spălat convențională.

Aplicatia este didactică, putând fi dezvoltată ulterior pentru simularea și altor tipuri de dispozitive asemănătoare cum ar fi: masină de spălat, masină de uscat rufe si chiar aparat de făcut pâine.

Ulterior se poate regla și turația motorului cu ajutorul unui circuit specializat comandat în frecvență de către microcontroler.

Bibliografie

[1] Dănilă Th., Reus N.,Boiciu N., „Dispozitive și circuite electronice”, Ed. Didactică și Pedagogică, Bucuresti, 1982

[2] H.N. Teodorescu – “Elemente de utilizare a Micro-controlerelor”, Partea I Procesarea datelor și aplicații cu Sisteme bazate pe micro-controlere, Tipografia Universității Tehnice „Gh. Asachi” Iași, 2005

[3] Microchip Technology Inc. Embedded Control Handbook, vol.1, april 1997, DS00092D

[4] S.D.Anghel – Bazele electronicii analogice și digitale

[5] Dispozitive Semiconductoare – Manual de utilizare. București: Editură technică

[6] E. Potolea. Calculul regimurilor de funcționare ale sistemelor electroenergetice. București: 6 Tehnică, 1977

[7] http://ro.wikipedia.org/wiki/LED -accesat la data de 20.05.2014 ora 21.33

[8] http://ro.wikipedia.org/wiki/LED – accesat la data de 02.06.2014 ora 15:30

[9] http://www.mikroe.com/ – accesat la data de 03.04.2014

[10] http://ro.farnell.com/– accesat la data de 23.03.2014.

Anexa 1

Lista componentelor:

[9],[10]

Anexa 2

Interfată program mikroPascal

Anexa 3

Interfată programator

Bibliografie

[1] Dănilă Th., Reus N.,Boiciu N., „Dispozitive și circuite electronice”, Ed. Didactică și Pedagogică, Bucuresti, 1982

[2] H.N. Teodorescu – “Elemente de utilizare a Micro-controlerelor”, Partea I Procesarea datelor și aplicații cu Sisteme bazate pe micro-controlere, Tipografia Universității Tehnice „Gh. Asachi” Iași, 2005

[3] Microchip Technology Inc. Embedded Control Handbook, vol.1, april 1997, DS00092D

[4] S.D.Anghel – Bazele electronicii analogice și digitale

[5] Dispozitive Semiconductoare – Manual de utilizare. București: Editură technică

[6] E. Potolea. Calculul regimurilor de funcționare ale sistemelor electroenergetice. București: 6 Tehnică, 1977

[7] http://ro.wikipedia.org/wiki/LED -accesat la data de 20.05.2014 ora 21.33

[8] http://ro.wikipedia.org/wiki/LED – accesat la data de 02.06.2014 ora 15:30

[9] http://www.mikroe.com/ – accesat la data de 03.04.2014

[10] http://ro.farnell.com/– accesat la data de 23.03.2014.

Anexa 1

Lista componentelor:

[9],[10]

Anexa 2

Interfată program mikroPascal

Anexa 3

Interfată programator