Sistem Automat Pentru Controlul Parametrilor Tehnici a Unui Sistem cu Panouri Solare Termice Utilizand Microcontrollerul

Sistem automat pentru controlul parametrilor tehnici a unui sistem cu panouri solare termice utilizand microcontrollerul

CUPRINS

Capitolul I

Introducere

Tematica generala si domeniile abordate

Economia de energie reprezinta la ora actuala o prioritate mondiala, prezervarea planetei si a resurselor ei devenind obiective principale internationale. Crizei energetice, ce deriva din epuizarea sau exploatarea din ce in ce mai grea a surselor de energie conventionale, se adauga schimbari climatice vizibile, cauzate de emisia in atmosfera a gazelor cu efect de sera. In acest context, in anul 1997 a fost negociat si incheiat protocolul de la Kyoto, care este in vigoare din anul 2005 si prin care tarile semnatare se obliga sa reduca emisiile poluante din atmosfera cu 5,3% in perioada 2008-2012 in raport cu cele din anul 1991. In noiembrie 2004, 126 de tari ratificasera deja acordul, inclusiv membrii Uniunii Europene, dintre care faceau parte Romania si Bulgaria.

Contextul energetic mondial, conduce catre o preocupare intensa in domeniul energiilor neconventionale. Dintre acestea, energia solara ocupa un loc foarte important.

Se poate mentiona faptul ca Terra nu primeste, la suprafata sa, decat o mica parte din radiatia emisa de Soare, dupa ce aceasta sufera fenomenele de transmisie, absorbtie si difuzie la nivelul atmosferei. In aceste conditii intensitatea ei scade cu 30% in cazul cerului senin si clar. Anual, pe continente se primesc in jur de 1,51 x 1018kWh, de 10 000 de ori mai mult decat consumul energetic mondial. Soarele devenind astfel una dintre cele mai importante surse neconventionale.

Energia solara poate fi captata si transformata atat in energie electrica prin utilizarea tehnologiilor fotovoltaice cat si in energie termica, prin utilizarea diferitelor tipuri de panouri solare termice. In acest context, domeniile pe care le-am abordat in acest studiu sunt producerea energiei electrice cu ajutorul panourilor solare si transferul termic ce are loc la nivelul acestora.

Potentialul de energie regenerabila in Romania

Fig. 1.2a Schema privind distributia geografica a

energiei regenerabile in Romania

Potentialul energetic al Romaniei, care rezulta din cantitatea de energie solara, este de aproximativ la 1000 kW/m²/an, distributia geografic a acestui potential este realizata pe 5 zone, din care zona zero cu potential de peste 1260 kW/m² si an, iar zona 4 cu potential sub 960 kW/m²/an.

Radiatia solara cu valori mai mari de 1200 kW/m², se inregistraza pe o suprafata mai mare de 50% din sprafata totala a tarii.
Utilizarea potentialului energetic solar se realizeza prin sisteme solare termice pentru caldura si apa calda menajera pentru locuintele individuale sau instalatii centralizate de mica anvergura. Pentru a putea fi utilizate cu eficienta ridicata, aceste sisteme trebuie sa functioneze in “regim hibrid” cu alte sisteme termice conventionale sau neconventionale.

De asemenea, potentialul energetic solar poate fi utilizat si la sisteme de conversie fotovoltaice, dedicate in principal pentru alimentarea cu energie electrica a unor consumatori izolati.
Potentialul exploatabil prin sisteme fotovoltaice la nivelul tarii noastre este apreciat la aproximativ 1200 GWh /an .

Figura 1.2b Harta privind potentialul exploatabil prin sisteme solare la nivelul tarii noastre

1.3 Abordare și rezultate

.

Lucrarea de fața, intitulata „Sistem automat pentru controlul parametrilor tehnici a unui sistem cu panouri solare termice utilizand microcontrollerul” pune accentul pe problemele privitoare la energia solara, microcontrollere, la senzori de tip Pt 1000 si NTC.

Prima parte a lucrarii descrie evoluția și

Capitolul II

Energia solara

2.1 Notiuni generale

Energia solara este elementul fara de care, viata asa cum o cunoastem astazi pe Terra nu ar fi existat. Soarele a fascinat omenirea inca de la inceputuri si multe culturi antice l-au venerat ca pe un zeu, lumina fiind asociata si astazi vietii iar intunericul simbolizind moartea. Toate procesele biologice incepind de la germinarea semintelor, cresterea plantelor, transformarea prin fotozinteza a compusilor chimici in substante organice, asimilarea vitaminelor de catre organismul uman nu se pot desfasura in absenta luminii solare. De asemenea, toate resurse regenerabile precum vintul, mareele, biomasa, gazele naturale, combustibilii fosili, etc nu ar exista in absenta energiei solare, fiind direct sau indirect legate de aceasta.

Pamantul primeste de la soare 175 petawatts, din care aproximativ 31% este reflectata inapoi in spatiu de straturile superioare ale atmosferei, iar restul este absorbit de nori, oceane si continente, ridicindu-le temperatura. Soarele mentine temperatura medie la suprafata pamintului la o valoare de aproximativ 14° C. Aerul cald transporta vaporii de apa in straturile superioare ale atmosferei si determina circulatia atmosferica (vinturi, cicloane, anti-cicloane, tornade, etc). Ca urmare a incalzirii si evaporarii apei sub actiunea soarelui se desfasoara si circulatia apei in natura. Pamantul absoarbe aproximativ 3850000 exajoules (EJ) din energie solara pe an, iar intr-o ora primeste de la soare mai multa energie decit consumul anual al intregii planete. Inca din cele mai stravechi timpuri oamenii au utilizat tehnologii primitive pentru captarea si stocarea energia solare pe care au utilizat-o in mod deosebit pentru incalzirea apei si a locuintelor. Ca urmare a progreselor tehnologice inregistrate in ultimul secol s-au pus la punct echipamente de conversie a energiei solare in energie electrica care functioneaza la randamente de pina la 25%. Pentru reducerea dependentei de combustibilii fosili, statele dezvoltate au incurajat investitiile in capacitati de producere a panourilor fotovoltaice precum si in dezvoltarea retelelor inteligente de distributie a energie electrice. Retele electrice moderne sunt astazi formate dintr-un numar extrem de mare de microcentrale fotoelectrice de capacitate mica si medie care complementeaza productia obtinuta in centralele clasice si in parcurile fotovoltaice si eoliene de capacitate mare.

Energia solara reprezinta energia radianta, produsa in Soare ca rezultat al reactiilor de fuziune nucleara, transmisa pe Terra, prin spatiu, in cuante de energie ( fotoni ), care interactioneaza cu atmosfera si suprafata Pamantului, deci, energia produsa direct prin transferul energiei luminoase radiata de Soare. Poate fi folosita pentru generarea energiei electrice sau incalzirea aerului din cladirile populate .

Energia solara este energia emisa de Soare, fiind o sursa de energie regenerabila. Instalatiile solare sund de doua tipuri: termice si fotovoltaice.

Energia solara poate fi folosita sa:

genereze electricitate cu ajutorul celulelor solare (fotovoltaice) ;

genereze electricitate prin centralele termice solare (heliocentrale) ;

incalzeasca cladirile, direct ;

incalzeasca cladiri, prin pompe de caldura ;

incalzeasca cladiri si sa produca apa calda de consum propriu prin panouri solare termice .

Cea mai mare parte din energia solara incalzeste pamantul, facand posibila existenta unor forme biologice aproape de suprafata si fotosinteza plantelor. Majoritatea organismelor, inclusiv cele umane, depind fie direct ( ierbivore ), fie indirect (carnivore) de energia solara. Combustibilii si unele materiale de constructie au aceeasi sursa. Energia solara influențeaza si presiunea atmosferica si determina aparitia vanturilor. De asemenea, circulatia apei pe pamant este influentata de energia solara.

In afara de aceste efecte "naturale", energia solara se utilizeaza din ce in ce mai mult din punct de vedere tehnic, mai ales in domeniul furnizarii energiei.

2.1.1 Avantajele energiei solare

este inepuizabila

are zero emisiuni, nu cauzeaza incalzirea globala

este din ce in ce mai accesibila economic, in masura in care cercetarile in domeniu o eficientizeaza

in unele tari este posibil sa vinzi energia produsa si neutilizata gestionarului retelei electrice, evitand astfel risipa surplusului

2.2 Particularitati ale energiei solare

2.2.1. Consideratii privind radiatia solara

Soarele reprezinta sursa de energie a Pamantului, contribuind la mentinerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape buna, intalnita in spatiul interplanetar si este singura sursa de energie capabila sa intretina viata pe Terra.

Soarele reprezinta o sursa inepuizabila de energie, estimandu-se o durata a existentei radiatiei solare de aproximativ 4-5 miliarde de ani.

Pentru studiul radiatiei solare, este important sa fie definite cateva marimi importante .

Constanta solara reprezinta fluxul de energie termica unitara primita de la Soare, masurata in straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe directia razelor solare .

Valoarea general acceptata pentru constanta solara este de aproximativ 1350 W/m2, reprezentand o valoare medie anuala, masurata cu ajutorul satelitilor de cercetare stiintifica.

Atmosfera terestra si suprafata Pamantului interactioneaza cu radiatia solara, producand o serie de transformari ale acesteia, asa cum se observa in figura 2.2.1a.

Fig. 2.2.1a Schema interactiunilor dintre energia solara si atmosfera, respectiv suprafata terestra

Fluxul de energie radianta solara, care ajunge la suprafata Pamantului este mai mic decat constanta solara, deoarece in timp ce traverseaza atmosfera terestra, cu o grosime de peste 52 km, intensitatea radiatiei solare este redusa treptat.

Mecanismele prin care se modifica intensitatea radiatiei solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbtia si difuzia.

In atmosfera este absorbita ( retinuta ) aproape total radiatia X si o parte din radiatia ultravioleta . Vaporii de apa, dioxidul de carbon si alte gaze existente in atmosfera, contribuie la absorbtia radiatiei solare de catre atmosfera.

Radiatia absorbita este in general transformata in caldura, iar radiatia difuza astfel obtinuta este retrimisa in toate directiile in atmosfera.

Prin aceste procese, atmosfera se incalzeste si produce o radiatie cu lungime de unda mare, denumita radiatie atmosferica.

In plus, fata de cele doua mecanisme de modificare a intensitatii radiatiei solare, o parte din radiatia solara este reflectata ( respinsa ) de atmosfera terestra, sau de unele componente ale sale ( moleculele de aer si anumite categorii de nori ). Prin reflectare, o parte din radiatia solara este disipata ( raspandita ), mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezinta radiatia boltii ceresti.

Radiatia globala de la Soare, pe o suprafata orizontala la nivelul solului intr-o zi senina, reprezinta suma dintre radiatia directa si radiatia difuza .

Radiatia solara directa depinde direct de orientarea suprafetei receptoare.

Radiatia solara difuza poate fi considerata aceeasi, indiferent de orientarea suprafetei receptoare, chiar in realitate exista mici diferente.

Figura 2.2.1b prezinta proportia dintre radiatia difuza si radiatia directa, in radiatia globala.

Este interesant de remarcat ca radiatia difuza reprezinta o pondere mai mare decat radiatia directa.

Fig. 2.2.1b Raportul dintre radiatia difuza si radiatia directa

Energia termica primita de la Soare, masurata la nivelul suprafetei terestre, perpendicular pe directia razelor solare, pentru conditiile in care cerul este perfect senin si lipsit de poluare, in zonele Europei de Vest, Europei Centrale și Europei de Est, in jurul pranzului, poate asigura maxim 1100 W/m². Aceasta valoare reprezinta suma dintre radiatia directa si difuza.

Radiatia solara este influentata de modificarea permanenta a catorva parametrii importanti, cum sunt:

Inaltimea soarelui de pe cer ( unghiul format de directia razelor soarelui cu planul orizontal );

Unghiul de inclinare a axei Terrei ;

Modificarea distantei Terra – Soare ( aproximativ 149 milioane km pe o traiectorie eliptica, usor excentrica );

Latitudinea geografica a Pamantului .

In figura 2.2.1c este reprezentata variatia densitatii radiatiei solare in functie de inaltimea Soarelui, adica unghiul format de directia razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situatii atmosferice.

Fig. 2.2.1c Variatia radiatiei solare in functie de directia razelor

solare pentru diferite situatii atmosferice

Potentialul de utilizare a energiei solare in tara noastra, este relativ important, asa cum se observa in figurile 2.2.1d și 2.2.1e, care reprezinta harti ale radiatiei solare globale.

Exista zone in care fluxul energetic solar anual, ajunge pana la 1460…1610kWh/m2/an, in zona Litoralului Marii Negre si Dobrogea ca si in majoritatea zonelor sudice. In majoritatea regiunilor tarii, fluxul energetic solar anual, depaseste 1270…1370kWh/mp/an.

Fig. 2.2.1d Harta intesitatii radiatiei solare in Europa si Romania

Fig. 2.2.1e Harta schematica a radiatiei solare in Romania

Gradul mediu de insorire, difera de la o luna la alta si chiar de la o zi la alta, in aceeasi localitate si cu atat mai mult de la o localitate la alta. In figura 2.2.1f, este prezentat nivelul mediu al insolatiei, reprezentând cantitatea de energie solara care patrunde in atmosfera si cade pe suprafata pamantului, in Bucuresti.

Fig. 2.2.1f Nivelul mediu al insolatiei in Bucuresti

2.2.2 Radiatia solara

Energia solara primita anual pe Terra insumeaza 1,5 x 1018kWh, aproape de 10 000 de ori mai mult decat consumul anual de energie in lume. Soarele T 6000 K care interactioneaza cu Terra si cu atmosfera sa. Intensitatea maxima a radiatiei solare la intrarea in atmosfera este de 1354 W/m2 si se numeste constanta solara. Mici variatii in jurul acestei valori se datoreaza variatiei distantei dintre Terra si Soare, aproximativ ±1,7%, iregularitatilor suprafetei solare si rotatiei acestuia.

Soarele emite o radiatie electromagnetica cu o putere de aproximativ 3.88 × 1026 J/s, intr-o gama variata de lungimi de unda, de la raze X la unde radio. Cea mai mare parte din aceasta energie este emisa intre 0,21 si 8 m, repartizata in urmatoarea maniera: 10% ultraviolet, 39% spectru vizibil și 51% infrarosu. Spectrul solar este reprezentat in figura 2.2.2a.

Figura 2.2.2a – Spectrul radiatiei solare

Datorita trecerii sale prin atmosfera, radiatia solara este supusa fenomenelor de absorbtie, difuziune si transmisie, fiind redusa cu aproximativ 31%. La nivelul Terrei, radiatia solara se poate clasifica in:

radiatia directa – componenta paralela, provenita de la discul solar si masurata dupa directia normalei la suprafata.

radiatia difuza – radiatia primita de o suprafata plana provenita din toata emisfera vazuta de pe acea suprafata, cu exceptia discului solar.

radiatie reflectata – este rezultatul reflexiei razelor de catre suprafete reflectante; aceasta componenta depinde de albedoul suprafetei respective;

radiatia globala – radiatie directa si radiatie difuza.

Pentru functionarea panourilor PV, radiatia directa este cea mai importanta. In cazul unui cer senin, aceasta are cea mai mare intensitate atunci cand soarele se gaseste la punctul sau de maxim spre Sud in emisfera nordica si spre Nord in emisfera sudica.

Acest lucru se datoreaza celei mai scurte distanta pe care undele electromagnetice trebuie sa le parcurga de-a lungul atmosferei terestre. Inclinarea unei suprafete, orientata spre sud ca in figura 2.2.2b si pozitia ei fata de soare este descrisa de unghiul h (inaltimea la care se gaseste soarele la ora respectiva) si unghiul azimutal . Datorita miscarii de revolutie a Pamantului, pozitia soarelui este diferita fata de suprafata din figura 2.2.2b si in functie de sezon.

Figura 2.2.2b – Unghiuri solare

Intensitatea radiatiei solare este o functie de unghiul zenital si starea atmosferei, incluzand continutul de ozon, de vapori de apa, de aerosoli, de praf si de nori.

In figura 2.2.2c este prezentata variatia intensitatii radiatiei solare in functie de

unghiul zenital si coeficientul AM pentru presiunea aerului la nivelul marii 105N/m2, un continut de apa de-a lungul unei coloane vertical de 0,021m3/m2, continut de ozon 0,0035m3/m2, ambele masurate in conditii standard de temperatura si distanta medie Pamant-Soare.

Figura 2.2.2c – Intensitatea radiatiei solare normale la suprafata a) atmosfera ipotetica – turbiditate zero, b) atmosfera clara – turbiditate 0,011, c) atmosfera poluata – turbiditate 0,41

2.3 Panoul solar

Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are temperatura crescuta datorita transferului de caldura. Energia transferata fluidului purtator este numita eficienta colectoare instantanee. Panourile solare au in general una sau mai multe straturi transparente pentru a minimaliza pierderile de caldura si pentru a putea obtine o eficienta cat mai mare. In general, sunt capabile sa incalzeasca lichidul colector pana la 83C cu un randament cuprins intre 50 și 75%.

Aceste panouri solare au fost folosite eficient pentru incalzirea apei si a locuintelor. Acestea inlocuiesc acoperisurile locuintelor. In emisfera nordica, ele sunt orientate spre sud, in timp ce in emisfera sudica sunt orientate spre nord. Unghiul optim la care sunt montate panourile depinde de latitudinea la care se gaseste instalatia respectiva. De obicei, pentru dispozitivele folosite tot anul, panourile sunt inclinate la un unghi egal cu latitudinea la care se aduna sau se scad 15 si sunt orientate spre sud sau nord.

In plus, panourile solare folosite la incalzirea apei sau a locuintelor prezinta pompe de circulare a fluidului, senzori de temperatura, controllere automate care activeaza pompele si dispozitivul de stocare a energiei. Aerul sau chiar un lichid pot fi utilizate ca fluide in sistemul de incalzire solara si un acumulator sau un rezervor cu apa, bine izolate, sunt folosite de obicei ca medii de stocare a caldurii.

Un panou solar fotovoltaic, spre deosebire de un panou solar termic, transforma energia luminoasa din razele solare direct in energie electrica. Componentele principale ale panoului solar reprezinta celulele solare.

Panourile solare se utilizeaza separat sau legate in baterii pentru alimentarea consumatorilor independenti sau pentru generarea de curent electric ce se livreaza in reteaua electrica publica.

Un panou solar este caracterizat prin parametrii electrici, cum ar fi tensiunea de mers in gol sau curentul de scurtcircuit.

Pentru a indeplini conditiile impuse de producerea de energie electrica, celulele solare se vor asambla in panouri termice solare utilizand diverse materiale, ceea ce va asigura:

protectie transparenta impotriva radiatiilor si intemperiilor din exterior ;

legaturi electrice robuste ;

protectia celulelor solare rigide de actiuni mecanice ;

protectia celulelor solare si a legaturilor electrice de umiditatea exterioara;

asigurare unei raciri corespunzatoare a celulelor solare ;

protectia impotriva atingerii a elementelor componente conducatoare de electricitate ;

posibilitatea manipularii si montarii usoare .

Se cunosc diferite variante de constructie a modelelor existente de panouri solare. In imaginile de mai jos este descrisa constructia modelului cel mai raspandit in momentul de fata .

Figura 2.3a. Panou solar fotovoltaic Figura 2.3b Panou solar termic

2.3.1 Constructia unui panou solar obisnuit

Un geam ( de cele mai multe ori geam securizat monostrat) de protectie pe fata expusa la soare ;

Un strat transparent din material plastic ( etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc siliconic ) in care se fixeaza celulele solare ;

Celule solare monocristaline sau policristaline conectate intre ele prin benzi de cositor,

Caserarea fetei posterioare a panoului cu o folie stratificata din material plastic rezistent la intemperii fluorura de poliviniliden (Tedlar) si Polyester,

Priza de conectare prevazuta cu dioda de protectie respectiv dioda de scurtcircuitare si racord,

O rama din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare si montare, pentru fixare si rigidizarea legaturii .

2.3.1 Panoul solar termic

Energia solara poate fi utilizata pentru a genera energia electrica sau electricitatea ( fotovoltaica ) ori pentru a genera energia termica sau caldura ( solar termic ).

Panoul solar termic ( colectorul solar ) exploateaza razele solare in scopul incalzirii unui lichid ( termo-vector ) pe care il contine in interior, si care, la randul sau, prin intermediul unui schimbator de caldura, incalzeste apa continuta intr-un rezervor care functioneaza ca si acumulator : energia termica se inmagazineaza in rezervor pentru a fi utilizata chiar si atunci cand expunerea la soare e limitata sau inexistenta ( de exemplu in timpul noptii ).
Permite obtinerea apei calde in principal pentru utilizarea casnica, pentru incalzirea apei sau a ambientului.
Colectorii solari sunt legati intre ei in serie si in paralel, astfel incat sa reuseasca sa produca o cantitate suficienta de apa calda cu o temperatura cuprinsa intre 55°C si 165 °C. Un metru patrat de panou poate incalzii la temperatura de 45/65°C pana la 310 l/zi in functie de conditiile climatice.
Exista tipuri variate de panouri solare, cel mai simplu fiind cel constituit dintr-o simpla tabla de cupru parcursa in interior de o serpentine metalica.

Exista doua tipuri de implanturi solare termice :

cu circulatie naturala: in acest caz, lichidul este chiar apa care se incalzeste in urma convectiei urca intr-un rezervor (boiler), care trebuie sa fie mai inalt decat panoul ( si in afara edificului ), din care vine distribuita in scopul utilizarii casnice ; circuitul este deschis, astfel ca apa consumata este inlocuita de o alta cantitate de apa. Acest implant este valoros prin simplitatea sa, dar este caracterizat de o dispersie termica elevata.

cu circulatie fortata: un circuit compus din panou, o serpentine metelica postata in interiorul rezervorului si tuburile de racord. O pompa permite cedarea caldurii racoltate din lichid, similar lichidului utilizat pentru radiatoarele de la automobile, pe serpentina plasata in interiorul rezervorului. Circuitul este mult mai complex, insa are o eficienta termica mult mai ridicata considerand faptul ca rezervorul se afla in interior si astfel este mai putin supus la scaderile de temperatura din timpul noptii sau datorate conditiilor climatice.

Figura 2.3.1a Panouri solare – schema sistem incalzire panouri solare

Capitolul III

Microcontroller

3.1 Notiuni introductive

3.1.1 Ce este de fapt un microcontroller !?

La modul general un controller ("controller" – un termen de origine anglo-saxona, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structura electronica destinata controlului (destul de evident!) unui proces sau, mai general, unei interactiuni caracteristice cu mediul exterior, fara sa fie necesara interventia operatorului uman.

Primele controlere au fost realizate in tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete si/sau componente electromecanice (de exemplu relee).

Cele care fac apel la tehnica numerica moderna au fost realizate initial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI ) si a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "straluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe masura si, nu de putine ori, o fiabilitate care lasa de dorit.

Aparitia si utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistenta a costurilor, dimensiunilor, consumului si o imbunatatire a fiabilitatii. Exista si la ora actuala o serie de astfel de controlere de calitate, realizate in jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.O definitie, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea ca un microcontroller este un microcircuit care incorporeaza o unitate centrala (CPU) si o memorie impreuna cu resurse care-i permit interactiunea cu mediul exterior.

3.1.2 Utilizarea microcontrollerelor

Toate aplicatiile in care se utilizeaza microcontrollere fac parte din categoria asa ziselor sisteme incapsulate-integrate (“embedded systems”), la care existenta unui sistem de calcul incorporat este (aproape) transparenta pentru utilizator.

Printre multele domenii unde utilizarea lor este practic un standard industrial se pot

mentiona: in industria de automobile (controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoza, sisteme de alarma, etc.), in asa zisa electronica de consum (sisteme audio,

televizoare, camere video si videocasetofoane, telefonie mobila, GPS-uri, jocuri electronice etc.), in aparatura electrocasnica (masini de spalat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), in controlul mediului si climatizare (sere, locuinte, hale industriale), in industria aerospatiala, in mijloacele moderne de masurare – instrumentatie (aparate de masura, senzori si traductoare inteligente), la realizarea de periferice pentru calculatoare, in medicina.

Ca un exemplu din industria de automobile (automotive industry), unde numai la nivelul anului 1999, un BMW seria 7 utiliza 65 de microcontrollere, iar un Mercedes din clasa S utiliza 63 de microcontrollere. Practic, desi am prezentat ca exemple concrete numai sisteme robotice si mecatronice, este foarte greu de gasit un domeniu de aplicatii in care sa nu se utilizeze microcontrollerele.

3.1.3 Arhitectura Microcontrollerului

Inainte de a trece la analiza arhitecturii Microcontrollerului vom da cateva definitii:

Microprocesor – un circuit care poate indeplini oricare functie in dependenta de programul care il are spre executie.

Program – un set de instructiuni care se executa una dupa alta.

Instructiune – o actiune pe care o poate executa nucleul Microcontrollerului.

Nucleu – Partea principala a Microcontrollerului care executa instructiunile din program.

Microcontroller – minicalculator care cuprinde in sine un nucleu de microprocesor, memorie de program si module periferice. In general MCU preia informatia de la interfetele de intrare, o prelucreaza  si aplica rezultatul catre interfata de iesire.

Figura 3.1.3 – Arhitectura Microcontrollerului

3.1.4 Arhitectura nucleului Microcontrollerului

Microcontrollerul seriei AVR are o arhitetura RISC pe 8 biti construit dupa principiul arhitecturii HAWARD. O asemenea arhitectura permite ca majoritatea instructiunilor sa se execute intr-un singur tact al semnalului de ceas. Deci, la o frecventa a semnalului de ceas de 1 MHz, acesta poate executa pana la 1 000 000 operatii pe secunda – 1MIPS/MHz.

    Schematic arhitectura AVR poate fi reprezentata prin figura de mai jos.

Figura 3.1.4 Arhitectura nucleului Microcontrollerului

PM – Memoria de programe. Aici sunt stocate instructiunile ce urmeaza a fi executate de catre MCU.

PC – Contorul de program, bazat pe un registru numarator, destinat selectiei instructiunilor din memoria de programe. In mod normal PC-ul se auto modifica prin incrementare asigurand executia consecutiva a instructiunilor din PM. Totodata acestuia i se poate incarca o valoare din CDC, ce va realiza salturile  pentru instructiunile de salt conditionat si neconditionat.

CDC – decodificatorul de comenzi. CDC configureaza nucleul pentru executia instructiunii selectate luand in consideratie valorile flagurilor din registrul de stare SREG.

ALU – Unitatea aritmetico logica- executa instructiunile aritmetice si logice. Datele catre ALU sunt aprovizionate din registrii de uz general, fiecare operand fiind selectat de catre CDC conform instructiunii curente, la fel ca si stocarea datelor.

GPR – registrii de uz general, registrii de lucru a MCU. Prelucrarea datelor pentru arhitectura AVR este restrictionata la utilizarea a cel putin unui registru de uz general, adica orice instructiune de transfer sau prelucrarea datelor are loc cu participarea unui registru de uz general.

RAM – memoria cu acces aleator, memoria pentru lucru cu date de dimensiuni mari.

SREG – Registru de stare a MCU. Oricare operatie de prelucrare a datelor, implicand prelucrarea lor de catre ALU, raporteaza catre registrul SREG cu modificarea flagurilor acestuia, prezentand date suplimentare despre rezultatul operatiei. Este plasat in spatiul de adrese al registrilor periferici. Continutul acestui registru este accesibil cat pentru scriere atat si pentru citire.

C – Bit de transport. Se va seta in 1 in cazul cand reprezentarea rezultatului va iesi din limita de 8 biți.

Z – Zero. Se va seta in 1 in cazul in care rezultatul va fi egal cu zero.

N – Negativ. Se va seta in 1 in cazul in care bitul 7 al rezultatului este 1.

V – Transport in operatiile cu semn.

S – Semn. Se va seta in 1 daca rezultatul va fi mai mic ca 0.

H – Transport la jumatate. Se va seta in 1 daca va avea loc trasport la bitul 4 (la mijlocul rezultatului).

T – Bit temporar. Serveste pentru stocrea informatiei de un bit a unui registru de uz general, poate fi scris/citit cu BST/BLD

I – Bitul de permisiune a intreruperilor, in cazul in care acest bit este setat in 0 intreruperile sunt interzise, 1 – permise. se reseteaza/seteaza cu comenzile CLI/SEI sau cand se cheama automat subrutina de prelucrare a intreruperii/ se returneaza din intrerupere cu RETI.

I/O Reg – registri de acces la modulele periferice cum ar fi GPIO, Ext INT, TIMER, etc.

3.1.5 Schema generala a unui microcontroller

Vom defini un microcontroller pornind de la o reprezentare simplificata a sa in interactiune cu mediul:

Figura 3.1.5a Schema simplificata a unui microcontroller

Ca intrari se folosesc de regul semnale provenind de la comutatoarele inividuale sau de la traductoare (de temperatura, de presiune, foto, traductoare specializate). Intrarile pot fi digitale sau analogice. Intrarile digitale vehiculeaza semnale discrete, informatia “citita” fiind informatia ce se esantioneaza la momentul citirii liniei repective. Intrarile analogice vehiculeaza informatii exprimabile prin functii continue de timp. “Citirea” acestora de catre microcontroller presupune prezenta unor circute capabile sa prelucreze aceste informatii, fie comparatoare analogice, fie convetor analog-numerice, ale caror iesiri sunt citite de catre MC.

Iesirile sunt fie analogice, caz in care reprezinta e fapt iesiri ale convertoarelor numeric-analogice, fie sunt digitale, caz in care informatia este in general memorata pe acestea pana la o noua scriere operata de catre UC la un port al MC. Iesirile pot comanda dispozitive de afisare, relee, motoare, difuzoare, etc.

O structura mai detaliata, care include blocurile principale este reprezentata in figura3.1.5b.

Figura 3.1.5b Schema blog a unui microcontroller

Privind evolutia istorica a operatiei de comanda a unui proces, putem contura imaginea unei MC. Un controller este un sistem folosit pentru a comanda si a prelua stari de la un proces sau un aspect a mediului inconjurator. La inceput un controller era un echipament de mari dimensiuni. Dupa aparitia microprocesoarelor, dimensiunile controllerelor s-au redus.

Procesul de miniaturizare a continuat, toate componentele necesare unui controller au fost

integrate pe acelasi chip. S-a nascut astfel calculatorul pe un singur chip sau microcontrollerul. Un microcontroller este un circuit realizat pe un singur chip care contine tipic:

Unitatea centrala CPU;

Geneatorul de tact (la care trebuie adaugat din exterior un crystal de cuart sau in aplicatii mai putin pretentioase, un cicuit RC);

Memoria RAM;

Memoria ROM/ PROM/ EPROM/ EEPROM;

Dispozitive I/O seriale si paralele;

Controller de intreruperi, controller DMA, numaratoare/temporizatoare(timers), convertoare A/D și D/A, etc;

Periferice.

Capitolul IV

Senzori

4.1 Consideratii generale

4.1.1 Ce este senzorul?

Dicionarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvantul "senzor". Acesta a aparut odata cu dezvoltarea microelectronicii, impreuna cu alte notiuni de mare impact, cum ar fi cele de „microprocesor”, „microcontroller”, „transputer”, „actuator” etc., adaugand o notiune noua unei terminologii tehnice avand o anumita redundanta. Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt incadrate in categoria de traductor. Un traductor este un dispozitiv care converteste efecte fizice in semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de masurat sau calculatoare. In unele domenii, in special in sfera dispozitivelor electro-optice, se utilizeaza termenul de detector (detector in infrarosu, fotodetector etc.). Traductoarele introduse intr-un fluid sunt denumite, uneori, probe. O categorie larga o constituie sistemele terminate in "-metru": de exemplu, "accelerometru" pentru masurarea acceleratiei, "tahometru" pentru masurarea vitezei unghiulare.

Trebuie spus ca nu exista o definitie unitara si necontestata a „senzorului”, motiv care lasa mult spatiu pentru interpretari, ambiguitati si confuzii. Multi autori prefera sa foloseasca sintagma „senzori si traductoare”, in cadrul careia, fie pun pe picior de egalitate senzorul si traductorul, utilizand, alternativ sau preferential, unul dintre termeni, fie considera ca unul reprezinta o categorie ierarhica superioara, incluzandu-l pe celalalt.

De multe ori se mai utilizeaza si notiunea de „captor”, care amplifica semnele de intrebare, intrucat in limba franceza, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care in aceasta carte au fost numite „senzor”.

Senzorul este un dispozitiv tehnic care reactioneaza calitativ sau cantitativ prin proprii marimi masurabile, la anumite proprietati fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca parte componenta a unui aparat sau sistem tehnic detector poate masura/inregistra de exemplu presiunea, umiditatea, campul magnetic, acceleratia, forta, intensitatea sonora, radiatii. Vine din latina: sensus=simt.

Senzorul este un dispozitiv care masoara o cantitate fizica (masa, presiune, temperatura, umiditate, etc) si o transforma intr-un semnal care poate fi citit de catre un observator printr-un instrument sau poate fi prelucrat.

Exista mai multe clasificari, una dintre ele se refera la senzori de tip:

1. Activ: consumator de energie, de exemplu radar (masurarea distantelor prin emitere de radiatii electromagnetice)

2. Pasiv: de exemplu fotorezistenta cu care se poate masura intensitatea luminii incidente.

In automatizare, informatia calitativa/cantitativa masurabila livrata de senzori, dupa o eventuala amplificare si prelucrare serveste la controlul si reglarea sistemelor tehnice automate.

Se evidentiaza cel putin trei proprietati ale unui senzor care il diferentiaza de traductor:

Un senzor realizeaza masurarea intr-o maniera similara organelor de simt umane.

Senzorii sunt de dimensiuni reduse, ceea ce conduce la determinari „punctuale”, facand posibila extinderea catre o arie de masurare sau o matrice de senzori.

Senzorii permit determinarea unei harti a unei scene investigate prin metode sau mijloace debaleiere.

Definitie:

Senzorii reprezinta un ansamblu de dispozitive sensibile de dimensiuni reduse care permit determinarea unui camp de valori pentru o marime investigata intr-o maniera similara perceptiei umane.

Senzorii incearca sa imite comportamentul uman (anumite componente umane – ochiul, nasul, urechea), dar nu principiile de functionare ale organelor de simt umane, inca insuficient cunoscute.

Tipuri de senzori:

Senzori vizuali: folositi la camerele de luat vederi, roboti, oriunde se investigheaza o scena;

Senzori tactili: in aplicatii de piele artificiala;

Senzori olfactivi si gustativi: in industria alimentara (unde se investigheaza calitatea produselor), in industria petroliera, in industria miniera (la sistemele de siguranta/ avertizare);

Senzori auditivi: in industria multimedia, la sistemele de recunoastere vocala;

Senzori de temperatura;

Sa consideram un sistem robot care face parte integranta a unui proces. Componentele sistemuluisunt:

Traductoare de deplasare liniara (dus-intors) pentru bratul robot intins;

Traductoare de pozitie unghiulara pentru rotirea corpului;

Senzori pentru vedere artificiala – pentru recunoasterea pieselor, de exemplu;

Senzori de forta;

Traductoare si senzori de proximitate – pentru detectarea obstacolelor.

Deoarece atat senzorii cat si traductoarele realizeaza aceste operatii de masurare de mai multe ori, cele doua notiuni se mai si confunda.

Calitatea unei automatizari este puternic influentata de calitatea masursrii parametrilor de proces care intra in componenta instalatiei automatizate, deci de senzorii si traductoarele utilizate, pretul unor asemenea componente influentand serios pretul instalatiei.

Evolutia tehnologica din ultimul timp a condus la aparitia unui senzor mult evoluat – smart sensor / smart transducer. Este vorba despre o unitate functionala care asigura masurarea unuia sau mai multor parametri de proces cu o configuratie interna organizata in jurul unei unitati procesoaredetip microprocesor, microcontroller sau microcalculator.

4.1.2 Importanța tehnologiei sensorilor

Creșterea deosebita a automatizarii sistemelor de producție necesita folosirea unor compo- nente care sa fie capabile sa primeasca și sa transmita informații referitoare la procesul de producție. Sensorii indelpinesc aceste funcții și importanța lor a crescut in ultimii ani in procesul de masurare și de control al proceselor tehnologice.sensorul furnizeaza informațiile unui controler sub forma unor variabile d eproces. Prin variabile de proces se ințeleg marimi fizice care caracterizeaza procesul tehnologic respectiv:temperatura, presiune, forța, lungime, unghi de rotație, nivel, debit, etc.

Exista sensori pentru majoritatea marimilor fizice care reacționeaza la una din aceste marimi și transmit semnale relevante.

4.1.3 Caracteristicile sensorilor

Un sensor este un convertor care transforma o marime fizica ( de exemplu temperatu- ra, distanța, presiune) intr-o alta marime mai ușor de evaluat – in mod uzual, o marime electrica.

Un sensor nu trebuie sa genereze intotdeauna un semnal electric. De exemplu o valva pneumatica genereaza un semnal pneumatic la ieșir sub forma unei schimbari de presi- une.

Sensorii sunt dispozitive care pot sa opereze atât cu ajutorul unui contact, de exemplu un comutator, un sensor de forța, sau, fara contact, de exemplu bariera de lumina, bari- era de aer, sensor magnetic.

Un simplu comutator poate fi un sensor.

Sensorul este un dispozitiv care poate monitoriza un proces prin semnalizarea erorilor analizarea acestora și transmiterea informațiilor catre alte componente.

Alți termeni utilizați pentru sensori: convertor – converter

codificator – encoders

detector – detector

traductor – transducer

4.2 Senzori de temperature

4.2.1 Senzor PT1000

Senzor de temperatura PT1000 pentru automatizari solare (grupuri de pompare , controllere solare , etc) . Dotate cu fir siliconic , rezista la temperaturi de peste 100grC . Se folosesc in special la colectoare solare . Se foloseste la diferite automatizari. Senzorul propriu-zis este introdus intr-o teaca din otel inoxidabil cu diametru exterior de Ø 5,8 mm – 6 mm care il protejeaza fata de conditiile de mediu dar si din punct de vedere mecanic. Lungimea conductoarelor de lagatura pana la 50 m nu influenteaza masurarea temperaturii. Temperatura de lucru: de la -50°C la +180°C,

Senzor de temperatura PT1000 pentru inregistrarea temperaturii in medii lichide si gazoase.

Figura 4.2.1a Senzor PT1000

4.2.2 Senzor NTC

Sonda de temperatura NTC este o sonda de tip rezistiv. Acronimul NTC provine de la Negative Temperature Coefficient (Coeficient de Temperatura Negativ) si semnifica scaderea rezistivitatii odata cu cresterea temperaturii.

Figura 4.2a Senzor NTC

Specificatii sonde de temperatura NTC:
– lungimea sondei este de 1.5 m
– dimensiunile bulbului (plastic) sunt: 6 mm diametru si 15 mm lungime
– rezistivitatea sondei NTC este de 10 kohmi la temperatura de 25 grade Celsius
– gama de temperaturi sonda NTC: -40 / +110 grade Celsius

Sonda NTC de temperatura este compatibila cu termostatele Every Control (EVK201, EVK401 etc)

BIBLIOGRAFIE