Sistem Parcare Automata

CUPRINS

1.1. Scurt istoric al evoluției automaticii 3

1.2. Etapele si avantajele automatizării 5

1.3. Efectele automatizării în cazul parcării unei mașini 7

Capitolul 2 Sisteme Automate Programabile 8

2.1 Scurta prezentare a elementelor de circuit reale 8

2.1.1 Dioda cu jonctiune PN 8

2.1.3 Tranzistorul Bipolar 10

2.2 Platforma de dezvoltare Arduino Uno 11

2.3 Arhitectura microcontrolerelor 12

2.3.1 Caracteristici generale 12

2.3.2 Microcontrolerul ATMEL Atmega328 15

2.4 Controlul PWM 17

2.4.1 Principiu de functionare 17

2.4.2 Aplicații 18

Capitolul 3 Dispozitive Optice 19

3.1 Dioda electroluminiscenta 19

3.1.1 Principiu de functionare 20

3.1.2 Avantajele și dezavantajele utilizării LED-urilor 21

3.2 Fotodioda 23

3.2.1 Principiu de functionare 23

3.2.2 Caracteristici electrice 25

3.3 Fototranzistorul 26

3.3.1 Principiul de functionare 27

3.4 Senzori 28

3.4.1 Principiu de funcționare 28

3.4.2.Clasificarea si caracterizarea senzorilor 28

3.4.3 Senzorul TSOP483 30

3.5 Emițătoare infraroșu 30

3.5.1 Aplicații ale emitatoarelor IR 31

3.6 Afisaje cu cristale lichide 31

3.6.1 Principiu de functionare 32

3.6.2 Tipuri de afisaje LCD 33

3.6.3 Controllerul HD47780 35

Capitolul 4 Realizarea parcării automate 38

4.1. Prezentarea programelor utilizate 38

1.1. Scurt istoric al evoluției automaticii

Automatica este o ramură a științei și tehnicii care cuprinde totalitatea metodelor și a mijloacelor tehnice prin care se stabilesc legături corespunzătoare între instalațiile tehnologice (cele care realizează procesul de producție) și dispozitive anume introduse (cele care automatizează instalația sau procesul respectiv), astfel încât conducerea proceselor de productie să se desfășoare fără intervenția directă a omului. Prin această conducere a proceselor, se înțelege comanda și reglarea automată a acestora. [2]

Implementarea practică a acestor principii, metode și mijloace de conducere a proceselor se numește automatizare. Ansamblul de obiecte materiale care asigură controlul desfășurării proceselor tehnice sau a altor categorii de procese fără intervenția omului se numește echipament de automatizare.

Figura 1.1. Procesul de automatizat și sistemul de conducere a proceselor

Procesele de producție și instalații tehnologice au înregistrat o transformare continuă datorită dezvoltării științei si tehnicii, acestea reducând treptat munca fizică a omului, concomitent cu creșterea ponderii muncii intelectuale pentru dirijarea sau conducerea mașinilor si dispozitivelor.

Omul, care încă din cele mai vechi timpuri se baza numai pe forța sa fizică si mînuia direct uneltele de producție, a descoperit și a folosit sursele de energie pe care i le punea natura la dispoziție, reducând astfel efortul său fizic folosit in procesul de producție. Totodata omul a creat dispozitive, mașini și instalații capabile să transforme anumite forme de energie in forme direct utilizabile.

În țara noastră, ținându-se seama de avantajele pe care le oferă automatizarea, au fost create condiții deosebit de favorabile introducerii mecanizării și automatizării în diversele ramuri ale economiei naționale ca o condiție de bază pentru creșterea producției și productivității muncii, factor determinant în înfăptuirea politicii partidului și statului de creștere a nivelului de trai material și spiritual al tuturor oamenilor muncii.

Concomitent cu continua industrializare socialistă a României, introducerea mijloacelor de automatizare și a instalațiilor de reglare automată au cunoscut un tirm înalt și mereu ascendent. S-a dezvoltat, astfel, o puternică industrie de elemente de automatizare. În perioada dinaintea anului 1970 au fost înființate și dezvoltate o serie de întreprinderi profilate pe ramurile principale din domeniul automatizărilor: Întreprinderea pentru Elemente de Automatizare (IEA-București), Întreprinderea Automatica-București, Electromagnetica și Electrotehnica din București. [2]

Figura 1.2. Dezvoltarea Industriei

Paralel cu dezvoltarea industriei elementelor de automatizare, a fost asigurată pregătirea cadrelor de specialitate necesare, prin licee de profil și prin învățămîntul superior. S-a realizat, totodată, concentrarea potențialului de concepție, cercetare și proiectare în domeniul sistemelor, echipamentelor și elementelor de automatizare în cadrul institutelor de proiectări și cercetări, precum și în cadrul unor colective de specialitate din învățământ și unele sectoare productive. A luat ființă pe platforma Institutului politehnic din București o modernă întreprindere pentru aparate și utilaje destinate cercetării științifice – IAUC București.

1.2. Etapele si avantajele automatizării

În acest subcapitol voi prezenta etapele automatizării

1) Etapa intrumentalizării care presupune efectuarea proceselor de producție în întregime manual.

Caracteristicile generale ale acestei etape sunt cunoștințele dezvoltate, de regulă, în afara sferei producției de bunuri materiale și legătura dintre știință și producție tehnică.

2) Etapa mecanizării care presupune utilizarea energiei mecanice obținută de la diverse tipuri de motoare sau mașini electrice, hidraulice, pneumatice. Mecanizarea poate fi aplicată numai la o parte din instalații (mecanizare parțială) sau la toate instalațiile care realizează un anumit proces tehnologic (mecanizare totală sau complexă). În producția mecanizată, omul conduce instalația tehnologică informându-se asupra mărimilor din procesul tehnologic și comandând operațiile respective.

3) Etapa cibernetizării în care funcțiunile operatorului uman sunt preluate parțial sau total, de către dispozitivul de automatizare sau automatul respectiv. Automatele îndeplinesc, pe baza unei comenzi-program inițiale, toate fazele active si inactive din ciclurile de funcționare, realizând și comanda acestor mișcări. În cadrul cibernetizării, calculatoarele electronice si automatele programabile introduse la instalațiile tehnologice, efectuează operații de calcul și logice pe baza unui volum de informații de la instalațiile conduse și comandă funcționarea acestora realizând performanțe tehnice prestabilite.

În această etapă are loc o continuă evoluție, știința devenind o forță primordială pentru dezvoltarea producției materiale.

Principalele avantaje ale introducerii automatizării sunt următoarele:

a) Avantajele de ordin economic care presupun mărirea productivității, reducerea consumului de materie primă și materii auxiliare, reducerea numărului instalațiilor și utilajelor necesare în producție, reducerea cheltuielilor de producție și a costului produselor, economisirea combustibililor și a energiei.

b)Avantajele de ordin social care implică creșterea securității muncii în diverse instalații, asigurarea condițiilor ergonomice și psihotehnice de desfășurare a proceselor de producție, îmbunătățirea condițiilor de muncă prin eliberarea omului de operațiile dificile sau monotone ale procesului de producție.

c) Avantajele de ordin tehnic care presupun creșterea calității produselor, creșterea fiabilității producției și a produselor obținute, reducerea solicitărilor la care sunt supuse diverse instalații și mărirea duratei de utilizare a acestora.

În instalațiile energetice, automatizarea are multiple aplicații. La aceasta contribuie faptul că procesul de producție, transport și distribuție a energiei electrice și termice necesită un grad sporit de automatizare. Astfel producerea și consumul de energie electrică și căldură se efectuează practic simultan, fără a fi posibilă crearea unor rezerve de energie electrică pe măsura necesităților. Întreruperea furnizării energiei electrice poate determina mari pierduri în toate ramurile economice naționale astfel cerându-se un grad sporit de siguranță în funcționarea sistemelor energetice.

Fiind multe instalații în paralel, de același tip, iar procesele tranzitorii și scurtcircuitele desfășurîndu-se cu mare rapiditate, efectele lor se pot răsfrînge cu ușurință asupra întregului ansamblu al sistemului energetic național.

Calitatea energiei electrice furnizate afectează funcționarea instalațiilor de circuite secundare, la rândul lor, acestea pot afecta în mare măsură siguranța de funcționare a instalațiilor producătoare de energie electrică.

Figura 1.3. Instalație energie electrică

1.3. Efectele automatizării în cazul parcării unei mașini

Automatizarea în cazul parcării unei mașini are importante consecințe:

Detectează obiectele mai joase, pe care omul nu le vede cu ajutorul oglinzilor laterale sau a oglinzii retrovizoare, evitând astfel accidentele;

Ne ajută să știm exact distanța pană la mașina din spate/față;

Atunci când vrem să ieșim din parcare este mult mai simplu deoarece ne avertizează în momentul în care ajungem prea aproape de obiectele din jurul mașinii;

Capitolul 2 Sisteme Automate Programabile

2.1 Scurta prezentare a elementelor de circuit reale

2.1.1 Dioda cu jonctiune PN

Rezistența electrică a diodei (componentei electronice) depinde foarte mult de sensul și de valoarea tensiunii, tensiune aplicată între cele două borne ale diodei. Principala caracteristică a diodei este aceea că aceasta lasă curentul electric să treacă într-un singur sens. Fizic, dioda este alcătuită dintr-o joncțiune PN.

Cele două borne ale diodei poartă denumirea de anod, respectiv catod. În figura următoare este prezentat simbolul diodei:

Dioda se poate conecta în doua moduri:

polarizare directă (în care dacă legăm plusul la anod și minusul la catod, dioda conduce curentul electric);

polarizare inversă (în care dacă legăm plusul la catod și minusul la anod, dioda nu conduce curentul electric).

Dioda conduce curent electric atunci când este polarizată direct. În caz contar aceasta nu va conduce curent electric, rezistența electrică având o valoare foarte mare. Aacest lucru se întamplă pentru o diodă ideală. De fapt, atunci când este polarizata direct rezistența electrică nu este chiar zero, așa cum ar fi ideal, iar în cazul polarozării inverse, dioda lasă să treacă un current foarte mic, insesizabil.

Exisă mai multe categorii de diode.

2.1.3 Tranzistorul Bipolar

Tranzistorul are trei terminale. Aceestea fac legătura la regiuni diferite ale cristalului semiconductor. Are rolul de a comuta și amplifica puterea electrică si semnalele electronice. Cele mai multe tranzistoare sunt incorporate în circuite integrate.

Tranzistorul este omnipresent în sistemele electronice. Cu ajutorul tranzistoarelor se realizează echipamente electronice mai mici, mai ieftine, mai performante. Spre exemplu, sunt utilizate în fabricarea aparatelor radio, telefoanelor mobile, laptopuri.

Se folosesc în echipamente electronice, care conțin componente discrete în amplificatoare de semnal, oscilatoare, demodulatoare, modulatoare, filtre, oscilatoare. În zilele noastre se pot încapsula milioane de tranzistori într-o singură capsulă.

Simbolurile folosite în mod curent pentru tranzistori:

Tranzistor bipolar PNP Fototranzistor NPN Tranzistor unijoncțiune (TUJ)

Tranzistor JFET canal N Tranzistor IGFET canal P Tranzistor tetrodă IGFET canal N

Numele de tranzistor bipolar este semnificativ deoarece conducția este realizată cu ajutorul a două tipuri de purtători de sarcină electrică, de semen contrar: electroni și goluri.

Reprezintă o pastilă de siliciu dopată in așa fel încât să creeze trei straturi dopate diferit. Se formează astfel doua joncțiuni pn. Cele două jonctiuni nu pot sa funcționeze independent deoarece baza, zona centrală, are grosimi foarte mici astfel că apare un current între colector si emitor, explicându-se în acest fel folosirea tranzistorului bipolar pe post de amplificator de curent sau de tensiune.

Tranzistorul bipolar reprezintă un dispozitiv semiconductor care are două joncțiuni, npn sau pnp. Are trei terminale: E-emitor, B-baza, C-colector. Tranzistoarele bipolare sunt utilizate atât în circuitele electronicedemodulatoare, modulatoare, filtre, oscilatoare. În zilele noastre se pot încapsula milioane de tranzistori într-o singură capsulă.

Simbolurile folosite în mod curent pentru tranzistori:

Tranzistor bipolar PNP Fototranzistor NPN Tranzistor unijoncțiune (TUJ)

Tranzistor JFET canal N Tranzistor IGFET canal P Tranzistor tetrodă IGFET canal N

Numele de tranzistor bipolar este semnificativ deoarece conducția este realizată cu ajutorul a două tipuri de purtători de sarcină electrică, de semen contrar: electroni și goluri.

Reprezintă o pastilă de siliciu dopată in așa fel încât să creeze trei straturi dopate diferit. Se formează astfel doua joncțiuni pn. Cele două jonctiuni nu pot sa funcționeze independent deoarece baza, zona centrală, are grosimi foarte mici astfel că apare un current între colector si emitor, explicându-se în acest fel folosirea tranzistorului bipolar pe post de amplificator de curent sau de tensiune.

Tranzistorul bipolar reprezintă un dispozitiv semiconductor care are două joncțiuni, npn sau pnp. Are trei terminale: E-emitor, B-baza, C-colector. Tranzistoarele bipolare sunt utilizate atât în circuitele electronice digitale dar și în circuitele electronice analogice, rolul acestora fiind de amplificare sau transmitere a unui semnal electric.

În electronica un transistor are același rol ca cel al unui robinet in instalații și anume, acela de inchidere sau deschidere al unui circuit electric.

Particularități constructive:

Emitorul E este mult mai impurificat decât B sau C

Baza B este mult mai subțire decât E și C.

2.2 Platforma de dezvoltare Arduino Uno

Arduino este destinată pasionaților de electronica,începătorilor, este folosită mai ales în mediul universitar și este foarte ușor de utilizat. Conține microcontrollere ATMEL, Arduino Uno având la bază

un microcontroller ATMEGA328P.

Arduino Uno

Acesta are 14 intrări/ieșiri digitale (6 din ele pot fi folosite ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator la 16Mhz, o conexiune pe USB, o mufă de alimentare, un header ICSP si un buton de reset.

Aceștia sunt pe partea superioară a plăcii și sunt grupați în trei mufe de 0.1 inch.

Fiecare dintre cei 14 pini digitali pot fi folositi ca input sau output in functie de cum sunt setati in program (cu ajutorul functiilor pinMode(), digitalWrite() si digitalRead()).Fiecare pin poate aproviziona sau primi un maxim de 40 mA (se recomanda cam 20 mA) si are un rezistor intern de pull-up de 20-50 kOhmi. Acesti rezistori sunt utilizati in circuite logice pentru a garanta ca inputurile sistemelor logice se afla la nivelul logic asteptat(high sau low) atunci cand dispozitivele sunt deconectate sau sunt introduce impedante mari.

Arduino Uno are o arhitectură deschisă permițând astfel apariția clonelor și dezvoltarea unei serii de componente. Extinderea funcțiilor de bază se face cu ajutorul shield-urilor, acestea fiind montate peste kit-ul de bază.

     Conectorii plăcii sunt expusi la vedere și permit plăcii Arduino conectarea rapidă la mai multe module. Plăcile Arduino sunt programate cu ajutorul unei legături serial RS-232, modul aplicării este diferit și depinde de versiune hardware. Plăcile sunt programate prin cablu USB.

Cei mai mulți pini de I/O ai microcontrolerului sunt expuși. Acest lucru permite utilizarea acestora în alte circuite.

Shield-uri Arduino

      Plăcile Arduino folosesc diferite scuturi (shield) , plăci imprimate care sunt legate la Arduino, mărindu-se astfel capabilitatea plăcii de dezvoltare. Scuturile permit controlul motoarelor, GPS, display-uri LCD.

Acest mediu de dezvoltare este proiectat pentru a iniția în asta programării începatorii, nefamiliarizați cu dezvoltarea de software. . Mediul de dezvoltare Arduino este prevăzut cu un editor de cod cu mai multe caracteristici. Este capabil sa încarce și să compileze programele prin intermediul unui singur clic.

Un program sau cod scris pentru Arduino este numit ” schiță ” (sketch) .

2.3 Arhitectura microcontrolerelor

2.3.1 Caracteristici generale

La modul general un controler este, actualmente, o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman. [10]

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.

Un microcontroller este un tip de circuit care integrează un microprocesor și alte dispozitive periferice într-un singur chip punandu-se accent pe un cost redus de producție și consum redus de energie electrică. Principala diferență dintre un microcontroller (µC) și un microprocesor (µP) o constituie faptul că un µC integrează memoria de program, memoria de date și alte interfețe de intrare-ieșire sau periferice.

Din cauza integrării unui număr mare de periferice și a costului redus de producție, un µC operează la frecvențe reduse, în general la zeci sau sute de MHz. Cu toate acestea, microcontrollerele se pretează la o gamă variată de aplicații fiind folosite atât în mediul industrial cât și în produse de larg consum, de la sisteme din industria aerospațială până la telefoane mobile, cuptoare cu microunde și jucării. Spre deosebire de µP microcontroller-ul execută un program încărcat pe acesta și dedicat unei singure funcționalități.

Cele mai întâlnite structuri din circuitul integrat al unui µC sunt următoarele:

1) Unitatea centrală de procesare (CPU), care este considerată creierul calculatorului, având rolul de a executa programele stocate în memoria principală. CPU contine structuri specializate numite ALU(Aritmethic Logical Unit) care implementeaza functiile logice si efectueaza operatiuni aritmetice de baza: adunare, scadere, inmultire, impartire;

2) Unitatea de memorie, a cărei funcție este de a înmagazina date. Aceasta este de două feluri: memorie de date volatilă (RAM) sau nevolatilă pentru date sau program (Flash sau EEPROM – Electrically Erasable Programmable ROM);

3) Porturi digitale de intrare-ieșire. Pentru interacțiunea cu mediul exterior microcontrolerul conține un bloc cu câteva locații de memorie al căror capăt este conectat la magistrala de date, iar conexiunile cu liniile de ieșire sunt pinii microcontrolerului. Aceste porturi pot fi de trei feluri: de intrare, de ieșire sau porturi pe douã cãi.

Figura 3.2. Unitate I/O [24]

4) Timerul/Counterul, după cum îi spune și numele, oferă facilitatea de a măsura intervale fixe de timp și de a genera întreruperi la expirarea intervalului măsurat. Un timer, odată inițializat va funcționa independent de unitatea centrală (core μP). Acest lucru permite eliminarea buclelor de delay din programul principal.

5) Un convertor analog – digital (ADC) este un circuit electronic care convertește o tensiune analogică de la intrare într-o valoare digitală. Pentru a putea măsura semnalele analogice într-un sistem de calcul digital, acestea trebuie convertite în valori numerice discrete.

Figura 3.3. ADC [24]

O caracteristică importantă a unui ADC o constituie rezoluția acestuia. Rezoluția indică numărul de valori discrete pe care convertorul poate să le furnizeze la ieșirea sa în intervalul de măsură. Deoarece rezultatele conversiei sunt stocate intern sub formă binară, rezoluția unui convertor analog- digital este exprimată în biți.

6) O întrerupere hardware reprezintă un semnal sincron sau asincron de la un periferic ce semnalizează apariția unui eveniment care trebuie tratat de către procesor. Tratarea întreruperii are ca efect suspendarea firului normal de execuție al unui program și lansarea în execuție a unei rutine de tratare a întreruperii (RTI).

Întreruperile hardware au fost introduse pentru a se elimina buclele pe care un procesor ar trebui să le facă în așteptarea unui eveniment de la un periferic. Folosind un sistem de întreruperi, perifericele pot comunica cu procesorul, acesta din urma fiind liber să-și ruleze programul normal în restul timpului și să își întrerupă execuția doar atunci când este necesar. [10]

Domenii în care se utilizează:industria de automobile, electronica de consum, aparatura electrocasnică, controlul mediului și climatizare, industria aerospațială, mijloacele moderne de măsurare – instrumentație, la realizarea de periferice pentru calculatoare, în medicină.

Ca un exemplu din industria de automobile , unde numai la nivelul anului 1999, un BMW seria 7 utiliza 65 de microcontrolere, iar un Mercedes din clasa S utiliza 63 de microcontrolere. Este foarte greu să găsim un domeniu de aplicații în care să nu se utilizeze microcontrolerele.

2.3.2 Microcontrolerul ATMEL Atmega328

Microcontrolerul ATmega328 [11]

ATMega328 este un microcontroler care a fost creat de Atmel și face parte din seria MegaAVR.

Acest microcontroler conține 32 de registrii de uz general, 32 KB de memorie FLASH cu capacități de citire-scriere cu 1 KB EEPROM, 2 KB SRAM. Acest dispozitiv are un set redus de instrucțiuni (Advanced RISC), având 131 de instrucțiuni, majoritatea executându-se într-un singur ciclu de ceas.

Astfel poate executa rapid putinele instructiuni de care avem nevoie. Pentru sincronizare avem trei timere flexibile , surse de întrerupere interne și externe , timer watchdog programabil cu oscilator intern. Achizitia de date este usurata de comunicația serială USART , o interfata seriala de 2 fire, port serial SPI, si convertorul Analog / Digital cu 6 canale pe 10 biți. Din punct de vedere al intrarilor si iesirilor are 23 de porturi programabile. [11]

Acest dispozitiv funcționează între 1.8 – 5.5 volți. Prin executarea de instrucțiuni într-un singur ciclu de ceas, microcontrolerul realizează debite ce se apropie de 1 MIPS pe MHz, astfel echilibrând consumul de energie și de viteză de procesare. Pentru a maximiza performanța și paralelismul, microcontrolerul Atmega328 folosește o arhitectură Harvard a microprocesorului cu memorii separate și magistrale de adresă și de date.

Astăzi ATmega328 este frecvent utilizat în multe proiecte și sisteme autonome în care este nevoie de un microcontroler cu cost redus și ușor de utilizat. Acest chip este implementat pe cea mai populară platformă de dezvoltare Arduino.

Figura 3.3. Schema bloc Microcontrolerul ATmega328 [12]

Descrierea pinilor:

• VCC – tensiunea de alimentare;

• GND – masa;

• Port B (PB7:0) – Portul B este un port bidirecțional I/O de 8 biți cu rezistențe interne de tip pull-up care devine activ când apare o resetare chiar dacă ceasul nu funcționează;

• Port C (PC5:0) – Portul C este un port bidirecțional I/O de 6 biți similar cu portul B;

• Port D (PD7:0) – Portul D este un port pe 8 biți similar cu celelalte două;

• PC6/RESET – Portul este folosit și ca intrare și ca reset . Un nivel scăzut pe acest pin de durată mai mare decât lungimea minimă a unui impuls, de 2.5μs va genera o resetare, chiar dacă ceasul nu funcționează ;

• AVCC este pinul de alimentare pentru convertorul A/D, PC3:0 și ADC7:6. Ar trebui să fie extern conectat la VCC, chiar dacă convertorul A/D nu este folosit. Dacă se utilizează convertorul A/D , acesta ar trebui să fie conectat la VCC printr-un filtru trece-jos. Pinul PC6 . funcționează cu tensiune de la VCC;

• AREF este pinul de referință analogic pentru convertorul A/D ;

• ADC7: 6 servesc ca intrări analogice la convertorul A/D. Acești pini sunt alimentați de la rețeaua analogică și servesc drept canale analog-digitale de 10 biți.

2.4 Controlul PWM

2.4.1 Principiu de functionare

Tensiunea obtinută la ieșirea convertorului trebuie mentinută la un nivel constant indiferent de variațiile sarcinii de la ieșire sau a valorii tensiunii de intrare, acest lucru se realizează folosind o metodă de control a timpilor tON și tOFF a tranzistoarelor. Folosind metoda PWM se menține constantă frecvența de comutație și se variază doar timpul tON în care conduce comutatorul, se dorește menținerea constantă a frecvenței de comutație pentru a se putea proiecta cu ușurința filtrele de la iesirea și intrarea convertorului.

Modificarea raportului de conducție (factorul de umplere) al semnalului de comandă duce în mod direct la modificarea valorii tensiunii de la ieșirea convertorului, prin realizarea unei bucle de reacție negativă care să compare foarte rapid tensiunea de la ieșire cu o tensiune de referintă se pot minimiza variațiile amplitudinii tensiunii de ieșire.

Fig 3.1 Schema bloc a circuitului de formare a semnalului PWM

2.4.2 Aplicații

Controlul PWM prin buclă de tensiune

Amplificatorul diferențial generează un semnal de control (semnal de eroare) egal cu diferența dintre tensiunea de ieșire și o tensiune de referintă care este mentinută la o valoare constantă. Semnalul de control (cu factor de umplere variabil) se obține la ieșirea comparatorului, acesta realizează o comparație rapidă între semnalul de eroare și un semnal de tip rampă cu amplitudine și frecvență constantă. Frecvența de comutație este dată de frecvența semnalului rampă iar factorul de umplere depinde de diferența dintre semnalul de eroare și semnalul de tip rampă.

Fig. 3.2 Formele de undă ideale pentru semnalul de control, sursa: [2]

Frecvența semnalului de tip rampă este menținută constantă la o valoare de câteva zeci sau sute de kHz pentru ca sarcina să nu perceapă fenomenul de comutație ci doar valoarea medie a tensiunii de ieșire. Amplitudinea semnalului de eroare variază lent în timp iar atunci când este mai mare decat amplitudinea semnalului rampă comparatorul generează la ieșire un semnal de control de tip “ON”care aduce comutatorul în starea de conducție, iar atunci când semnalul rampă îl depășește ca nivel pe cel de eroare comutatorul este blocat.

Astfel schimbările de amplitudine ale tensiunii de ieșire cauzează modificări ale factorului de umplere al semnalului de control, lucru ce face ca eroarea aparută să tindă spre zero într-un timp scurt.Raportul de conducție este dat de raportul dintre semnalul de eroare și valoarea de vârf a semnalului de tip rampă:

Pentru a realiza compararea permanentă a tensiunii de la ieșire cu o tensiune de referintă trebuie să se introducă în amplificatorul diferențial o parte din tensiunea de la ieșire, acest lucru se realizează prin intermediul buclei de reacție negativă.

Principiul de funcționare a acestei bucle de control este simplu însă are un dezavantaj în ceea ce privește întârzierea pe care o introduce sistemulului, astfel între eroare și acțiunea corectivă a sistemului există un anumit timp de răspuns introdus de amplificatorul de eroare și de condensatorul de filtraj.2

Capitolul 3 Dispozitive Optice

3.1 Dioda electroluminiscenta

Dioda electroluminiscentă, cunoscută și sub denumirea de LED, este o dioda semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă a joncțiuni pn.

Semnul convențional

LED-ul ajută în reflexive și dă forma radiației, fiind o sursă de lumină pe o suprafață mică, având uneori un sestem optic adăugat.

Culoarea luminii emise depinde foarte mult de compoziția materialului folosit, putând fiȘ infraroșu, vizibil sau ultraviolet. Ca exemplu, aplicațiile destul de interesante conțin LED-uri UV pentru sterilizarea apei, iar daca avem o sursă de lumină mai mare se poate spori chiar și fotosinteza plantelor.

Diodele electroluminiscentă mai sunt întălnite și sub următoarele denumiri: Light Emitting Diode, diodă fotoluminiscentă, diodă fotoemisivă.

LED-urile au următorii parametrii specifici:

Curentul direct maxim IAm;

Puterea de disipație maximă Pdm;

Caracteristica spectrală sau culoarea emisă

Au următoarele proprietăți:

Emit radiații luminoase sau infraroșii;

Fiind un  convertor  de  energie  are rolul de a transforma energia în energie luminoasă ;

Culoarea luminii emise depinde de materialul utilizat pentru joncțiunea pn ;

Sunt folosite ca indicatoare optice.

 Consumul de energies scade dacă se folosesc diode electroluminiscente, iar iluminarea devine eficientă. LED-urile verzi au o eficiență redusă și nu sunt utilizate pentru producerea luminii albe, în timp ce LED

urile roșii și verzi au o eficiență record.

3.1.1 Principiu de functionare

LED-urile au banda interzisă de 1,6 – 1,7 eV fiind realizate din GaAs. Cuantele de lumină în spectrul vizibil se emit ca urmare a recombinării directe. În funcție de lungimea de undă a luminii emise acestea au culori diferite. Prin adăugarea impurităților în procesul de dopare se obțin diferite lungimi de undă. LED-urile funcționează doar la curenți de ordinal a 20 mA, când sunt polarizate direct.

Se poate observa că tensiunea directă corespunzătoare este mai mare decât cea a diodelor de

siliciu

Dioda emițătoare de lumină conține materiale semiconductoare care transformă energia electrică în lumină. Lungimea de undă depinde foarte mult de combinația materialelor semiconductoare folosite.

LED-urile pot să emită lumină galbenă, verde, albastră, roșie, chilimbariu, azurie.culorile nu necesită filter, sunt saturate deoarece lumina produsă se apropie foarte mult de o singură lungime de undă

LED-ul alb constă într-un LED albastru care este acoperit cu fosfor. Acesta convertește parțial lumina albastră în galben. Albul este rezultatul amestecului celor două culori. Schimbarea dinamică a culorilor stă la baza multor aplicații de iluminat architectural și decorativ.

LED-ul poate fi controlat electronic și se comuta instantaneu pe poziția pornit. Prin intermediul unor programe software sau hardware se obțin efectele special de iluminat.

Primele LED-uri au fost produse în 1962 însă iluminatul general a fost posibil datorită progreselor din ultimii ani. Se fac eforturi pentru obținerea unui flux luminous ridicat și a unei eficiențe sporite. Diodele electroluminiscente produc până la 150 lumeni având o eficacitate luminoasa de peste 100 lumeni/W. Comparativ cu o lampă cu halogen care produce cel mult 20 lumeni/W sau cu o lampă incandescentă care produce 10 lumeni/W LED-ul este mult mai performant. Iluminatul cu LED-uri promite foarte multe, fiind in faza de început în timp ce tehnologiile amintite mai sus sunt deja mature.

Tensiunea de deschidere (Vp) depinde foarte mult de culoarea LED-ului. LED-ul roșu are între 1 și 2 V, cel verde are cam 3V, albastru 4V. Dioda electroluminiscentă transformă o parte din energia pe care o consumă în lumină.

3.1.2 Avantajele și dezavantajele utilizării LED-urilor

Avantaje:

Durata de funcționare mare: undeva între 30-50.000 de ore. De cele mai multe ori, aparatele de iluminat cu LED nu au prevăzutăposibilitatea de înlocuire a sursei de lumină, înlocuindu-se corpul de iluminat.

Eficiența energetică: se discuta în 2011 de obținerea unor LED-uri cu o eficiență luminoasă de 185 Im/W, această valoare fiind obținută în condiții de laborator și din această cauză nu se poate compara cu o altă sursă de lumină. Eficiențe energetică este direct proportională cu temperature de culoare a LED-ului, astfel că, cu cât temperature de culoare este mai mare cu atât eficiența crește. În anul 2012 aparatele de iluminat aveau în jur de 60-70 Im/W mult mai mult decât alte mecanisme.

Protecția mediului: diodele electroluminiscente nu conțin mercur, nu sunt deșeuri periculoase.

Dinamica luminii prin:

Reglajul luminous

Dinamica culorilor la variantele RGB

Aplicații stroboscopice

Dinamica culorii de temperature

Miniaturizare: se proiectează aparate de iluminat mult mai mici datorită dimensiunilor reduse ale LED-urilor.

Dezavantaje:

Prețul: LED-urile sunt mai scumpe inițial comparative cu alte soluții însa se amortizează în timp deoarace acestea au o durată de viață mult mai mare, consumă mai puțin. Se înregistrează o continua scădere a prețului de vânzare iar calitatea lor crețte.

Dependența de temperatură: randamentul acestora depinde foarte mult de temperature mediului ambient. Randamentu scade o data cu creșterea temperaturii sis cade o data cu scăderea acesteia.

Orbirea: creșterea eficacității luminoase poate duce la orbire.

Nu se pot obține ușor soluții omnidirecționale.

Fiabilitatea driverelor: toată vina, în cazul în care LED-urile nu mai funcționează, o poartă driverele.

3.2 Fotodioda

Este construită dintr-o joncțiune pn fotosensibilă sau un contact metal semiconductor fotosensibil, utilizate doar în regim de polarizare inversă fiin un dispozitiv optoelectonic. În acest regim influența fluxului luminos asupra curentului prin dispozitiv se poate fructifica.

Transformă lumina în tensiune electrică sau în current electric în funcșie de modul de operare. Atunci când fotonii sunt absorbiți în fotodiodă se generează current. Când nu este prezentă nicio sursă de lumină se generează de asemenea o cantitate mica de curent electric. Fotocelula utilizată pentru generarea energiei folosind energia solară, este în realitate o fotodiodă dispusă pe o suprafață mai mare. Dacă suprafața este mai mare timpul de răspuns al lor este mai lent.

Acestea pot fi încapsulate cu o fereastră sau o conexiune pentru fibră optică sau pot fi expuse pentru a permite luminii să ajungă la partea fotosensibilă a dispozitivului.

Material folosite in constructia fotodiodelor:

3.2.1 Principiu de functionare

Când un foton cu o energie suficint de mare întâlnește dioda, acesta excită un electron generând astfel un electron liber (și un gol). Acest mecanism poartă denumirea de efect fotoelectric intern. Dacă absorbția are loc în zona joncțiunii, sau la o distanță egală cu o lungime de difuzie, acești purtători sunt îndepărtați sub efectul câmpului electric existent. Astfel, golurile se deplasează către anod, iar electronii către catod, și un fotocurent se formează. Curentul total prin fotodiodă este suma dintre curentul de întuneric (curentul prin aceasta în absența sau prezența luminii) și fotocurent, astfel că pentru a mări sensibilitatea dispozitivului trebuie micșorată intensitatea curentului de întuneric.[3]

Curentul prin diodă este direct proportional cu intensitatea luminii. Curentul de întuneric este curentul generat atunci când joncțiunea nu este luminată. Diode se comport ca o sursă de current si de aceea în cataloage este indicat curentul de scurtcircuit. Fotodioda, in circuit, se conectează în serie cu un reszstor, acesta limitând curentul prin fotodiodă.

Cea mai mare parte a radiației incidente pătrunde până în regiunea joncțiunii pn datorită construcției fotodiodei. O data ajunși aici aceștia sunt absorbiți si pot crea perechi electrod-gol care sunt purtători suplimentari. Capabili să producă saltul electronilor din banda de valență în cea de conductive sunt doar fotonii care au energia hv mai mare sau egală cu lărgimea Eg a benzii interzise. Capsula fotodiodei prezintă o fantă transparentă, sub forma unei ferestre sau a unei lentile, care permite pătrunderea luminii către jonctiunea pn.

În momentul în care fototranzistorul se află în modul fotovoltaic, adică este nepolarizată, circulația fotocurentului este limitată, generându-se o tensiune electrică. Efectul fotovoltaic stă la baza celulelor solare. O fotodiodă dispusă pe o suprafața mare nu este altceva decât o celulă solară. Acest effect are la bază apariția unei tensiuni electromotoare intr-o joncțiune pn, în momentul în care aceasta este iluminată. Converisa direct a energiei luminoase în energie electrică se realizează prin acest effect.

În modul fotoconductiv dioda este uneori polarizată invers. Polarizare inversă în comparție cu polarizarea directă reduce semnificativ timpul de răspuns. Deoarece crește zgomotul, lățimea joncțiunii crește și scade capacitatea sa. Se induce un curent de intensitate mica prin tensiunea inversă de polarizare.

Se induce un current de intensitate mică prin tensiunea inversă. Acest curent circulă în sensul tensiunii de polarizare, iar fotocurentul rămâne constant. Intensitatea fotocurentului este direct proporțională cu iluminarea.

Modul fotoconductiv prezintă mult mai mult zgomot electronic însă este mai rapid. Zgomotul Johnson-Nyquist al rezistenței de sarcina depășește curentul rezidual al unei fotodiode, deoarece acesta este foarte mic.

3.2.2 Caracteristici electrice

Sensibilitatea reprezintă raportul dintre fotocurentul generat si puterea luminii incidente. Unitatea de măsură a sensibilității este A/W, atunci când se folosește modul fotoconductiv. Ea mai poate fi redată și ca raportul dintre numărul purtătorilor generate și numărul fotonilor incidenți sau ca randament cuantic, fiind în acest fel o marime adimensională.

Curentul de întuneric este curentul prin fotodiodă atunci când lumina lipsește, operand tot în modul fotoconductiv. Acesta include atât curentul de saturație al joncțiunii semiconductoare cât și fotocurentul generat de radiația de fundal. Trebuie să ținem seama de acest curent în momentul calibrării atunci când se face o măsurătoare de precizie a puterii radiației luminoase. Atunci când fotodioda se utilizează în sisteme de comunicație optică, curentul de întuneric este de asemenea o sursă de zgomot.

Timpul de răspuns: fotonul absorbit de materialul semiconductor dă naștere unei perechi electron-gol, fotonul deplasându-se de asemenea prin material sub efectul câmpului electric, producându-se astfel un current electric. Durata timpului de transit sau durata finită de timp a acestui current se evaluează utilizând teorema lui Ramo. Datorită prezenței celor două tipuri de purtători, electron respective gol, sarcina generate în circuit ar trebui să fie 2e. Teorema lui Ramo arată că sarcina totală generate în circuit este de fapt e. Integrala în timp a curentului trebuie să fie e, current datorat de electron si gol. Constanta de timp este dată de capacitatea și rezistența fotodiodei, . Cu ajutorul timpului de răspuns se determină lățimea benzii disponibilă modulării semnalului, atunci când fotodioda este folosită în sisteme de comunicații optice, deci în transmisia datelor.

Puterea echivalentă zgomotului reprezintă puterea radiației luminoase incidente minima pentru generarea fotocurentului. Este agașă cu intensitatea curentului de zgomot efectiv. Este, cu alte cuvinte, puterea minima detectabilă. Caracteristica capacității de detecție este 1/NEP. Detectivitatea specifică face ca diferite sisteme să poate fi comparate fară să se țină cont de suprafața senzorului și a lățimii de bandă a sistemului. Caracteristica capacității de detective nu este un parametru cheie în specificarea calității unei diode dar se oferă în cataloage.

3.3 Fototranzistorul

Fototranzistorul este alcătuit dintr-o plăcuță semiconductoare din Ge sau Si, care conține regiuni cu conducșie de tip, n’ și de tip ,p’. Este de fapt un tranzistor bipolar, care este împachetat într-o capsulă transparentă ce permite luminii să ajungă la joncțiunea bază-colector. Joncțiunea bază-colector reprezintă, de fapt, fotojoncțiunea. Electronii generați de fotoni sunt injectași în bază, curentul de fotodiodă fiind amplificat cu factorul de câștig în curent, β.

Inventatorul fototranzitorului a fost Dr. John N. Shive, a fost creat în 1948 dar nu s-a știut de apariția lui până în anul 1950.sunt utilizați drept fotodetectoare în dispozitivele de comandă automată. Ele seamănă cu fotodiodele doar că au sensibilitatea mult mai mare datorită amplificării în curent, cu toate acestea ele nu pot detecta nivelurile mici de lumină. Dacă emitorul fototranzistorului este neconectat el se comportă ca o fotodiodă. Un alt dezavantaj al fototranzistoarelor este acela că are timpi de răspuns mai mari.

Deși tranzistorii sunt sensibili la radiația luminoasă, fototranzistorii sunt proiectați special, în sensul că acest lucru reprezintă un avantaj pentru ei. La tranzistolul NPN cu bază expusă curentul aplicat bazei este înlocuit de lumina incidentă bazei, ceea ce înseamnă că un transistor amplifică variațiile de lumină incidentă. La fototranzistori, baza cunducătoare poate să existe sau nu.

Combinațiile integrate într-un singur fragment de silicon este folosită pentru a combate defectul fotodiodelor și anume transferal uniform, fototranzistorii fiind exemple de fotodiode-amplificator. Fototranzistorul este de fapt o fotodiodă la care fotocurentul de ieșire este tranzmis bazei unui transistor de putere mica. Pentru calibrarea fotodetecșiei sau pentru deschiderea joncțiunii se folosește o conexiune a bazei. Acest lucru are loc atât timp cât nu are loc operația de fotocurent.

Caracteristici:

Costuri scăzute pentru detector în apropierea de infraroșu și în vizibil

Rapiditate a răspunsului

Există multe modele de fototranzistori: acoperite cu rășină epoxidică, turnate, sub formă integrate, ermetice, modelate prin transfer

Se utilizează cu orice sursă în infraroșu sau cu orice sursă vizibilă, cum ar fi: lasere, lumina soarelui, neoane, lămpi incandescente

3.3.1 Principiul de functionare

În stare solidă, fototranzistorii sunt fotodetectori care posedă declanșare internă. Aceștia produc semnal digital sau analogic.

Efectul de fototranzistor constă în amplificareafotocurentului cu factorul de amplificare al tranzistorului. Prin fototranzistor va trece curentul de întuneric atunci când nu există lumină, iar baza este liberă.

Icbo este fotocurentul generat de jonctiunea baza-colector la iluminarea Ev=0, iar β este factorul de amplificare al tranzistorului. Atunci când fotojoncțiunea este iluminată ia naștere un curent I’L. Dacă acest curent este amplificat cu β generează fotocurentul din tranzistor IL.

Structura unui fototranzistor                                  Simbolul si modol de conectare

                                                                      pentru un fototranzistor de tip npn

Factorul de planificare depinde neliniar de curent. Dependența dintre IL si iluminare este neliniară deoarede fotocurentul IL este funcție de factorul de planificare. Dacă se realizează creșterea factorului de amplificare dar și creșterea sensibilității fotodiodei bază-colector atunci va crește și sensibilitatea. Fototranzistorul are același raport semnal-zgomot ca al fotodiodei, pentru că Icbo este amplificat ca și fotocurentul I’L.

3.4 Senzori

3.4.1 Principiu de funcționare

3.4.2.Clasificarea si caracterizarea senzorilor

Denumirea de senzor provine din cuvântul latin sentire, cu semnificația se a simți, a percepe și a distinge prin intermediul simțurilor omenești. În ziua de azi, omul nu se sprijină doar pe propriile sale organe de simț, funcțiile sale senzoriale fiind în continuă creștere, datorită dezvoltării diferitelor tipuri de senzori destinați analizării si masurării fenomenelor.

Senzorii corespund și se substituie celor cinci simțuri omenești (vedere, auz, pipăit, miros și gust) în scopul măsurării mărimilor fizice ale unui obiect sau al detectării fenomenelor care nu se mai pot discerne prin cele cinci simțuri umane. Astfel, senzorii convertesc mărimea de măsurat aplicată la intrare într-o altă mărime, care se pretează formării semnalului de măsurare, care se va prelucra și transmite de-a lungul lanțului de măsurare.

Senzorul este un dispozitiv care sesizează un anumit fenomen fizic sau chimic, și transformă cantitatea măsurată, într-un semnal care poate fi citit de către un observator printr-un instrument sau poate fi prelucrat. Printr-un senzor informația circulă unidirecțional. [1]

Figura 3.5. Senzori [14]

Senzorul inteligent este un dispozitiv electronic cu un înalt nivel de integrare care conține senzorul fenomenului elementar, elemente de prelucrare și procesare a semnalului astfel încât să fie folosit direct de tehnica de calcul. În unele cazuri poate prelucra informații primite de la un calculator și să-și modifice anumite caracteristici sau proprietăți. [1]

Parametrii esențiali care caracterizează orice traductor sau senzor sunt mărimile de intrare și/sau semnalele de ieșire. Semnalele de ieșire trebuie transmise în majoritatea cazurilor la distanță fără fi alterate sau eronate peste anumite limite. Electronica modernă utilizează două moduri de transmitere a semnalului la distanță, unul analogic care utilizează transmiterea unui curent de linie sau unul.

Clasificarea senzorilor se face după marimea fizică sau chimică de intrare pentru a fi transformată în semnal electric. În continuare avem câteva clasificări ale senzorilor:

1) Senzori de deplasare :

-liniară, pentru deplasare sau prezență în proximitate;

-unghiulară, pentru mișcările de rotație.

2) Senzori de presiune pentru:

– gaze;

– fluide.

4) Senzori electrici:

– tensiune;

– curent.

3) Senzori de temperatură:

– temperaturi joase ( -50˚C … 140˚C)

– temperaturi medii ( -10˚C … 400˚C)

– temperaturi înalte ( +200˚C … 1500˚C)

O altă clasificare, este aceea care se referă la senzori de tip:

– activ, adică consumator de energie, ca exemplu avem radarul care masoară distanța prin emiterea de radiații electromagnetice;

– pasiv, ca exemplu avem fotorezistența cu care putem măsura intensitatea luminii.

3.4.3 Senzorul TSOP483

Senzorii utilizati de mine sunt TSOP4838.

3.5 Emițătoare infraroșu

Lumina albă care provine de la soare este de fapt alcătuită din mai multe culori diferite, lucru care se poate demonstra cu ajutorul unei prispe din sticlă. O numită parte din lumină se află în spectrul vizibil, în timp ce alte lungimi de undă, cum ar fi spectrul infraroșu sau ultraviolet, se află în partea invizibilă a spectrului. Spectrul infraroșu este spectrul care se află chiar în afara limitei de sensibilitate la roșu a ochiului omenesc.

Sistemele actuale de comunicații bazate pe unde luminoase utilizează aceatsă porțiune din spectru, respective spectrul infraroșu. Pentru această bandă de lumină o sursă foarte puternică o reprezintă razele solare, dar și lămpile incandescente standard sau lumina de la blitzul aparatelor de fotografiat.

O cantitate foarte mica de lumină infraroșie este emisă de surse de lumină create de om: lămpile flourescente, lămpile stradale de culoare galbenă sau alb cu albastru.

Un emițător IR, emițător infraroșu, reprezintă o sursă de energie luminoasă în spectrul infraroșu. Este de fapt o diodă emițătoare de lumină, un LED, utilizat pentru transmiterea de semnale infraroșii de la o telecomandă. Pentru a obține un semnal puternic și lat trebuie ca emițătorii să fie mai mulți și mai buni. Spre exemplu, o telecomandă poate fi folosită fără a o îndrepta direct spre televizor în cazul în care emițătorii ei sunt foarte puternici. Banda de frecvență depinde de asemenea de emițătoarele IR, aceasta fiind controlată.

Lumina infraroșie, generată de emițătorul infraroșu, transmite comenzi și informații de la un dispozitiv la altul. Principiul de funcționare este următorul: un dispozitiv primește semnal, după care semnalul IR trece prin emițător la un alt dispozitiv.

Există mai multe tipuri de emițătoare infraroșii. Acestea pot fi clasificate în funcție de lungimea de undă, tensiune, current, tipul de ambalare. . Cele mai frecvente dimensiuni de lungime de undă sunt 875 nm, 880 nm, 890 nm, 940 nm și 950 nm. De asemenea, transporta emitatori infrarosii cu lungime de undă de până la 940 m. Tensiunea poate varia de la 800 mV la 5 kV, valorile cele mai uzuale sunt 1.2 V, 1.5 V si 1.7 V.

3.5.1 Aplicații ale emitatoarelor IR

Emițătoarele infrarosu pot fi găsite în multe industrii. Multe procese de acoperire necesită căldură, iar căldura infraroșie poate fi ajustată pentru tipul de acoperire. Sursa radiațiilor de caldură IR este o rezistență nemetalică a semiconductorului pe bază de carbon. Astfel se produce o caldură placută , uniformă. Caldura infraroșie este folosită în sute de procese în industria automobilelor. De exemplu, căldura infraroșie asigură un covor decorativ care se potrivește cu precizie. De asemenea, multe activități de prelucrare a sticlei au nevoie de căldură și un emițător în infraroșu poate fi reglat la procesul specific.

În procesul de imprimare, de uscare a cernelii tipografice este mult mai eficient în cazul în care un emițător IR este ajustat la cerneala. O altă aplicație pentru emițătorii IR este atunci când sunt folosite cu reflectoare de cuarț pentru a face celule solare. Pe langa toate aceste aplicații, emițători IR pot fi găsite în industria materialelor plastice, produse alimentare, lemn și textile, printre altele.

Atunci cînd vrei să cumperi emițătorul IR potrivit trebuie să ți cont de următorii parametrii: lungimea de undă să fie între 830-940 nm, tensiunea între 800 mV – 5kV iar curentul de la 50uA la 1 A. Acestia sunt doar câtiva parametrii reprezentativi.

3.6 Afisaje cu cristale lichide

Sunt dispositive de afișare pentru imagini, cifre, litere și sunt construite dintr-o matrice de celule lichide. Celulele lichide iși schimbă culoarea, devin opace, dacă se aplică un current sau un camp electric. Cristalele lichide au proprietatea de a influența direcția de polarizare a luminii, atunci când se aplică o anumită tensiune electrică.

LCD-urile utilizează energia ambientală și au un consum redus de energie, neproducând ele însele lumină. Afișajul cu cristale lichide este de fapt un afișor comandat electronic printr-un decodificator de caractere numerice și alfanumerice. se folosește des la afișări de date pentru mașini, inscriății, semnalizări electronice și în construcția de ceasuri digitale.

Sunt combinații chimice de natură organică aflate în stare lichidă. Ele își ordonează moleculele astfel încât acestea trec din starea de transparență în starea de netransparență.

3.6.1 Principiu de functionare

Cristalele lichide sunt substanțe organice sau substanțe cu compoziție chimică, care au atât proprietăți caracteristice lichidelor, cristalelor cât si solidelor. Între solid și lichid există mereu faze intermediare stabile, faze în care substanțele sunt anizotrope.

 Spre deosebire de lichidele obișnuite pentru care fiecare moleculă interacționează simultan cu moleculele vecine, în urma căreia se determină o ordine la distanță mica, în cazul cristalelor lichide gradul de ordonare este mult mai avansat. Cristalele lichide mai poartă denumirea și de faze mezomorfe sau mezofaze.

Cele mai multe LCD-uri folosesc ân present un tip de cristale lichide numite “Twisted Nematic”. Figura urmatoare ne arata alinierea moleculelor:

Un LCD este alcătuit din două substraturi ce formează o sticlă plană și care conțne amestecul de cristale lichide. Suprafețele interioare ale sticlei sau ale celulei sunt acoperite cu un polimer care este șlefuit pentru alinierea moleculelor cristalului lichid. Moleculele cristalelor lichide se aliniază pe suprafață in direcția de polizare. Pentru dispozitivele cu cristale nematice rotite, cele două suprafețe sunt polizate ortogonale una pe alta, formând o răsucire de 90 de grade de la o suprafață la alta ca in figura urmatoare:

Această structură elicoidală are abilitatea de a controla lumina. Un polarizor este aplicat în partea din față a celulei si un analizor/reflector este aplicat în spatele celulei. Cănd lumina polarizată aleator trece prin polarizor aceasta devine polarizată linear. Lumina trece apoi prin sticla din față si este rotită de moleculele cristalului lichid și trece prin sticla din spate. Dacă analizorul este rotit cu 90 de grade spre polarizor , lumina va trece prin analizor și va fi reflectată inapoi prin celulă. Observatorul va vedea fundalul ecranului, care în acest caz este griul argintiu al reflectorului.

Sticla ecranul cu cristale lichide conține conductori electrici transparenți placați pe fiecare parte a sticlei în contact cu fluidul cristalelor lichide, fiind utilizați drept electrozi. Acești electrozi sunt făcuți din oxid de indiu – staniu. Când este aplicat un semnal de acționare corespunzător electrozilor de celule, un câmp electric este generat in celulă. Moleculele cristalului lichid se vor roti in direcția câmpului electric generat. Lumina polarizată linear trece prin celula neafectată și este absorbită de analizorul din spate. Observatorul vede un caracter negru pe ecranul gri, ca în figura urmatoare.

Când câmpul electric este oprit, moleculele se relaxează și revin la structura lor inițiala. Acest lucru ne dă o imagine pozitivă. Transportând această tehnologie de bază un LCD cu multipli electrozi selectabili și aplicând selective tensiuni electrozilor, o varietate de modele pot fi realizate.

3.6.2 Tipuri de afisaje LCD

Au fost produse multe LCD-uri “Twisted Nematic”. STN ( Super Twisted Nematic)care oferă un unghi de intoarcere mai mare (>=200° vs. 90°) , un contrast mai mare și un unghi mai bun de vizualizare. Cu toate acestea ele oferă și un efect negativ, cum ar fi efectul de birefringență ( insușirea unor cristale de a dubla razele de lumină ) care schimbă culoarea ecranului din galben în verde și culoarea caracterelor în albastru. Culoarea ecranului poate fi schimbată în gri folosind un filtru special.

Cea mai importanta imbunătățire a fost introducerea unui film compensatoriu, FSTN (Film Super Twist Nematic).

Aceasta adaugă un film intârziat la afișajul STN care compensează culoarea adăugată prin efectul de birefringența. Acest lucru permite producerea unui display alb-negru

Imagine pozitivă

O imagine pozitivă pe un LCD este atunci cand un pixel este “ OFF” el este transparent si un pixel este “ON” acesta este opac. În aproape toate display-urile imaginea este mai mică decât ecranul, așa că acest mod de operare este preferat într-o aplicație în care lumina ambientală este puternică, ajutând în contrastul cu ecranul, în special pentru un ecran care folosește un polarizor reflectorizant spate.

Un exemplu ar fi un caractel alfa-numeric pe un ecran mare. Segmentele sau punctele din caracter vor absorbi lumina ( apare negru) în timp ce ecranul ( zona mai mare) va reflecta lumina, intensificând caracterele.

Aici sunt mai multe moduri operaționale și moduri de vizualizare, combinații tipice și rezultatul imaginilor ( presupunand că nicio lumină din spate nu colorează fundalul):

TN: caractere negre pe un fundal gri

STN-verde:caractere violet închis / negre pe un fundal gri

STN-argintiu: caractere albastru închis pe un fundal argintiu

FSTN: caractere negre pe un fundal alb / gri

Imagine negativă

O imagine negativă pe un display LCD apare când pixelul este “OFF” imaginea este opacă, iar când pixelul este “ON” imaginea este tramsparentă. Din moment ce zona imaginii este tipic mai mică decât fundalul, porțiunea display-ului care ar putea reflecta lumina și ar definii caracterele este minimizată. Prin urmare acest mod este utilizat doar atunci când există o lumină din spate și condițiile luminii ambientale sunt medii spre întunecate ( vagi). Folosint o lumină din spate, segmentele transparente ale ecranului se vor aprinde deoarece lumina de fundal va fi vazută doar atunci când pixelii sunt porniți. O condiție ridicată a luminii ambientale ar putea spăla lumina de fundal.

Aici sunt mai multe moduri operaționale si moduri de vizualizare, combinații tipice și rezultatul imaginilor ( presupunand o lumină de fundal cu o listă de colorație specifică):

TN: caractere strălucitoare verzi-galbene pe un fundal gri deschis ( lumina de fundal verde-galbena)

STN (albastru negativ): caractere verzi-galbene strălucitoare pe un fundal albastru deschis (lumina de fundal verde-galbena)

FSTN: caractere albe strălucitoare pe un fundal negru (lumina de fundal albă)

3.6.3 Controllerul HD47780

Display-ul folosit are la bază controllerul HD47780.

Diagrama bloc a controllerului HD47780:

Hitachi HD44780 este unul din cele mai cunoscute circuite integrate existente la ora actulală pe glob, destinat modulelor de afișare cu simboluri alfanumerice formate din matrice de puncte. Dispozitivul poate afișa caractere ASCII, personaje Kana japoneze, și unele simboluri din două linii de 28 caractere. Prin utilizarea unui driver extensie, dispozitivul poate afișa până la 80 de caractere.

Aceste ecrane LCD sunt limitate la text alb-negru și sunt adesea folosite în copiatoare, faxuri, imprimante laser, echipamente de testare industriale, echipamente de rețea, cum ar fi routere și dispozitive de stocare.

Ecranele vin într-un număr mic de configurații standard. Dimensiunile comune sunt 8×1 (un rând de opt caractere), 16 × 2, 20 × 2 și 20 × 4. De dimensiuni mai mari personalizate sunt realizate cu 32, 40 și 80 de caractere și cu 1, 2, 4 sau 8 linii. Configurația mai mare cel mai frecvent fabricată este de 40 × 4 caractere, care necesită două controlere HD44780 individual adresabile cu chips-uri de expansiune. Cu un singur chip HD44780 se pot adresa doar până la 80 de caractere. O dimensiune comun mai mică este de 16 × 2.

Aspectul tipic al unui afișaj de tip matrice de  puncte cu două randuri si 16 caractere pe rând este cel din figura următoare.

Pot exista diferențe de asamblare a conectorului cu 14 pini, acesta poate fi amplasat și în stânga sau dreapta jos pe direcția normală de vizare sau pe două randuri de 8 pini pe laterala N-S a afisșjului. După vizibilitatea caracterelor se deosebesc afișaje cu vizibilitate standard de la ora 12 la ora 6 în funcție de unghiul de vizare raportat la axa ochilor, respectiv afișaje supertwist cu unghi de vizare dublu al cărui aspect rămâne neschimbat dacă se privește atât dinspre ora 6 cât și dinspre ora 12.

După modul de formare a imaginii există module transreflective care nu necesită iluminare din spate și reflective cu backlight care dispun de o sursă proprie de iluminare cu LED-uri sau folie electroluminiscentă.

După culoarea imaginii observată de ochiul subiectului sunt afișoare normale (matrice de puncte întunecate pe fond luminous) sau inverse (matrice de puncte luminoase pe fond întunecat). LCD-urile de caractere pot veni cu sau fără iluminare, care pot fi cu LED fluorescent sau electroluminescent.

Caracterele LCD-ului folosesc o interfață standard de contact, de 16, folosind de obicei ace sau carte de margine, conexiune de 0,1 inch / 2,54 mm. Cei fără iluminare pot avea numai 14 pini, omițând ultimii doi pini care pornesc lumina. Pinii de ieșire sunt după cum urmează:

Tensiunea nominală de operare pentru iluminarea de fundal este 5 V, luminozitatea maximă, cu reglarea intensității luminoase la tensiuni mai mici care depind de detalii, cum ar fi culoarea LED-urilor. Neiluminarea LED-urilor necesita de multe ori tensiuni mai mari.

Interfața HD44780 permite două moduri de operare, 8-bit si 4-bit. Folosirea modului 4-bit este mai complex dar reduce numărul de conexiuni active necesare. Modul de operare trebuie setat mereu utilizând comanda “Function Set”, acesta nu este definit la “power-up” indiferent dacă cipul este în modul de 8-bit sau 4-bit. Din acest motiv, în modul 4-bit este trimisă o comanda în două operații. Pentru activarea modului 4-bit comanda “Function Set” trebuie trimisă de trei ori. Odată ajunși în modul 4-bit, data de control și caracterul sunt transferate ca perechi de 4-bit de pe pinii de date superiori, D4-D7.

Generatorul de caractere original HD44780 ROM conține 208 caractere într-o matrice de puncte de 5×8 și 32 de caractere într-o matrice de puncte de 5×10. Cele mai recente cipuri compatibile sunt disponibile cu rezoluții mai mari, potrivite pentru ecrane cu mai mulți pixeli.

HD44780 au doi regiștrii de 8 biti: un registru de instructiune (IR) și un registru de date (DR). Registrul IR memorează codul instrucțiunii: ștergerea, afișarea sau rotirea cursorului, informația de adresă pentru afișarea datelor în Ram sau ștergerea datelor în generatorul de caractere. Acesta poate fi doar scris de către microcontroler. Registrul DR memorează temporar datele ce urmeaza să fie scrise sau citite în/din DDRAM sau registrul IR, data este citită automat în DR din DD RAM sau CG RAM prin operația internă de care aminteam. Transferul de date spre microcontroler este terminat de acesta prin citirea registrului DR. După citire, data corespunzătoare următoarei adrese este trimisă în registrul DR.

Capitolul 4 Realizarea parcării automate

4.1. Prezentarea programelor utilizate

OrCAD

Primul pas în realizarea unui dispozitiv electronic este proiectarea circuitului imprimat, iar acest lucru se face cu ajutorul unor medii de proiectare, în cazul nostru fiind programul OrCAD. Acest program a fost creat pentru a ajuta inginerii electroniști în etapele dezvoltării unui modul electronic: proiectare, simulare, realizarea schemei electrice, realizarea cablajului imprimat. OrCAD este un program din categoria Computer Aided Design(CAD) și conține mai multe blocuri software, însă cele mai importante și mai des utilizate sunt:

Capture – care este folosit pentru a desena schema electrică a unui echipament electronic.

Layout – fiind folosit pentru proiectarea cablajului unui echipament electronic.

PSpice – permite simularea modului în care funcționează o schemă electronică.

Însă în cadrul acestui proiect am folosit doar programele Capture și Layout.

OrCAD Capture oferă o interfața intuitivă și o serie de facilități care au permis utilizarea Orcad pe scară largă în industria electronică, pentru desenarea, simularea schemelor electronice și crearea documentației aferente. Programul oferă salvarea cu extensia .OPJ, care conține toate fișierele cu informații legate de proiectul respectiv: schema electrică, biblioteci utilizate sau create, fișierele generate.

Fereastra SESSION LOG se activează la deschiderea oricărui proiect și permite vizualizarea acțiunilor utilizatorului, comenzile pe care le execută acesta, precum și erorile de proiectare care apar.

OrCAD Layout oferă o soluție completă pentru proiectarea placilor de circuite imprimate, ce include proiectarea mecanică și post-procesarea în vederea fabricației, permițând gestionarea și transferul datelor în toate fazele procesului de proiectare.

Inițial se pornește de la un set complet de informații despre componentele electronice, obținute prin intermediul modulului Capture, după care se mai poate adăuga proprietăți suplimentare și constrângeri ce trebuie luate în considerare în proiectarea plăcilor cu circuite imprimate.

Structura ferestrei de proiectare permite prin meniu și taskbar-uri accesul rapid la comenzile existente. Straturile de lucru sunt individuale și specifice unei anumite informații electrice sau tehnice, fiecare strat putând fi vizualizat la orice moment. De asemenea există posibilitatea de a accesa și modifica baza de date care cuprinde informații despre straturile ce se vor utiliza în proiectare, capsulele componentelor, trasee, dimensiunea găurilor. [19]

Plasarea traseelor de circuit imprimat pe placa PCB și direcționarea acestora astfel încât să respecte anumite cerințe și să nu afecteze buna funcționare a circuitului, se numește rutare. De asemenea ea trebuie să aibă un aspect estetic profesional.

Fișierul generat are extensia .MAX, iar în funcție de anumite tehnologii de proiectare setate implicit sau de către utilizator, se pot face verificări pentru a respecta regulile de realizare a cablajului imprimat, prin semnalarea pe placă a erorilor existente.