Sistem de Incarcare a Acumulatorilor

Senzori

Generalități.

Un senzor este de fapt un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ prin mărimi proprii măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Această componentă poate măsura/detecta presiunea, umiditatea, temperatura, câmpul magnetic, accelerația, forța ș.a.

În prima parte a anului 1970, senzorii purtau denumirea de traductor sau detector.

Termenul de senzor provine din limba latină sensus= simț.

Acest dispoziti măsoară o cantitate fizică și o convertește într-un semnal care poate fi citit de către un operator cu ajutorul unui instrument sau poate fi prelucrat.

Una dintre clasificările senzorilor se referă la tipul acestora:

1.Senzor activ: consumator de energie. (radarul)

2.Senzor pasiv: fotorezistența cu care se poate măsura intensitatea luminii incidente.

Reglarea sistemelor tehnice automate se face prin captarea de informație calitativă sau cantitativă cu ajutorul acestor senzori.

Deoarece există o diversitate a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, au luat naștere o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor fiind folosiți în cât mai multe circuite electrice, mai ales in construcția roboților.

Unul din criteriile de clasificare a senzorilor este după mărimea de intrare:

-senzori pentru mărimi mecanice;

-senzori pentru mărimi geometrice;

-senzori de temperatură;

-senzori pentru mărimi fotometrice;

-senzori pentru mărimi de material; (densitate, indice de refracție)

-senzori pentru compoziție și concentrație;

-senzori pentru radiații;

1.2. Senzorul de temperatură.

Unul dintre cele mai uzuale procese de măsurare îl reprezintă măsurarea temperaturii. Cel mai des și cel mai simplu fenomen folosit în măsurarea temperaturii, este dilatarea termică.

Pentru măsurarea unei temperaturi, senzorul este introdus într-un obiect sau plasat pe suprafața obiectului, unde va exista un transfer de căldură între sondă și obiect. Senzorul se va incălzi sau se va răci și va transmite un semnal mai departe pentru a arăta diferența de temeperatură depistată.

Indiferent cât de mic este un senzor, acesta va perturba rezultatele măsurătorii aceasta fiind o problemă majoră în a minimza erorile introduse de senzor și în a adopta o metodă optimă de măsurare.

Procesarea semnalului în măsurătorile de temperatură se fac folosind doua metode:

-metoda echilibrării, unde temperatura se va măsura in momentul în care nu mai există gradient de temperatură între senzor și obiect;

-metoda predictiva, unde punctul de echilibru nu este atins niciodată, ci este determinat din viteza de schimbare a temperaturii senzorului.

Pentru realizarea încărcătorului de acumulatori cu panouri solare, vom folosi un senzor de temperatură fabricat de către Texas Instruments și care poartă denumirea de Senzorul de temperatură LM 35.

In următorul paragraf va voi prezenta o scurtă prezentare a acestui senzor de temperatură de mare precizie.

1.3. Senzorul de temperatură LM 35.

Senzorul LM 35 este un circuit de prezicie, a cărui tensiune de ieșire este direct proporțională cu temperatura măsurată in grade Celsius.

Acest senzor are avantajul față de alți senzori liniari calibrați în grade Kelvin, deoarece utilizatorul nu mai este nevoit sa folosească constante pentru a obține o scalare convenabilă in grade Celsius.

LM 35 nu necesită calibrare externă pentru a furniza o precizie de ± 0.25 ºC la temperatura de 25 ºC și de ± 0.75 ºC pe tot domeniul de temperatură. Impedanța de ieșire scăzută, ieșirea liniară și calibrarea internă face din LM 35 un circuit ușor de interfatat cu alte circuite de citire sau de control.

Acesta poate fi alimentat la surse de tensiune monoalternanță, sau la surse de tensiune dubla-alternanța. Consumul de curent foarte scăzut al lui LM 35 este de 60 µA și atrage după sine o auto-încălzire de mai puțin de 0,1 ºC in aer.

1.3.1 Caracteristici.

*Calibrare directă în grade Celsius (ºC)

*Precizie garantată de 0,5 ºC la ± 25 ºC

*Gama de măsurare de la -55 º la +150 ºC

*Potrivit pentru aplicațiile de la distanță

*Tensiune de alimentare de la 4V la 30V

*Consumul de curent este de 60 µA

*Auto-încalzire în timpul funcționării de 0,08 ºC (capsula aflată in exterior)

*Impedanța de ieșire scăzută, 0,1 Ohm pentru o sarcină de 1 mA.

http://www.unitbv.ro/faculties/biblio/interfete_specializate/curs.pdf accesat la data de 07,04,2014

Microcontroller-ul

1.Scurt istoric al microcontrollerului.

Un controller reprezintă un sistem folosit pentru a comanda și a prelua stări de la un proces sau un aspect al mediului înconjurător. La început un controller era un echipament de mari dimensiuni, marimea controller-ului reducându-se datorită apariției microprocesoarelor.Astfel a luat naștere un calculator pe un singur chip specializat pentru implementarea operațiilor de control.

Un microcontroller esre un circuit realizat pe un singur chip care conține următoarele elemente:

Unitatea centrală;

Generatorul de tact; (căruia i se adaugă din exterior un cristal de cuarț sau un circuit RC)

Memoria volatilă (RAM);

Memoria nevolatilă (ROM/PROM/EPROM/EEPROM);

Dizpozitive I/O seriale și paralele;

Controller de întreruperi, controller DMS, numărătoare/temporizatoare, convertoare A/D și D/A etc;

Periferice;

Microcontroller-ul are un preț redus datorită faptului că se fabrică in cantitați mari, acest preț aducând cu sine și micșorarea prețului sistemelor de control.

Diferența dinre microprocesor și unitatea centrală a microcontroller-ului se atenuează în timp. Astfel, marii constructori de procesoare au realizat niște circuite care s-ar putea numi super microcontroller-e, deoarece reprezintă microcalculatoare pe un singur chip.

Importanța microcontroller-ului este dovedită incontestabil de piața care este în continuă creștere.

Principalii producători de microprocesoare sunt: Intel, AMD, Motorola,Microchip, IBM, TI, Cyrix, Hitachi, NEC, LSI Logic și IDT. Dintre toți acești principali producători de microprocesoare, la începuturile producției, cifrele de afaceri cele mai mari le aparțineau celor de la Intel care au fost lideri incontestabili pe piața. În prezent cei de la Intel se clasează la mijlocul clasamentului luând în calcul cifra de afaceri a celor mai mari producători.

Un microcontroller poate fi definit ca un sistem de calcul complet pe un singur chip. Acesta poate fi privit ca un microprocesor care pe același chip mai conține memorie și o serie de interfețe. Natura si complexitatea aplicației în care este folosit microcontroller-ul determină performanțele unității centrale, capacitatea de memorie și tipul interfețelor ce compun structura internă a microcontroller-ului.

1.2. Schema Bloc a unui microcontroller.

In urmatorea figură vom reprezenta schema bloc generală a unui microcontroller.

1.2.1. Schema bloc generală a unui microcontroller

Pentru intrări se folosesc de regulă semnale care provin de la comutatoarele individuale sau de la traductoare (de presiune, foto, specializate, de temperatură). Intrările pot fi analogice sau digitale.

Intrările digitale vehiculează informații exprimabile prin funcții continue de timp. Pentru a putea microcontroller-ul sa ”citească” aceste informații va trebuii să fie prezente anumite circuite capabile sa prelucreze aceste informații, acestea fiind comparatoare analogice sau convertoare analog-numerice, ale căror ieșiri sunt citite de către microcontroller.

Ieșirile pot fi atat analogice cat si digitale, acestea comandând dispozitive de afișare, relee, motoare, difuzoare etc.

O primă diferență față de calculatoarele personale este aceea că microcontrollerul comandă un proces, acesta neputând funcționa fără program/ programe, care se stochează în memoria proprie a microcontroller-ului.

Microcontroller-ul poate fi definit ca un sistem de calcul complet pe un singur chip care include o unitate centrală, memorie, oscilator pentru tact, și dispozitive I/O. Acesta poate fi privit ca un microprocesor care pe același chip mai conține in plus memorie și o serie de interfețe. Natura și complexitatea aplicației în care este folosit microcontroller-ul determină performanțele unității centrale, capacitatea de memorie și tipul interfețelor ce compun structura internă a microcontroller-ului.

În figura urmatoare vom detalia structura unui microcontroller incluzând blocurile principale.

Fig.1.2.2 Schema bloc a unui microcontroller cu blocurile principale

1.3. Arhitectura unui microcontroller.

Acest aspect definește atributele sistemului așa cum sunt ele văzute de un programator în limbaj de asamblare. Deoarece un microcontroller este un caz particular de calculator, (calculator specializat pentru operații I/O, realizat pe un singur chip), acesta este compus din cele cinci elemente de bază: unitate de intrare, unitate de memorie, unitate aritmetică și logică, unitate de control și unitate de ieșire. Unitatea de control împreună cu unitatea aritmetică și logică compun împreună unitatea centrală de prelucrare pe care o vom referi în continuare prescurtat cu UCP. Unitățile de intrare și ieșire vor fi tratate împreună și vor fi referite prescurtat ca sistem I/O.

Blocurile componente ale MC sunt legate între ele printr-o magistrală internă (bus). Magistrala vehiculează semnale de adresă, de date și semnale de control. Mărimea acestor magistrale constituie una dintre caracteristicile cele mai importante ale unui MC. Prin magistrala de adrese unitatea centrală de prelucrare (UCP) selectează o locație de memorie sau un dispozitiv I/O, iar pe magistrala de date se face schimbul de informație între UCP și memorie sau dispozitivele I/O. Între UCP și memorie sunt transferate atât date cât și instrucțiuni. Acestea se pot transfera pe o singură magistrală de date sau pe magistrale de date diferite.

Arhitectura von Neumann prevede existența unui bus unic folosit pentru circulația datelor și a instrucțiunilor. Când un controller cu o astfel de arhitectură adresează memoria, bus-ul de date este folosit pentru a transfera întîi codul instrucțiunii, apoi pentru a transfera date. Accesul fiind realizat în 2 pași, este destul de lent.

Arhitectura Harvard prevede un bus separat pentru date și instrucțiuni. Când codul instrucțiunii se află pe bus-ul de instrucțiuni, pe bus-ul de date se află datele instrucțiunii anteriaore. Structura microcontroller-ului este mai complexă, dar performanțele de viteză sunt mai bune.

Din punct de vedere al magistralei interne, performanța unui microcontroller se poate aprecia după următoarele criterii:

Dimensiunea magistralei de date;

Dimensiunea masitralei de adrese;

Accesibilitatea în exterior la magistrale;

Magistrale accesibile multiplexat sau nemultiplexat.

1.3.1 Unitate centrală de prelucrare

Unitatea centrală de prelucrare este compusă din unitatea aritmetică și logică și din unitatea de control.

Unitatea aritmetică si logică este secțiunea responsabilă cu efectuarea operațiilor aritmetice și logice asupra operanzilor ce îi sunt furnizați. De asemena este foarte important timpul de execuțieal fiecărei operații pentru a aprecia dacă timpul necesar procesării complete satisface cerințele de timp ale aplicației.

Unitatea de control este responsabilă cu decodificarea codului operației conținut de codul unei instrucțiuni. Modul de implementare al acestui bloc este de asemena transparent utilizatorului.

Familiile de microcontroller-e folosesc seturi diferite de registre dar sunt și câteva comune:

A- accumulator- registrul acumulator.

PC- program counter- registrul numărător de program.

SP- stack pointer- registrul indicator de stivă.

Un aspect important ce se reflectă în arhitectura unui MC este modul de programare. Prin arhitectură înțelegem felul în care sunt dispuse "resursele" unui MC. Cu cât structura, funcționalitatea și accesul la acestea sunt mai profund standardizate și simetrizate, cu atât numărul de instrucțiuni de care dispune MC este mai redus și viteza de execuție a programelor crește.

Exista două tipuri de seturi de instrucțiuni pentru microcontroller-e:

Instrucțiuni de tip CISC- Complex Instruction Set Computer- un număr complex de instrucțiuni.

Instrucțiuni de tip RISC- Reduced Instruction Set Computer- un număr redus de instrucțiuni.

În prezent un MC este cu mai mult decât o arhitectură RISC, el este cu o arhitectură SISC (Specific ISC). Instrucțiunile sunt specifice pentru a lucra optim cu dispozitivele I/O, permit manipularea la nivel de bit și sunt mai puține instrucțiuni de uz general, așa cum întâlnim la microprocesoarele 8086, 68000 etc. În general MC cu arhitectură CISC dispun de un număr redus de registre. Acestea au funcții determinate (acumulator, registru index,etc), iar MC cu arhitectură RISC dispun de un număr mai mare de registre cu un mare grad de ortogonalitate ceea ce înseamnă că pot fi folosite simetric în orice mod de adresare.

1.3.2 Memoria

Microcontroller-ele folosesc diferite tipuri de informații, care sunt stocate în diferite tipuri de memorii. Instrucțiunile care controlează funcționarea microcontroller-ului trebuie stocate într-o memorie nevolatilă, unde informațiile de păstrează și după oprirea și repornirea sursei de alimentare.

Tipuri de memorii ale unui microcontroller:

Memoria RAM- Random Access Memory- este o memorie volatilă care poate fi citită sau scrisă de unitatea centrală. Pe chip, memoria RAM ocupă mult loc și implicit costurile de implementare sunt mari.

Memoria ROM- Read Only Memory- este cea mai ieftină și cea mai simplă memorie, folosindu-se la stocarea programelor în faza de fabricație.

Memoria PROM- Programmable Read Only Memory- este asemănătoare cu memoria ROM, dar ea poate fi programată de către utilizator.

Memoria EPROM- Erasable Programmable Read Only Memory- se poate șterge prin expunere la raze ultraviolete.

Memoria OTP- One Time Programmable PROM- este de fapt o memorie EPROM, dar chip-ul a fost capsulat într-o capsulă de material plastic, fără fereastră, care este mult mai ieftină.

Memoria EEPROM- Electrically Erasable Programmable Read Only Memory- poate fi ștearsă electric de către unitatea centrală, în timpul funcționării.

Memoria FLASH- poate fi ștearsă și reprogramată în sistemul în care este folosită, fără a fi necesar un sistem dedicat.

Tipul de memorie și capacitatea memoriei din echiparea unui MC sunt caracteristici particulare fiecărui tip de circuit. Printre alte diferențe, acești parametri sunt diferiți pentru membrii unei aceleiași familii de MC.

1.3.3 Dispozitive I/O

Dispozitivele I/O reprezintă un aspect de mare interes atunci când este vorba de microcontroller-e, interes rezultat din însăși particularitatea unui MC: aceea de a interacționa cu mediul în procesul de control pe care îl conduce.

Dispozitivele I/O implementează funcții speciale degrevând unitatea centrală de toate aspectele specifice de comandă și control în funcția respectivă. Există o varietate mare de dispozitive I/O; dispozitivele I/O conduc operații generale de comunicație (transfer serial sau paralel de date), funcții generale de timp (numărare de evenimente, generare de impulsuri), operații de conversie analog/numerică, funcții de protecție, funcții speciale de comandă, și enumerarea poate continua. Parte din resurse acoperă funcțiile de control propriu-zis, iar o parte asigură funcțiile necesare aplicațiilor în timp real (sistemul de întreruperi, timer).

Din această mare varietate, parte din dispozitive se găsesc în configurația tuturor MC sau sunt foarte des întâlnite, iar o altă parte de dispozitive o regăsim doar în MC construite pentru a optimiza aplicații cu un grad mare de particularitate. În acest capitol, în continuare, vor fi prezentate dispozitive des întâlnite în echiparea MC. În capitolele următoare, pe măsură ce vor fi prezentate exemple de MC, vor fi descrise și o serie de dispozitive I/O speciale ce intră în componența acestora.

Dispozitivele I/O sunt “văzute” de unitatea centrală ca porturi. Există două filozofii de alocare a adreselor (mapare) pentru apelarea porturilor de către unitatea centrală. Porturile sunt mapate fie în spațiul de memorie, fie într-un spațiu propriu. Cele două metode sunt exemplificate la MC produse de Motorola și MC produse de Intel. La MC Motorola dispozitivele I/O ocupă adrese într-un spațiu comun cu memoria, ceea ce atrage după sine reducerea numărului de locații de memorie. MC de la Intel folosesc un semnal care indică dacă la adresa curentă se apelează o locație de memorie sau un dispozitiv I/O.

Avantajele mapării în spații separate:

• Metoda nu este susceptibilă de a provoca erori soft deoarece se folosesc instrucțiuni diferite pentru a accesa memoria și dispozitivele I/O;

• Dispozitivele I/O nu ocupă spațiu de memorie;

• Decodificatorul de adrese pentru dispozitivele I/O este mai simplu deoarece spațiul de adresare al dispozitivelor I/O este mai mic.

Dezavantaje ale mapării în spații separate:

• instrucțiunile I/O sunt mai puțin flexibile în comparație cu instrucțiunile de lucru cu memoria;

• instrucțiunile I/O nu permit folosirea modurilor de adresare folosite în lucrul cu memoria.

Avantajul mapării în spațiu comun:

• toate instrucțiunile de lucru cu memoria și toate modurile de adresare sunt utilizabile și în tratarea dispozitivelo I/O (programarea operațiilor I/O este foarte flexibilă);

Dezavantajele mapării în același spațiu:

• este susceptibil la erori software;

• spațiul de adresare disponibil pentru memorie este mai mic

1.3.4. Clasificarea microcontroller-elor:

Se pot considera multe criterii de clasificare a MC; de exemplu după dimensiunea magistralelor, după interfețele pe care le au incluse în configurație, după aplicațiile în care se folosesc, după furnizor etc. O clasificare sumară a celor mai uzuale MC, după compatibilitatea software, este:

MC cu arhitectură CISC:

• Compatibile 8051

• MOTOROLA 68xx

• Compatibile x86

• COP8 (National Semiconductor)

• TMS370 (Texas Instruments)

• ST (Thomson)

• Alte arhitecturi (MC low cost) HITACI – 4biți, Z8 – 8 biți

MC cu arhitectură RISC:

• Super H – Hitachi

• PIC – MicroChip

• AVR și ARM – Atmel