SPECIALIZAREA: APLICATII AVANSATE IN INGINERIA ELECTRICĂ [305722]

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

SPECIALIZAREA: APLICATII AVANSATE IN INGINERIA ELECTRICĂ

LUCRARE DE DISERTATIE

Coordonator stiințific:

Prof.univ.dr.ing. Laurean BOGDAN

Masterand: [anonimizat] 2018

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

SPECIALIZAREA: APLICATII AVANSATE IN INGINERIA ELECTRICĂ

LUCRARE DE DISERTATIE

Alimentarea wireless a unui consumator

Coordonator stiințific:

Prof.univ.dr.ing. Laurean BOGDAN

Masterand: [anonimizat] 2018

CAPITOLUL 1

INRODUCERE

Transmiterea energiei wireless a reaprins interesul lumii în anul 2007, când cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology au reușit să aprindă un bec de 60 W de la o sursa de energie aflata la 2 [anonimizat]. In 1905, [anonimizat] “Viitorul va fi al meu” si avea dreptate. Acum, [anonimizat], [anonimizat], folosim o telecomandă sau conducem o [anonimizat]. De aceea Nikola Tesla este considerat inventatorul secoului XX.

Prezenta lucrare descrie un sistem de comanda de la distanta a unui consumator a carei energie necesare iluminarii estre transmisa wireless. Pentru realizarea acestui obiectiv ne propunem utilizarea unui modul Bluetooth care comunica cu un telefon mobil dand comanda unui releu aprinderea sau stingerea iluminarii consumatorului. [anonimizat].

Figura 1. Comanda de la distanta a [anonimizat], stare in care se afla consumatorul. [anonimizat], [anonimizat] a becului. Corpul va fi menținut în aer datorită câmpului magnetic generat de un electromagnet care este necesar să fie egal cu forța gravitațională care acționează asupra corpului astfel încât acesta să fie în echilibru.

[anonimizat] a [anonimizat].

[anonimizat]. În funcție de valoarea tensiunii măsurată de acest senzor se va modifica cu ajutorul placii de dezvoltare Arduino Uno tensiunea de alimentare a electromagnetului. Placa Arduino va genera un semnal de tip PWM cu un factor de umplere potrivit. Astfel, [anonimizat] a electromagnetului.

[anonimizat]:

Realizarea unui studiu asupra Proiectului propriu de Diploma „Sistem pentru studiul levitației magnetice” prezentat in anul 2016.

Implementarea unui sistem pentru aprinderea/stingerea de la distanta a becului folosit in sustentatia magnetica

Lucrarea prezentă este alcătuită din cinci capitole în care voi studia principiile care stau la baza realizarii obiectivelor anterioare.

Primul capitol, introducerea, reprezintă rezumatul lucrării, introducerea în tema aleasă.

Al doilea capitol, alimentarea prin inductie, este necesar pentru a înțelege funcționarea unui sistem care utilizează acest fenomen. În acest capitol voi descrie noțiunile fundamentale pe care le voi utiliza în următoarele capitole.

Al treilea capitol, proiectarea unui stand pentru comanda de la distanta a unui consumator wireless care se afla in levitatie magnetica, are ca scop descrierea temei alese, a fiecărei componente utilizate și finalizarea acestei lucrări într-o parte experimentală.

În cel de-al patrulea capitol, aplicații și experimente, voi prezenta utilitatea acestui sistem și experimentele realizate pe parcurcul lucrării.

Scopul ultimului capitol, concluzii finale și contribuții, este de a exprima concluziile realizate în urma efectuării lucrării și de a puncta contribuțiile studentului.

CAPITOLUL 2

ALIMENTAREA PRIN INDUCȚIE

2.1. Inductoarele electromagnetice

La miscarea electroniilor printr-un conductor se dezvolta in jurul acestuia un câmp magnetic. Acest fenomen este definit ca si camp electromagnetic.
Inductorii sunt elemente realizate pentru a profita de acest fenomen prin modelarea conductorului sub formă de bobină deoarece această formă creează un câmp magnetic mai puternic decât cel ce ar fi produs de o sârmă dreaptă. [2]

Tipul de material pe care firul este înfășurat în jurul acestuia (miezul bobinei) influențează puternic forța fluxului de câmp magnetic și, prin urmare, cantitatea de energie stocată generată pentru o anumită cantitate de curent prin bobină. Miezurile de bobine fabricate din materiale feromagnetice (cum ar fi fierul moale) vor genera fluxuri de câmp mai puternice decât materialele nonmagnetice cum ar fi aluminiul sau aerul. [9]

Figura 2.1. Inductor toroidal (https://www.indiamart.com/proddetail/toroidal-core-inductor-14189561648.html)

Deoarece inductorii stochează energia cinetică a electronilor în mișcare sub forma unui câmp magnetic, comportamentul acestora difera destul de mult de cel al rezistențelor (care disipă energia sub formă de căldură) într-un circuit. [6]

Când curentul printr-un inductor este mărit (functionare asemanatoare cu o sarcina) sau micșorat (functionare asemeni unei surse), inductorul se opune acestei schimbări prin producerea unei tensiuni între conductorii săi în opoziție cu polaritatea la schimbare. Pentru a stoca mai multă energie într-un inductor, curentul prin el trebuie să fie mărit.

Măsura capacității unui inductor de a stoca energia pentru o anumită cantitate de curent se numeste inductanță (L) și este măsurată în unitatea lui Henry, abreviată ca "H." [1]

Figura 2.2. Inductor electromagnetic (https://www.electronics-tutorials.ws/inductor/inductor.html)

P Principiile electromagnetice de inducție sunt regasite în multe dispozitive și sisteme, dintre care:

Generatoare electrice

Motoare de inducție

Încărcari inductive

Contoare magnetice

Stimulare magnetică transcranială

Transformatoare

Transfer de energie fără fir

2.1.1 Transformatorul electric

De exemplu, la baza funcționării transformatorului electric stă fenomenul inducției electromagnetice; din acest motiv este necesară obținerea câmpurilor magnetice intense cu ajutorul miezurilor din fier, pe care se află înfășurările electrice realizate din conductoare de cupru, aluminiu sau aliaje. [7]

In transformator energia electrică din primar se transformă în energie magnetică în miezul transformatorului, iar apoi aceasta se transformă din nou în energie electrică în secundar.

Figura 2.3. Transformator electric (http://www.scritub.com/stiinta/fizica/Transformatorul-Electric33696.php)

In figura urmatoare sunt prezentate principalele elemente constructive ale transformatorului electric :

miezul de fier (reprezintă circuitul magnetic al transformatorului prin care se închid cu ușurință liniile câmpului magnetic produs de curenții electrici alternativi care străbat înfășurările).

înfășurările

carcasa

rezervorul de ulei

releul de gaze

izolatorii de trecere; [8] și sisteme,

Figura 2.4. Elementele constructive ale unui transformator monofazat (https://ro.wikipedia.org/wiki/Transformator)

2.1.2. Autotransformatorul

Un alt exemplu este autotransformatorul care este un transformator electric cu o singură înfășurare și cu trei borne, două externe pentru tensiunea înaltă și una intermediară, care, împreună cu câte una din cele externe, constituie bornele pentru tensiunea joasă. Autotransformatoarele au avantajele ca adesea sunt mai mici, mai usoare si mai ieftine, au reactanță mai scăzută a scurgerilor, pierderi mai mici, curenți de excitație mai scăzuti și valori VA crescute pentru o anumită dimensiune și masă. Dezavantajul major este acela a lipsei izolarii electrice intre circuitele primare si cele secundare. [7]

Figura 2.5. Autotransformatorul (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Autotransformator_schemat.svg)

Ca și în cazul unui transformator cu două înfășurări, raportul dintre tensiunile secundare și cele primare este egal cu raportul dintre numărul de rotații ale înfășurării la care se conectează. De exemplu, conectarea sarcinii între mijlocul și partea inferioară a autotransformatorului va reduce tensiunea cu 50%. [8]

Ransformatorhttps://ro.wikipedia.org/wiki/

2.2. Tehnica wireless

Transferul wireless de energie (WPT), reprezintă transmiterea energiei electrice fără fire nefiind necesara o legătură fizică. Într-un astfel de sistem, un dispozitiv transmitator, alimentat la o sursă de energie electrică, cum ar fi o rețea de alimentare cu energie electrică, generează un câmp electromagnetic care variază în timp, capabil să transporte putere în spațiu către un dispozitiv receptor, care extrage energia din acest câmp și îl furnizează la o sarcină electrică.

Transferul de energie wireless este util pentru alimentarea dispozitivelor electrice în care firele de interconectare sunt incomode, periculoase sau nu sunt posibile. Figura urmatoare ilustreaza alimentarea wireless a unui vehicul electric.

Figura 2.6. Alimentarea wireless a unui vehicul electric

Metodele de alimentare cu energie electrică se clasifica în două categorii:

fara radiatii

cu ajutorul radiatiilor.

În prima categorie se incadreaza sistemele in care puterea este transferată pe distanțe scurte de câmpuri magnetice folosind cuplaj inductiv între bobine de sârmă sau prin câmpuri electrice folosind cuplaj capacitiv între electrozii metalici.

În cea de-a doua categorie, in tehnicile de câmp sau radiații, denumite și puteri strălucitoare, puterea este transferată prin raze de radiație electromagnetică, cum ar fi microundele sau fasciculele laser. Aceste tehnici pot transporta energia pe distanțe mai mari, dar trebuie să vizeze receptorul.

Tehnologiile de transmitere a energiei fara fir, enumerate în tabelul de mai jos diferă în ceea ce privește distanța pe care o pot transfera eficient, de tipul de energie electromagnetică pe care o utilizează (câmpuri electrice cu timp variabil, câmpuri magnetice, unde radio, microunde, unde de lumină infraroșie sau lumină vizibilă).

Tabel 2.1 Metode de transmitere a energiei wireless

La transmițător, puterea de intrare este transformată într-un câmp electromagnetic oscilant de dispozitivul cu rol de "antenă" (poate fi o bobină de sârmă care generează un câmp magnetic, o placă metalică care generează un câmp electric, o antenă care emite unde radio sau un laser care generează lumină). O antenă similară sau un dispozitiv de cuplare la receptor transformă câmpurile oscilante într-un curent electric.

Un parametru important este frecvența, care determină lungimea de undă.

2.2.1 Cuplajul inductiv

Cuplajul inductiv este cea mai utilizată tehnologie wireless; aplicațiile sale includ încărcarea dispozitivelor portabile cum ar fi telefoanele și periuțele de dinți electrice, etichetele RFID și încărcarea fără fir sau transferul de energie fără fir în dispozitivele medicale implantabile, cum ar fi stimulatoarele cardiace artificiale sau pentru vehiculele electrice.

Figura 2.7. Cuplaj inductiv (https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer#/media/File:Wireless_power_system_-_inductive_coupling.svg)

2.2.2. Cuplajul inductiv rezonant

Rezonanța magnetică este o formă de cuplare inductivă în care puterea este transferată prin câmpuri magnetice între două circuite rezonante, unul în emițător și unul în receptor. Fiecare circuit rezonant constă dintr-o bobină de sârmă conectată la un condensator. Cele două sunt reglate să rezoneze la aceeași frecvență rezonantă. Rezonanța dintre bobine poate crește considerabil cuplajul și transferul de putere. Prin folosirea resonanței, aceeași cantitate de energie poate fi transferată la distanțe mai mari. [19]

Figura 2.8. Sistem inductiv rezonant (https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer)

Un alt avantaj este acela că circuitele rezonante interacționează mai puternic una cu cealaltă decât cu obiectele nerezonante, că pierderile de putere datorate absorbției în obiectele apropiate din apropiere sunt neglijabile.

Tehnologia rezonantă este în prezent încorporată pe scară largă în sistemele moderne de putere fără fir inductive. Una dintre posibilitățile pe care le presupune această tehnologie este acoperirea fără fir a zonei de putere. O bobină în perete sau în tavanul unei încăperi ar putea fi capabilă să lanseze energie fără fir pentru iluminarea incaperii și incarcarea dispozitivelor mobile oriunde în cameră, cu o eficiență rezonabilă. Un avantaj ecologic și economic al alimentării fără fir a dispozitivelor mici, cum ar fi ceasurile, radiourile, playerele și telecomenzilor, ar putea reduce drastic cele 6 miliarde de baterii eliminate anual, o mare sursă de deșeuri toxice și de contaminare a apelor subterane.

2.2.3. Cuplajul capacitiv

În cuplajul capacitiv (inducția electrostatică), energia este transmisă prin câmpuri electrice între electrozi, cum ar fi plăcile metalice. O tensiune alternativă generată de transmițător este aplicată pe placa de transmisie, iar câmpul electric oscilant induce un potențial alternativ pe placa de recepție prin inducție electrostatică, care determină aparitia curentului alternativ în circuitul de sarcină. Cantitatea de putere transferată crește cu frecvența, pătratul tensiunii și capacitatea dintre plăci, care este proporțională cu aria plăcii (pentru distanțe scurte) și invers proporțională cu separarea.

Au fost utilizate două tipuri de circuite:

Circuitul bipolar:

În acest tip de circuit există două plăci de transmițător și două plăci de recepție. Fiecare placă de transmițător este cuplată la o placă de recepție. Oscilatorul transmițătorului acționează plăcile emițătorului în faza opusă (diferență de fază de 180 °) printr-o tensiune alternantă ridicată, iar sarcina este conectată între cele două plăci de recepție. Câmpurile electrice alternante induc potențiale alternante de fază opusă în plăcile receptoare, iar această acțiune "push-pull" determină curgerea curentului înainte și înapoi între plăci prin sarcină. Un dezavantaj al acestei configurații pentru încărcarea fără fir este faptul că cele două plăci din dispozitivul de recepție trebuie aliniate față în față cu plăcile încărcătorului pentru ca dispozitivul să funcționeze.

Figura 2.9. Circuit bipolar (https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer)

Circuitul unipolar:

În acest tip de circuit, transmițătorul și receptorul au doar un electrod activ și fie solul, fie un electrod pasiv care servesc drept cale de întoarcere a curentului. Oscilatorul emițătorului este conectat între un electrod activ și un pasiv. De asemenea, sarcina este conectată între un electrod activ și un pasiv. Câmpul electric produs de transmițător induce deplasarea alternativă a sarcinii în dipolul de sarcină prin inducție electrostatică.

Figura 2.10. Circuit unipolar (https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer)

2.2.4. Avantajele energiei wireless

Există câteva avantaje importante ale transferului de energie wireless:

Puterea wireless vă permite să sigilați complet dispozitivul.

Lipsa necesitatii unui port de alimentare

Pentru dispozitivele mobile nu mai este necesar cablul de alimentare al acestuia

Un alt avantaj cheie al puterii wireless este gama de putere extrem de extinsă pe care o oferă. Nu mai este doar o soluție cu putere redusă, puterea wireless oferă o multitudine de aplicații din lumea reală.

Nivelul de eficiență este astfel foarte ridicat

Creșterea duratei de viață a produsului. Prin eliminarea limitărilor fizice ale conectorilor (cum ar fi ciclurile de împerechere, coroziunea pe punctele de contact și altele)

Puterea wireless oferă un produs mai robust pentru proiectarea producătorilor. [20]

2.2.5. WiFi vs Bluetooth

Tehnologiile Bluetooth și Wi-Fi sunt ambele standarde pentru comunicații fără fir, dar diferența dintre cele două se refera la proiectarea acestora si utilizarea lor in diferite aplicatii.
Principala diferență este că Bluetooth este utilizat în principal pentru conectarea dispozitivelor fără a utiliza cabluri, în timp ce Wi-Fi oferă acces la internet de mare viteză.

Tehnologia Bluetooth este utilă atunci când se transfera informații între două sau mai multe dispozitive care sunt aproape una de cealaltă, când viteza nu este o problemă, cum ar fi telefoanele, imprimantele, modemurile și căștile. Este cel mai potrivit pentru aplicațiile cu lățime de bandă redusă, cum ar fi transferul de date de sunet cu telefoane (adică cu setul cu cască Bluetooth) sau date octet cu computere portabile (transfer de fișiere) sau tastaturi și si dispozitive periferice. Bluetooth, prin urmare, se comporta ca un cablu între cele două dispozitive, prin crearea unei rețele securizate personale fără fir în care aceste dispozitive pot comunica. [21]

Wi-Fi este mai potrivit pentru operarea de rețele la scară largă, deoarece permite o conexiune mai rapidă și o securitate mai bună a rețelei wireless decât Bluetooth.

Wi-Fi are unele aplicații similare cu Bluetooth, cum ar fi configurarea unei rețele sau imprimarea și transferarea fișierelor. Este, de asemenea, un standard fără fir, dar în loc să fie proiectat să comunice între dispozitive, servește la conectarea wireless a dispozitivelor la internet sau la rețelele Ethernet, cum ar fi o rețea locală corporativă (LAN). Gama sa este destul de mult mai mare decât intervalul foarte scurt în care comunică dispozitivele Bluetooth, deoarece un semnal Wi-Fi poate fi accesat la o distanță de până la 300 de metri distanță. [22]

In tabelul urmator sunt prezentate diferentele majore intre comunicatia WiFi si cea Bluetooth:

Tabel 2.2 Comparatie dintre WiFi si Bluetooth

2.2.6. Tehnologia Bluetooth

Bluetooth este un standard pentru tehnologia fără fir, pentru schimbul de date pe distanțe scurte (folosind undele radio cu lungime de undă scurtă în banda de la 2,4 la 2,485 GHz) de la dispozitivele fixe și mobile și construirea rețelelor personale.

Inventat de inginerul electric olandez Jaap Haartsen, care lucra pentru vânzătorul de telecomunicații Ericsson în 1994, a fost inițial conceput ca o alternativă wireless la cablurile de date RS-232. [23]

Bluetooth divizează datele transmise în pachete și transmite fiecare pachet pe unul din cele 79 de canale Bluetooth desemnate. Fiecare canal are o lățime de bandă de 1 MHz. Bluetooth Low Energy utilizează o distanță de 2 MHz, care poate găzdui 40 de canale. [24]

Bluetooth este un protocol bazat pe pachete, cu o arhitectură master / slave. Un master poate comunica cu până la șapte slavi într-un piconet (o rețea de calculatoare ad-hoc care utilizează tehnologia Bluetooth). Un dispozitiv master poate comunica cu maxim șapte dispozitive într-o rețea piconet, deși nu toate dispozitivele ating acest maxim. Dispozitivele pot schimba rolurile, de comun acord, iar slavul poate deveni master (de exemplu, un set de casti care inițiază o conexiune la un telefon începe în mod necesar ca inițiator al conexiunii – dar poate funcționa ulterior ca slave). [25]

In tabelul urmator sunt prezentate principalele clase ale dispozitivului Bluetooth:

Tabel 2.3 Clasificare Bluetooth

Microcontrolere

Un controler, la modul general, este o structură electronică destinată controlului unui proces fără intervenția operatorului uman. Initial, controlere au fost realizate cu ajutorul tehnologiilor pur analogice, asadar, se foloseau numai componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (exemplu: relee). Controlerele mai performante, au fost realizate pe baza logicii cablate și a electronicii analogice complexe, astfel acestea aveau dimensiuni mai mari, consum mai mare de energie și fiabilitate scazuta.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Astfel, in prezent există o serie de de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general. Pe măsură ce procesul de miniaturizare a continuat, a fost posibil ca majoritatea

componentelor necesare realizării unei astfel de structuri să fie încorporate (integrate) la

nivelul unui singur microcircuit (cip).

Un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU), o memorie si resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior. [14]

Figura 2.11. ilustrează componentele unui microcontroler: unitatea centrală de procesare (microprocesorul), memoria, intrările, ieșirile, generatorul de tact și programul (soft-ul).

Figura 2.11. Arhitectura unui microcontroler (http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii_ser2/Mecatronica%20I/Lica%20Ionel%20Ovidiu-Microcontrolere.%20Microcontrolerul%20PIC%2016F84/img1.jpg)

Microprocesorul

Microprocesorul (CPU – central processing unit) este elementul central al structurii, responsabil cu aducerea din memorie, decodificarea și execuția instrucțiunilor mașină, codificate binar. [10]

Dispune de o memorie proprie, foarte mică și foarte rapidă (32 regiștri, 64 de uz general) și este caracterizat de viteză mare de procesare.

Execută operații aritmetice (adunări, scăderi, înmulțiri, împărțiri, deplasări), operații logice (sau, și, negare), teste de comparație, salturi condiționate, comandă citirea/scrierea din/în memorie sau porturi de intrare-iesire. [4]

Ceasul procesorului este realizat dintr-un circuit electronic ce conține un cristal de cuarț cu rolul de a genera impulsuri la intervale regulate rezultându-se astfel tactul de lucru al procesorului.

Bus-ul (magistrală) interconectează CPU cu memoria și dispozitivele periferice. Este formată dintr-o mulțime de fire paralele prin care sunt transmise adrese, date, semnale de comandă și control, stări ale memoriei sau ale perifericelor. [11]

Memoria

Memoria internă realizează stocarea programelor și datelor necesare acestora, de capacitate mai mare decât regiștrii procesorului dar mai lentă decât aceștia. Unitatea de măsură elementară a memoriei este bitul (Binary Digit), însemnând probabilitatea unui element cu două stări să ia una dintre ele. [4]

Memoria poate fi văzută într-o primă abordare ca o stivă de locații binare (cuvinte), fiecare cuvânt fiind caracterizat de o adresă binară unică. [10]

Din punct de vedere tehnologic se cunosc următoarele tipuri de memorii:

ROM (Read Only Memory) este o memorie folosită doar în citire (scrierea se face o singură dată în momentul fabricării), nevolatilă, în care informația se păstrează și după întreruperea alimentării. Circuitele ROM sunt circuite combinaționale, celula de memorie fiind un tranzistor, amplasat la intersecția unei linii și a unei coloane, din matricea de memorie.

PROM (Programmable ROM) poate fi programat de către cel care o produce sau de către utilizator la prima folosire a dispozitivului.

UVEPROM (Ultraviolet Erasable PROM) sunt memorii identice cu cele PROM cu deosebirea că oferă posibilitatea de ștergere și reprogramare prin expunerea la raze ultraviolete.

EEPROM (Electrical Erasable PROM) sunt memorii identice cu cele UVEPROM cu deosebirea că ștergerea se face prin aplicarea unor semnale electrice speciale de având tensiunea ridicată (30V).

FLASH ROM este o memorie de tip EEPROM care poate fi ștearsă sau programată în timpul funcționării în circuit. Odată programat conținutul rămâne nemodificat chiar și după eventuale anomalii datorate căderii tensiunii de alimentare. [13]

RAM (Random Access Memory) este o memorie ce are un caracter dinamic volatil, poate fi scrisă sau citită, informația pierzându-se la oprirea alimentării.

SRAM (Static RAM) este o memorie deosebit de rapidă, mai fiabilă dar mai scumpă per unitate de octet memorat. Folosește tranzistorii pentru memorarea biților de informație (între 4 și 6 tranzistori per bit).

DRAM (Dynamic RAM) este o memorie lentă, ieftină per unitate de octet memorat dar care necesită regenerare deoarece celula de memorie este un condensator care se descarcă în timp. [12]

În memorie va fi încărcat, prin intermediul softului de programare, codul scris astfel încât să deservească o serie de necesități.

Dispozitivele periferice

Prin dispozitivele periferice se realizează comunicația între microcontroler și mediul înconjurător. Dispozitivele periferice se împart în:

Dispozitive de intrare: buton, senzor de temperatură, mouse, senzor de turație, senzor de umiditate, sensor, cameră de luat vederi, dispozitive biometrice.

Dispozitive de ieșire: semnale digitale, semnale analogice, semnale PWM.

De regulă semnalele înregistrate de senzori sunt citite cu ajutorul convertoarelor analog-numerice deoarece senzorii furnizează ca și semnal de ieșire o tensiune, care trebuie ulterior transformată într-un cod binar. [4]

Platforma Arduino

Pentru comanda sistemul pe care îl voi realiza am ales să folosesc o plăcută Arduino care reprezintă o soluție simplă de utilizat a unei platforme cu microcontroler fiind capabilă de a prelua date din mediul extern prin intermediul unor senzori și de a realiza acțiuni asupra mediului prin intermediul motoarelor, servomotoarelor, motoarelor pas cu pas, actuatoarelor, luminilor, etc. Arduino este realizată  dintr-o platformă de procesare open-source cu software-ul și hardware-ul flexibile și simple de folosit. [18]

Arduino este o platformă de mici dimensiuni (6,8 cm – 5,3 cm) construită în jurul unui procesor de semnal dotat cu un mediu simplu de dezvoltare integrat (IDE), care rulezeza cod scris într-un limbaj de programare asemănător cu limbajul C++. De aceea a fost proiectată pentru studenți, începători, pentru a putea oferi un mod ieftin și foarte ușor de interacțiune cu mediul. [16]

Figura 2.12. Arduino UNO (http://tekntools.com/wp-content/uploads/2015/01/arduino-.jpg)

Hardware-ul este proiectat în jurul unui microcontroler Atmel AVR de 8 biți sau Atmel ARM de 32 biți. Modelele actuale sunt dotate cu 6 pini de intrare analogice, 14 ace de intrare – ieșire digitali, permițând utilizatorului să atașeze mai multe plăci de extensie și cu o interfață USB.

Pe platformă avem posibilitatea de a adăuga senzori ce determină nivelul de alcool în aerul respirat, senzor de incediu, de monoxid de carbon, temperatură, sunet, nivel de iluminare, umiditate, accelerații ale dispozitivelor în mișcare, curent consumat de diverse dispozitive.

În zona mecanică, există motoare pas cu pas, sau servomotoare, motoare de curent continuu (utilizate pentru robotică), controlate foarte exact cu această platformă. Pentru afișarea informațiilor preluate, există posibilitatea de a atașa ecrane LCD pentru Arduino, începând cu cele de 16 caractere până la ecran LCD grafice. [17]

Instalarea mediului de dezvoltare se realizează într-un timp foarte scurt fiind necesar doar un port USB liber în calculatorul personal.

Tabel 2.1. Specificații Arduino Uno

Senzori și traductoare

Efectul Hall a fost observat în anul 1879 de către fizicianul american Edwin Herbert Hall. Acesta a observat că dacă un semiconductor parcurs de curent electric este plasat sub acțiunea unui câmp magnetic, apare o tensiune electrică (tensiune Hall) care este direct proporțională cu curentul electric și perpendiculară pe direcția curentului electric și a câmpului magnetic. Această tensiune de ieșire poate fi destul de mică, doar câțiva microvolți, chiar și atunci când este supusă unor câmpuri magnetice puternice. [5]

Figura 2.13. Efectul Hall (http://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetism/mag26.gif)

Curentul electric ce străbate materialul semiconductor este influențat de câmpul magnetic. Liniile de flux magnetic exercită o forță asupra electronilor (numita forță Lorenz) și datorită acestei forțe, electronii sunt deviați către o extremitate a semiconductorului, în funcție de intensitatea și direcția liniilor de câmp.

Senzorii cu efect Hall sunt răspândiți deoarece sunt ieftini, fiabili, stabili la perturbații. De aceea, în domeniul automotive sunt utilizați ca senzori de turație motor, senzori de poziție la arborele cu came, senzori de viteză roată (ABS), inițierea scânteia bujiei în funcție de poziția rotorului distribuitorului. De asemenea, efectul Hall poate fi folosit ca traductor Hall pentru măsurarea câmpurilor magnetice. Atunci când mărimea de măsurat este o mărime neelectrică între obiectul de măsurat și aparatul de măsură se interpune un dispozitiv cu rolul de a-l converti într-o mărime electrică X (ex: o tensiune). Traductorul este un astfel de dispozitiv. [5]

Figura 2.14. Senzor Hall (http://f06f082c34bad829490079fc27b44cb9.proxysheep.com/F4U/SFHS/GJQE9FFC/F4USFHSGJQE9FFC.MEDIUM.jpg)

În funcție de semnalul de ieșire senzorii cu efect Hall se împart în senzori cu ieșiri analogice și senzori cu ieșiri digitale. Semnalul de ieșire pentru senzorii liniari este luat direct de la ieșirea amplificatorului operațional și tensiunea de ieșire este o tensiune continuă care crește cu un câmp magnetic puternic și scade cu un câmp magnetic slab. Senzorii Hall digitali produc un semnal de ieșire cu două valori, de exemplu 0V și +5V. [15]

Senzorii Hall digitali se împart la rândul lor în senzori bipolari și unipolari. Senzorii bipolari necesită un câmp magnetic pozitiv (polul sud) pentru a le acționa și un câmp negativ (polul nord) pentru a le elibera, în timp ce senzorii unipolari necesită un singur câmp magnetic pozitiv atât pentru a le acționa, cât și pentru a le elibera.

Releul

Releul este un dispozitiv electromecanic care transformă un semnal electric intr-o mișcare mecanică care produce anumite modificări (cum ar fi inchiderea și deschiderea unui circuit) pe baza unui parametru care variază (precum tensiunea electrică aplicată), permițând controlarea unui curent de intensitate mare cu ajutorul unui curent de intensitate mică.

El este alcătuit dintr-o bobină din conductori izolați infășurați pe un nucleu metalic și o armătură metalică, cu unul sau mai multe contacte. In momentul in care o tensiune de alimentare este aplicată la bornele unei bobine, curentul circulă și va fi produs un camp magnetic care mișcă armătura pentru a inchide un set de contacte și/sau pentru a deschide un alt set.

Concluzii

Pentru a realiza un sistem de transmitere a energie wireless cât mai sigur, electromagnetul si bobina transmitatoare de enegie nu trebuie să se influențeze reciproc. Asadar cele două bobine vor fi poziționate perpendicular față de electromagnet.

Această așezare va aduce un inconvenient sistemului deoarece atunci când becul este suspendat in aer se va învarti ușor astfel încât va ajunge perpendicular față de bobina primară (cea din suport), moment în care becul se stinge până când va trece de această poziție de perpendicularitate.

Acest dezavantaj ne va influenta confirmarea functionarii sistemului de aprindere/stingere a becului cu ajutorul unui modul Bluetooth si a unui telefon mobil. De aceea, trebuie sa ne asiguram ca inaintea actionarii sistemului prin telefon, bobina receptoare a energiei wireless sa nu fie perpendiculara pe bobina transmitatoare.

CAPITOLUL 3

PROIECTAREA UNUI STAND PENTRU COMANDA DE LA DISTANTA A UNUI CONSUMATOR ALIMENTAT WIRELESS AFLAT IN STAREA DE LEVITATIE

Această lucrare are ca scop punerea în evidență a urmatoarelor principii, cel al inducției electromagnetice, cel al transferului de energie wireless si cel al comenzii de la distanta a unui consumator wireless. Pentru aceasta mi-am propus realizarea unui stand pentru comanda de la distanta printr-un modul Bluetooth a unui consumator LED alimentat prin transfer de energie wireless necesară iluminării acestuia cat si realizarea unui studiu pentru levitatie magnetica. Pentru a verifica functionarea partii de levitatie magnetica am realizat următorul sistem care arăta astfel:

Figura 3.1. Varianta inițială

Varianta finală a standului este expusă în următoare imagine:

Figura 3.2. Varianta finală

3.1. Proiectarea structurilor mecanice

3.1.1. Realizarea sistemului pentru starea de levitatie magnetica

Pentru a realiza sistemul pentru starea de levitatie magnetica in care se afla consumatorul am avut nevoie de o sursă de alimentare, un electromagnet format dintr-o bobină și un șurub care constituie miezul feromagnetic al acestuia, corpul de levitat în care sunt introduși magneți permanenți de neodim și partea electronică a sistemului.

În figura următoare sunt exprimate elementele principale necesare proiectului:

Figura 3.3. Componentele sistemului pentru levitatia magnetica

Primul element al sistemului este sursa în comutație care este alimentată la 230V și are capabilitatea de a genera la ieșire o tensiune de 12V pentru alimentarea electromagnetului, a modulul wifi și o tensiune de 5V pentru alimentarea celorlalte componente cum ar fi platforma Arduino, senzorul Hall.

Sursa împreună cu circuitul electronic al lucrării (plăcuța Arduino Uno și placa realizată manual) sunt așezate în partea inferioară a standului, pe o placă de material.

În figura care urmează este prezentată poziționarea sursei de alimentare și a circuitului electronic:

Figura 3.4. Așezarea sursei

Electromagnetul este poziționat în partea superioară a standului fiind așezat pe o placă de material din care este realizat suportul standului.

În figura următoare este ilustrată așezarea acestuia iar sub placa pe care stă electromagnetul este reprezentat corpul care va levita, respectiv consumatorul. Acesta este elementul principal al lucrării deoarece este elementul central pentru celelalte fenomene: transmiterea energiei prin transfer wireless pentru iluminarea becului si comanda de la distanta a acestuia.

Figura 3.5. Poziționarea electromagnetului

3.1.2. Realizarea sistemului pentru transmiterea energiei wireless

Pentru realizarea acestui sistem este nevoie de două circuite diferite: un circuit care transmite energia electrică și celălalt care recepționează această energie.

Primul circuit este așezat pe placa din spate a standului la o distanță de 12 cm de electromagnet iar cel de-al doilea este introdus în consumator. Figura următoarea descrie poziționarea primului circuit și a întregului stand văzut din spate:

Figura 3.6. Așezarea modulului wifi

3.1.3. Realizarea sistemului pentru comanda de la distanta

In Lucrarea de Diploma prezentata in anul 2016 componentele nespecificate anterior erau întrerupătoarele care alcătuiau comanda sistemului. In acel moment, am folosit două întrerupătoare: unul alimenta întregul sistem iar celălalt alimenta modulul wifi. Acestea sunt așezate pe o placă din partea frontala a standului.

Schimbarea adusa in Proiectul de Dizertatie prezentat in acest an este implementarea unui sistem pentru comanda de la distanta a consumatorului alimentat cu energie wireless care sa inlocuiasca actionarea manuala a intrerupatorului care comanda acestui consumator.

Figura 3.7 Sistem pentru comanda de la distanta a consumatorului

Pentru realizarea acestui sistem vom avea nevoie de urmatoarele componente: o placa de dezvoltare Arduino Uno, un modul Bluetooth, un modul cu releu si un telefon mobil. In figura urmatoare este prezentata schema bloc a acestui sistem pentru comanda de la distanta a consumatorului.

Figura 3.8. Sistemul de comanda de la distanta a consumatorului

3.2. Schema bloc a standului

Schema bloc a sistemului pentru starea de levitatie magnetica

Figura 3.9. Schema bloc a standului

În figura anterioară sunt precizate părțile componente ale sistemului pentru studiul levitatiei magnetice si pentru transmiterea energiei wireless la consumator. Acestea fiind:

Sursa de alimentare în comutație care poate genera tensiunea de 12V necesară pentru alimentarea electromagnetului și a modulului wifi și tensiunea de 5V care alimentează senzorul Hall și plăcuța Arduino Uno

Senzorul Hall care sesizează câmpul magnetic produs de electromagnet și generează o tensiune analogică care va reprezenta o intrare a microcontroler-ului

Arduino Uno care are rolul de a prelua tensiunea transmisă de senzorul Hall și de a genera un semnal PWM cu un factor de umplere potrivit pentru a alimenta electromagnetul

Optocuplorul separă galvanic partea de comanda de partea de forță, de alimentare

Driverul electromagnetului este necesar pentru a porni și opri electromagnetul rapid conform cu semnalul PWM generat de Arduino. Acesta fiind un tranzistor IRF5395 care are un timp de comutare suficient de rapid.

Electromagnetul realizat dintr-o bobină și un miez feromagnetic care participă la realizarea levitației magnetice a corpului

Modulul wifi constituit din două circuite electrice. Primul circuit are rolul de a transmite energia wireless la cel de-al doilea circuit care recepționează această energie necesară iluminării LED-ului din interiorul consumatorului

Întrerupătoarele pe care le-am folosit au rolul de a alimenta întregul sistem de levitație magnetică și de a alimenta modulul wifi

În cele ce vor urma voi lua pe rând fiecare componente care alcătuiește schema bloc a sistemului pentru levitatia magnetica si pentru transmiterea energiei wireless necesara consumatorului. In cele ce urmeaza voi descrie principalele caracteristici ale acestora.

Sursa de alimentare

Pentru alimentarea proiectului am ales o sursă de calculator Spacer 500W SPS-ATX-500, în comutație deoarece este nevoie de alimentarea a două subsisteme: alimentarea electromagnetului la 12V și alimentarea părții de electronică la 5V.

Sursa de calculator necesită realizarea unui scutcircuit între firul verde și unul dintre firele negre (GND). Pentru varianta de 12V se folosește firul galben iar pentru cea de 5V cel roșu (Figura 3.10).

Figura 3.10. Sursa de alimentare

Sursa în comutație având avantajul de a o alimenta la 230V și posibilitatea de a folosi o tensiune redresată (5, 12, 16, 20 … V).

Proiectarea electromagnetului

Electromagnetul l-am realizat dintr-o bobină de 1 kg având secțiunea sârmei de 0,8 cm, rezultând următoarele calcule pentru acesta:

(3.1)

Pentru a avea oscilații foarte mici am bobinat bobina pe un mosor astfel încât să nu existe spațiu liber având la final:

25 straturi

Lungimea conductorului 262,5 m

Lungimea bobinei 8 cm

Fluxul magnetic creat de cele 1750 spire la un curent I = 1,6A, pentru un miez de fier produce o forță  care se poate calcula astfel:

(3.2)

Unde:

F – forța magnetică în Aspire

N – numărul de spire al electromagnetului

I – curentul care străbate electromagnetul

Intensitatea câmpului magnetic este definită ca forța magnetică pe unitatea de lungime și se calculează astfel:

(3.3)

Unde:
H – intensitatea câmpului magnetic
F – forța magnetică în Aspire

l – lungimea spirelor

Iar câmpul magnetic al unui electromagnet este definit prin relația:

(3.4)

Unde:

(3.5)

– permeabilitatea relativă a miezului electromagnetului

– permeabilitatea magnetică a vidului

N – numărul de spire al electromagnetului

I – curentul care străbate electromagnetul

B = 1750 = 0,7 T

In figura urmatoare este ilustrată forma finală a electromagnetului alcătuit din bobina din spire și miezul feromagnetic reprezentat de un șurub.

Figura 3.11. Electromagnetul

Microcontrolerul

Pentru controlul bobinei am folosit o platformă Arduino Uno care are rolul de a compara valoarea tensiunii primită de la senzorul Hall cu o valoare prestabilită, aleasă în funcție de distanța la care vrem să leviteze corpul, iar în urma comparării se va alimenta electromagnetul printr-un semnal PWM.

În cazul în care PWM-ul are un factor de umplere de 50% va rezulta o tensiune de 6V care va alimenta electromagnetul.

Intițial, pentru verificarea funcționării sistemului am folosit o placă de testare la care am conectat componentele electronice prin fire, aceastea fiind: sursa de alimentare în comutație (12V – pentru alimentarea electromagnetului și 5V – pentru alimentarea platformei Arduino), electromagnetul, bobinele pentru transmiterea energiei wireless (Figura 3.12).

Figura 3.12. Conectarea platformei Arduino

Platforma Arduino este conectată la laptop print-un port USB și alimentată de la sursă de comutație. Soft-ul este scris în mediul dedicat plăcuțelor Arduino și este încărcat în memoria microcontroler-ului prin acest port.

Senzorul Hall

Senzorul Hall folosit în prezenta lucrare este un senzor de tip A1302KUA-T și are rolul de a măsura câmpul magnetic generat de electromagnet și în funcție de această mărime să genereze o tensiune continuă. Acest tip de senzor este popular pentru acuratețea tensiunii de ieșire care este proporțională cu câmpul magnetic aplicat.

Senzorul este realizat dintr-un circuit care include un amplificator liniar și o structură de tip CMOS. Integrarea circuitului Hall și amplificatorul într-un singur cip minimizează multe dintre problemele asociate în mod normal cu un nivel scăzut de tensiune analogică de precizie (Figura 3.13).

Figura 3.13. Diagrama bloc de funcționare a senzorului Hall

Acest senzor este potrivit pentru aplicațiile industriale care folosesc domenii extinde de temperatură. Există două variante de senzori, cele care se montează pe suprafață și cele care se montează prin gaură. Ambele tipuri având 3 pini conectați ca în figura următoare iar aceștia fiind realizați din plumb iar placajul fiind din staniu mat.

Figura 3.14. Conectarea celor 3 pini ai senzorului

Prezența polarității sud (+B) al câmpului magnetic perpendicular pe suprafața dispozitivului crește tensiune de iusire, Vout care este proporțională cu câmpul magnetic aplicat. Pe de altă parte, aplicarea unui câmp magnetic de polaritate nord (-B), orientat în aceeași direcție, scade tensiunea de ieșire. Această proporționalitate este definită ca sensibilitatea magnetică a dispozitivului și este exprimată astfel:

(3.7)

Aplicarea unui câmp magnetic foarte mare nu distruge dispozitivul dar forțează tensiune de iesire să părăsească regiunea de liniaritate.

Principalele caracteristici ale acestui senzor sunt:

Liniaritate, fiabilitate

Zgomot redus la ieșire

Timp rapid de răspuns

Performanțe optime de fabricare

Robustete ESD

Tensiunea de alimentare: min 4.5V si max. 6V

Temperatura de lucru intre -40°C si +125°C

Sensibilitate 1,3mV / G

Curent: 10mA

Număr pini: 3.

Optocuplorul

Realizează o izolare galvanică între două circuite sau două părți de circuit diferite (intrare și ieșire) având rolul de a izola electric partea de alimentare cu 12V de partea de comandă.

Astfel am folosit un optocuplor din seria EL817 având următoarea schemă internă:

Figura 3.15. Schema internă a optocuplorului

1 – Anod

2 – Catod

3 – Emitor

4 – Colector

Principalele specificații ale acestui tip de optocuplor sunt:

Tensiune ridicată de izolare între partea de intrare si cea de ieșire (Viso = 5000 V RMS)

Temperatura de funcționare de până la + 110 ° C

Distanța de conturnare > 7,62 mm

Alegerea siguranței fuzibile

Siguranța fuzibilă este un aparat de protecție împotriva supracurenților care întrerupe circuitul în care este conectat prin topirea unuia sau mai multor elemente fuzibile atunci când curentul electric depășește un anumit timp o valoare data.

Elementul fuzibil se află într-o masă de nisip de cuart astfel încât stingerea arcului electric este datorată de preluarea căldurii de către aceste granulele de nisip.

Pentru protecția lucrării am folosit o siguranță rapidă din sticlă având următoarele caracteristici 3,15A 5X20mm deoarece = 1,6A iar coeficientul de siguranță l-am ales 2,1.

In următorul tabel am specificat principalele caracteristici ale siguranței fuzibile alese:

Tabel 3.1. Specificații siguranță fuzibilă

Comanda manuala a sistemului

În cadrul proiectului am folosit 2 întrerupătoare: unul pentru a alimenta întregul sistem iar celălalt pentru alimentarea modulului de transmitere wireless a energiei necesare iluminării becului.

Schema bloc a sistemului pentru alimentarea wireless

Figura 3.16. Schema bloc a sistemului pentru transmiterea energiei wireless

Pentru realizarea acestui sistem am folosit un bec din comerț la care s-a păstrat doar partea exterioară, conținutul acestuia fiind modificat complet.(Figura 3.17).

Figura 3.17. Realizarea consumatorului

În interiorul consumatorului se află un LED de culoare albă care absoarbe un curent având valoarea 20mA, 3 magneți de neodim având diametrul 20 mm, înălțimea totală de 23 mm care au rolul de a mari distanța maximă dintre electromagnet și bec și un circuit oscilator LC de înaltă frecvență. Acesta este format dintr-o bobină alcătuită din 5 spire de secțiune 0,6 mm având diametrul 6 cm cu rolul de a recepționa energia transmisă de o altă bobină și doi condensatori având următoarele valori: 4,7nF 1kV și 220nF 250V (Figura 3.17).

LED-ul alb este realizat dintr-un LED albastru acoperit cu fosfor care convertește parțial lumina albastră în galben. Amestecând aceste două culori rezultă lumină albă.

Figura 3.18. Componentele becului

Circuitul care transmite energia necesară aprinderii LED-ului este realizat tot dintr-un circuit oscilator de înaltă frecvență care este alcătuit dintr-o bobină având 10 spire de secțiunea 0,6 mm cu diametrul de 6 cm la care se adaugă un circuit format din: un tranzistor bipolar, o rezistență de valoare 5,1 kΩ cu rolul de a limita curentului, de a proteja tranzistorul și patru condensatori având următoarele valori:

1nF 100V, 220nF 250V, 4.7nF 1kV, 470pF 1kV (Figura 3.19).

Figura 3.19. Circuitul transmițător de energie wireless

Asadar, transmiterea energiei electrice fără fir, reprezintă transmiterea de energie electrică de la un transmițător de energie la consumatori fără fire, fără conductori.

O metodă eficientă de astfel de transmitere de energie este utilizarea principiului de rezonantă, bazat pe același principiu ca inducția electromagnetică folosită la transformatoare. Acest procedeu folosește două bobine care generează un câmp electromagnetic variabil iar în momentul în care cele două bobine intră în rezonantă, transferul de energie este maxim și pierderile de energie sunt minime. În figură este ilustrat circuitul care transmite energia.

Figura 3.20. Circuit transmițător de energie

Rezonanța se realizează între cele două bobine dacă câmpul electromagnetic generat în jurul lor oscilează la aceeași frecventă. Astfel, atâta timp cât cele două bobine sunt în rezonantă, se realizează transferul de energie dintre ele.

Pentru a îmbunătăți acest transfer de energie am folosit pe lângă cele două bobine și condensatoare care au rolul de a stoca curentul electric recepționat pe care îl va descărca în timp în consumator crescând astfel puterea astfel energia circuitului oscilează rapid între câmpul magnetic din bobină și câmpul electric din condensatoare. Figura următoare reprezintă circuitul care recepționează energia.

Figura 3.21. Circuitul receptor de energie

Condensatoarele folosite pentru această transmitere sunt de tip MKP realizate din folie de polyproylena și sunt considerate condensatoare care au un coeficient de pierderi scăzut, rezultând a fi foarte rapide.

În general, condensatoarele de tip film nu sunt polarizate, astfel cele două terminale sunt interschimbabile.

Capacitatea unui condensator se exprimă astfel:

(3.6)

Unde reprezintă – permitivitatea dielectrică, A – suprafața electrodului si d – distanța dintre electrozi.

Schema bloc a sistemului pentru comanda de la distanta

Figura 3.22. Schema bloc a comenzii de la distanta a consumatorului

În figura anterioară sunt precizate părțile componente ale sistemului pentru comanda de la distanta a consumatorului alimentat prin transfer de energie wireless.

In cele ce urmeaza voi descrie principalele caracteristici ale acestora componente:

Modulul Bluetooth

Modulul Bluetooth folosit pentru realizarea acestui sistem este Bluetooth HC-05 care are rolul de a comunica cu un telefon mobil si a transmite semnalul la placa de dezvoltare Arduino folosita.

Acest modul este un modul SPP (Serial Port Protocol), usor de utilizat, conceput pentru conexiuni fara fir. Modulul HC-05 este un modul MASTER/SLAVE, implicit setarea fiind SLAVE. Rolul modulului, master sau slave, poate fi configurat, tinand cont de faptul ca modulele slave pot accepta conexiuni dar nu pot initia o conexiune cu alt dispozitiv Bluetooth. Modulul master poate initia conexiuni cu alte dispositive.

Figura 3.23. Modulul Bluetooth HC-05

Modulul bluetooth HC-05 este unul de înaltă performanță și consumă foarte puțină energie. De asemenea, dimensiunile acestuia sunt mici. Principalele caracteristici sunt prezentate in tabelul urmator:

Tabel 3.2. Specificații modul Bluetooth HC-05

Bluetooth HC-05 are 6 pini si n cele ce urmeaza voi descria functionarea acestor pini:

ENABLE: Când modulul de activare este LOW, modulul este dezactivat, ceea ce înseamnă că modulul nu se aprinde și nu reușește să comunice. Atunci când acest prin este conectat la 3.3V, modulul este activat și are loc comunicarea.

Vcc: Tensiunea de alimentare de la 3.3V la 5V

GND: Pini de împământare

TXD & RXD: Acești doi pini acționează ca o interfață UART pentru comunicare

STATE: Acesta funcționează ca un indicator de stare.În cazul în care modulul nu este conectat, asociat cu orice alt dispozitiv Bluetooth, LED-ul clipește continuu. Atunci cand acesta este conectat cu orice alt dispozitiv Bluetooth, LED-ul clipește cu o întârziere constantă, de exemplu, 2s întârziere ceea ce indică faptul că modulul este asociat.

BUTTON SWITCH: Acesta este folosit pentru a comuta modulul în modul de comandă. Pentru a activa modul de comandă, trebuie apasat comutatorul de buton pentru o secundă iar acum utilizatorul poate schimba parametrii acestui modul, dar numai atunci când modulul nu este asociat cu orice alt dispozitiv. Dacă modulul este conectat la orice alt dispozitiv Bluetooth, acesta începe să comunice cu acel dispozitiv și nu funcționează în modul de comandă

Figura 3.24. Descrierea pinilor

Placa de dezvoltare Arduino

Pentru controlul releului am folosit o placa de dezvoltare Arduino Uno R3 ATmega328p care are rolul de a verifica semnalul primit de la modulul Bluetooth, iar in fuctie de acest semnal sa dea comanda releului pentru a aprinde sau stinge consumatorul sistemului. Fata de varianta SMD aceasta placa Arduino are urmatoarele avantaje:

microcontrollerul este pe soclu si poate fi schimbat

circuitul de comunicare USB este tot un microcontroller – Atmega16U2

In tabelul urmator sunt prezentate principalele caracteristici ale acestei placute:

Tabel 3.3. Caracteristicile placii Arduino Uno R3 ATmega328p

In figura urmatoare este ilustrata conectarea placii Arduino Uno cu modulul Bluetooth HC-05 prezentat anterior.

Figura 3.25. Conectarea Arduino Uno cu modulul Bluetooth

Releul

Pentru comanda de a aprinde sau stinge consumatorul sistemului am folosit un modul releu cu 1 canal care in functie de comanda primita de la placa de dezvoltare Arduino deschide sau inchide contactele sale. Avantajul major acestui modul este ca se poate conecta direct pe pinii de la Arduino.

Caracteristicile acestui modul releu sut prezentate in urmatorul tabel:

Tabel 3.4. Caracteristicile modulului releu cu 1 canal

In figura urmatoare este prezentat modulul releu folosit si ilustrarea pinilor existenti.

Figura 3.26. Modulul releu cu 1 canal

Acest modul are 6 pini iar semnificatia acestora este:

Pin-ul NC (Normally Closed)

COM (Common)

NO (Normally Open)

VCC (Tensiunea de alimentare 5V)

GND (Pini de impamantare)

IN (Pin de intrare)

Alimentarea modului se realizează prin intermediul pinilor "VCC" și "GND". Pinii VCC și GND ai modulului trebuie conectați la pinii 5 V, respectiv GND ai plăcii de dezvoltare folosite.

Un mod simplu de conectare a unui consumator la releu este cel ilustrat în schema din Figura 3.27.

Figura 3.27. Conectare modul releu 1 canal

Configurația hardware

Configuratia hardware pentru transmiterea energiei wireless

Pentru realizarea configurației hardware am construit un montaj alcătuit din componentele electronice necesare realizării proiectului și placa Arduino pe care le-am așezat pe un PCB (circuit imprimat).

Schema electronică am realizat-o cu ajutorul programului EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) care reprezintă un editor ușor de aplicat pentru realizarea grafică a schemelor fiind proiectat și dezvoltat de către CadSoft Computer GmbH. Acest program este folosit pentru automatizarea proiectării electronice (EDA) plăcilor de circuit imprimat (PCB).

După o verificare vizuală am trecut în funcția Board a programului unde am așezat componentele pentru a da o formă estetică a montajului și pentru a evită intersectarea traseelor cu potențiale diferite (Figura 3.28).

Figura 3.28. Schema electronică

Cu ajutorul funcției Board am desenat traseele montajului asa cum vor arăta la final pe cablaj (Figura 3.29).

Figura 3.29. Realizarea traseelor

După această etapă am putut observa aspectul cablajului și amplasamentul pieselor cu funcția 3D de la Eagle și cu interfața POV-Ray v.3.6., iar apoi am printat partea cu traseele pe folie transparența de retroproiector (Figura 3.30).

Aceasta am așezat-o pe un aparat cu leduri ultraviolete peste care am poziționat cablajul cu protecție de fotorezist.

Am alimentat aparatul respectiv și după un timp precis (7 minute) de expunere la lumină ultravioletă a plăcii această a fost introdusă în SENO (o soluție care se mai poate înlocui cu persulfate de sodiu cristale pentru corodarea cablajelor); soluție care a fost puțin încălzită pentru un efect mai bun al developării.

Placa a fost lăsată la developat în soluția respectivă aproximativ 1,5-2 minute după care s-a clătit cu apă rece și a fost introdusă în clorură ferică pentru corodare aproximativ 15-20 minute.

După încheierea procesul de corodat se curăță și usucă placa, apoi se realizează toate pad-urile unde vor veni amplasate componentele electrice cu ajutorul unei mașini de găurit.

După găurire am așezat componentele la locul lor conform schemei și am cositorit, iar în final am alimentat montajul și am verificat funcționarea lui.

Figura 3.30. Aranjarea componentelor pe placă

În figura următoare este ilustrat PCB-ul după încheierea etapelor descrise anterior. În figură este vizibilă partea frontală a acestei plăci cât și partea cu traseele.

Figura 3.31. Finalizarea PCB-ului

În programul Fritzing am realizat schema electrică a întregului sistem pentru studiul levitației magnetice. Această schemă este exprimată în figura următoare:

Figura 3.32. Schema electrică

Configuratia hardware a comenzii de la distanta

Pentru realizarea configurației hardware am realizat conexiunile necesare intre componentele acestui sistem. Pentru aceasta am parcurs urmatorii pasi:

Pasul 1: Am conectat placa de dezvoltare Arduino Uno la sursa de alimentare a standului astfel:

pinul +5V al placii l-am conectat la un fir care transmite 5V de la sursa

pinul GND al placii cu firul de GND al sursei

Pasul 2: Am conectat modulul Bluetooth HC-05 la Arduino Uno astfel incat:

pinul Vcc al modulului Bluetooth l-am conectat la pinul de 5V al placii de dezvoltare

pinul GND al modulului cu pinul GND al placii

pinul TXD cu pinul RXD al placii (Se conecteaza pinii RX si TX dupa uploadarea programului software)

pinul RXD cu pinul TXD al placii

Pasul 3: Pasul urmator a fost sa conectez placa Arduino cu modulul releu astfel:

pinul Vcc al releului conectat la sursa de alimentare a standului

pinul GND al releului cu pinul GND al placii

pinul IN al releului cu pinul 8 al placii de dezvoltare

Pasul 4: La acest pas am conectat modulul releu in paralel la intrerupatorul existent care actiona manual aprinderea/stingerea iluminarii consumatorului.

Figura 3.33. Realizarea conexiunilor intre componente

Urmatoarea etapa este cea a uploadarii programului software pe placa de dezvoltare Arduino Uno. Astfel, se deconecteaza pinii RX si TX dintre placa Arduino si modulul Bluetooth. Se conecteaza placa de Arduino la un laptop prin intermediul unui cablu USB. Se deschide programul Arduino in care a fost realizat programul si se compileaza acest program in vederea verificarii eventualelor erori existente. Daca compilarea este ok se face upload la acesta. Se conecteaza modulul Bluetooth si placa Arduino prin intermediul pinilor RX si TX. Programul realizat se poate gasi in capitolul Anexe.

In pasul urmator se fac conexiunile Bluetooth intre modulul Bluetooth si telefonul mobil. Asadar, se descarca aplicatia ……. pentru android din Magazin Play si se cauta dispozitivele Bluetooth din apropiere. Atunci cand se gaseste dispozitivul cu numele HC-05 (modulul Bluetooth) se asociaza cu acesta tastand codul 1234. Se deschide aplicatia descarcata pe telefonul mobil si se alege dispozitivul HC-05 pentru legatura „Switch mode”. Se modifica din setari comenzile pentru aprinderea si stingerea consumatorului astfel incat sa coincida cu ceea ce este definit in programul software. Astfel…….

Ultimul pas este acela de a verifica functionarea sistemului.

Programarea sistemelor

Programarea sistemului pentru starea de levitatie magnetica

Programul necesar funcționării corespunzătoare a sistemului pentru studiul levitatiei magnetice a fost realizat în mediul de programare furnizat în mod gratuit de cei care realizează plăcuțele Arduino având același nume și care se poate descărcă de pe situl https://www.arduino.cc/en/Main/Software.

Întregul program funcționează după următoare schemă logică:

Figura 3.34. Schema logică

Inițial se configurează pinii de intrare/ieșire, astfel pinul 9 este configurat ca pin de ieșire care va furniza semnalul PWM necesar alimentării electromagnetului iar pinul A0 este setat ca pin de intrare de tip analogic.

Acest pin este folosit pentru a transmite valoarea tensiunii generate de senzorul Hall plăcuței Arduino Uno.

Următorul pas este acela de a declara și initaliza variabilele. De aceea am ales distanța la care am vrut să leviteze corpul observând valoare generată de senzor astfel încât această valoare am introdus-o într-o variabilă denumită „prag”. O altă variabilă am folosit-o pentru a limita tensiunea, deci factorul de umplere.

Această variabilă am declarat-o ca fiind de tipul int astfel valoarea maximă este 255. Așadar, tensiunea de 12V corespunde unui factor de umplere având valoarea maximă.

Dacă valoare citită de senzor este mai mică decât pragul ales (corpul este departe de punctul în care levitează) atunci microcontroler-ul va genera un semnal PWM cu un factor de umplere mai mare decât cel anterior, deci va crește tensiunea care va alimenta electromagnetul astfel încât forță de atracție între electromagnet și corp crește.

Dacă valoare citită de senzor este mai mare sau egală ca pragul (corpul este atras de electromagnet) atunci microcontroler-ul va genera un semnal PWM cu un factor de umplere mai mic decât anteriorul, astfel încât tensiunea iar corpul nu va mai fi atât de mult atras de electromagnet.

Aceste cazuri au fost introduse într-o buclă infinită care se repetă până se acționează butonul de reset sau se întrerupe alimentarea.

Programarea sistemului pentru comanda de la distanta

Programul realizat funcționează după schemă logică următoare:

Figura 3.35. Schema logica comanda de la distanta

Inițial se configurează pinul 8 ca pin de ieșire care va furniza semnalul necesar comenzii releului.

Următorul pas este acela de a declara și initaliza variabilele.

Se citesc datele primite de la modulul Bluetooth. Se intra in modul „Switch” al aplicatiei de pe telefon. Dacă alegem cazul „a” (consumatorul sa se aprinda) atunci microcontroler-ul va genera un semnal catre releu pentru a indeplii aceasta decizie (inchiderea contactelor). Dacă alegem cazul „d” (consumatorul sa se stinga) atunci microcontroler-ul va genera un semnal catre releu pentru a stinge consumatorul prin deschiderea contactelor sale. Aceste cazuri au fost introduse într-o buclă infinită care se repetă până se acționează butonul de reset sau se întrerupe alimentarea. Programul rezultat pentru acest sistem este atasat in Anexe.

CAPITOLUL 4

APLICAȚII SI EXPERIMENTE

4.1. Determinarea randamentului

Pentru determinarea randamentului sistemului de transmitere a energiei wireless a fost necesară măsurarea curentului subsistemului care transmite această energiei. Valorile măsurate sunt:

U = 12 V

I = 30 mA

Având aceste mărimi putem calcula puterea acestui subsistem:

(4.1)

=

Pentru celălalt subsistem care recepționează energia regăsim datele următoarele ale LED-ului:

U = 2,2 V

= 20 mA

(4.2)

Așadar, randamentului se exprimă astfel:

= 0,122 (4.3)

Observăm că randamentul este extrem de mic, 12,2% deoarece pierderile de energie atunci când transferul de energie se face prin aer sunt foarte mari.

4.2. Verificarea energiei transmise

În cadrul acestui subcapitol am realizat pe un osciloscop câteva măsurători efectuate asupra circuitului de transmitere a energiei wireless necesare iluminarii consumatorului.

Masuratorile au fost facute in diferite situatii: circuitele de transmitere si receptie a energiei sunt la distanta minima, la distanta maxima si fara circuitul de receptie (fara consumator) cat si o masuratoare atunci cand acesta este in starea de levitatie magnetica (situatia dorita a standului).

Asadar, figura următoare ilustreaza forma tensiunii regăsită în circuitul care transmite energia wireless atunci cand nu exista consumator (sarcina). Se observă faptul că această undă nu este perfect sinusoidală datorită folosirii unor circuite rezonante clasice.

Figura… Forma tensiunii in circuitul transmitator de energie fara consumator

Se observa faptul ca forma tensiunii are următoarele caracteristici:

Frecvența 837,5kHz

Valoarea amplitudinii tensiunii 10,8V

Valoarea tensiunii RMS 6,93V

Figura următoare ilustreaza forma tensiunii regăsită în circuitul care transmite energia wireless atunci cand consumatorul se afla in starea de levitatie magnetica.

Figura… Forma tensiunii in circuitul transmitator de energie atunci cand consumatorul se afla in starea de levitatie magnetica

Se observa faptul ca forma tensiunii are următoarele caracteristici:

Frecvența 730,4kHz

Valoarea amplitudinii tensiunii 17,4V

Valoarea tensiunii RMS 16,6V

Figura următoare ilustreaza forma tensiunii regăsită în circuitul care transmite energia wireless atunci cand consumatorul se afla la distanta minima fata de circuitul primar.

Figura… Forma tensiunii in circuitul transmitator de energie atunci cand consumatorul se afla distanta minima fata de circuitul primar

Se observa faptul ca forma tensiunii are următoarele caracteristici:

Frecvența 743,6kHz

Valoarea amplitudinii tensiunii 15V

Valoarea tensiunii RMS 15,2V

Ultima situatie este aceea cand distanta este maxima intre circuitul care transmite energia si circuitul care receptioneaza aceasta energie (consumator). Aceasta masuratoare arata in urmatorul fel:

Figura… Forma tensiunii in circuitul transmitator de energie atunci cand consumatorul se afla la distanta maxima fata de circuitul primar

Se observa faptul ca forma tensiunii are următoarele caracteristici:

Frecvența 730,1kHz

Valoarea amplitudinii tensiunii 17,3V

Valoarea tensiunii RMS 16V

CAPITOLUL 5

CONCLUZII FINALE SI CONTRIBUȚII

Concluzii

Poziționarea perpendicular față de electromagnet a circuitului care transmite energia wireless cât și cel de recepționare a acestei energii aduce inconvenientul următor:

atunci când becul levitează se va învârti ușor astfel încât va ajunge perpendicular față de bobina primară (cea din suport), moment în care becul se stinge până când va trece de această poziție de perpendicularitate.

Această reordonare a fost făcută cu scopul de a nu influența câmpul magnetic produs de electromagnet de câmpul magnetic al modulului wifi, pentru a avea un sistem cât mai stabil.

Realizarea electromagnetului având parametri cât mai ideali și pierderi cât mai mici este foarte dificilă deoarece nu avem un utilaj de pentru acesta.

Datorită curentului pe care îl absoarbe electromagnetul, 1,6A, acesta se încălzește după o perioadă de timp dacă soft-ul nu este optimizat.

Folosirea unei platforme de Arduino cu un timp de răspuns mult mai rapid reprezintă un mare avantaj pentru un astfel de sistem deoarece informație se procesează mai repede.

Folosirea magneților puternici de neodim reprezintă un mare avantaj deoarece putem atașa o greutate astfel încât sistemul încă să mai fie capabil să leviteze la distanța propusă.

Pentru iluminarea mai puternică a becului se poate regândi circuitele modulului wifi pentru transmiterea unei cantități de energii mai mari deoarece există pierderi mari ale acestui modului din cauza că transferul se realizează prin aer. Observăm că randamentul este extrem de mic, 12,2%.

Contribuții

Am reușit atingerea scopurilor propuse la începutul lucrării, acela de a realiza un sistem pentru comanda de la distanta prin tehnologia Bluetooth a unui consumator care se afla in starea de levitatie magnetica. Consumatorul realizat ilumineaza datorita transferului de energie wireless realizat intre doua circuite inductiv rezonante.

Pentru aceste obiective am studiat domeniile de alimentare prin inductie, sistemele pentru transmiterea wireless a energiei, controlul de la distanta a consumatorilor, tehnologia Bluetooth, etc.

După documentarea realizată am trecut la pasul următor, acela de a realiza standului care să permită comanda de la distanta a consumatorului care se afla in starea de levitatie magnetica și în același timp iluminarea acestuia identificând componentele necesare funcționării standului.

După atingerea scopului anterior am acordat o mare atenție optimiarii codului sursă după care funcționează platforma Arduino Uno și realizarea cât mai stabilă a acestuia pentru a nu avea oscilații mari în timpul levitarii.

Ultima parte a lucrarii am dedicat-o experimentelor si masuratorilor realizate: determinarea randamentului transferului wireless de energie, determinarea in diferite situatii a valorii tesiunii din circuitul transmitator de energie.

Recomandari

Acest proiect poate fi îmbunătățit prin realizarea unui electromagnet mai mare cu diametrul spirei mai mare, se poate realiza un sistem realizat din LED-uri atașat la plafonul standului care va lumina astfel încât să delimiteze spațiul în care corpul levitează și se mai poate realiza modificarea distanței la care să leviteze corpul cu ajutorul a două butoane.

Folosirea unui sistem de reglare cu ajutorul regulatoarelor automate pentru a avea un feedback in moment real a sistemului.

Folosirea a doi senzori Hall, unul poziționat în partea inferioară a electromagnetului iar celălalt în partea superioară ar aduce o îmbunătățire sistemului deoarece se realizează o diferență între valorile măsurate de aceștia și în funcție de aceasta se va comanda sistemul. Astfel, riscul de a influența cu alte câmpuri magnetic din jurul electromagnetului este mai mic.

Optimizarea distanței de levitație și codului sursă aduce întotdeauna un avantaj deoarece s-ar putea reduce fluctuațiile care apar în timpul levitarii corpului.

O altă modificare care se poate aduce standului este aceea de a schimba miezul feromagnetic cu un miez de ferită care se saturează mai greu și astfel micșorează oscilațiile corpului când levitează.

BIBLIOGRAFIE

[1] CEDIGHIAN S. – Materiale magnetice, Editura Tehnica, Bucuresti, 1967

[2] CHITAEV E.V., GREVTEV N.F. – Curs de electronic generala, Editura Energetica de stat, 1953

[4] Florea Adrian – Introducere in stiinta si ingineria calculatoarelor, notite din cursul „Arhitectura microprocesoarelor”

[5] Laurean Bogdan – Notite din cursul „Senzori si Traductoare”

[6] MOCANU C. – Teoria campului electromagnetic, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1981

[7] Panu Mihai – Masini electrice I, notite din curs

[8] Panu Mihai – Masini electrice II, notite din curs

[9] Popa V. M., Rosca P. – Electrotehnica generala, Editura Burg, Sibiu, 2010

[10] VINȚAN Lucian N. – Organizarea si proiectarea microarhitecturilor de calcul (pentru uzul studenților), Universitatea „L.Blaga” din Sibiu, 2010

[11] VINTAN Lucian N. – Exploatarea paralelismului in microprocesoarele avansate, Editura Universitatii, Sibiu, 1996

[12] ONEA Alexandru – Arhitectura calculatoarelor, Editura Gh. Asachi, Iasi, 2002

[13] http://ece.ubm.ro/ea/cursuri/circuite_digitale/pdf/CD%20-%20C7%20Memorii.pdf

[14] http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/Microcontrolere%20introducere.pdf

[15] http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/106-senzor-hall.html

[16] http://www.robofun.ro/arduino_uno_v3

[17] http://www.robofun.ro/blog/tutoriale-arduino-1-ce-este-arduino/

[18] https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino

[19] https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer

[20] https://www.quora.com/What-is-the-best-way-to-transfer-electricity-wirelessly

[21] https://www.diffen.com/difference/Bluetooth_vs_Wifi

[22] https://www.techopedia.com/2/27881/networks/wireless/what-is-the-difference-between-bluetooth-and-wi-fi

[23] https://www.bluetooth.com/

[24] https://ftp.utcluj.ro/pub/users/peculea/TWDM/Cursuri/Capitol02.ppt

[25] https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

Anexa 1. Schema bloc a standului

Anexa 2. Schema electrică

Anexa 3. Schema electronică

Anexa 4. Aranjarea pieselor pe placă

Anexa 5. Traseele plăcii

Anexa 6. Schema modulului wifi

Anexa 7. Codul sursă pentru starea de levitatie magnetica a consumatorului

const int ledPin = 9; // Pin cu iesire PWM

// variables

int factor_umplere = 255;

int prag=607; // Prag optim senzor Hall 607

void setup() {

// Serial.begin(9600);

}

void loop() {

// citire senzor si atribuire valoare de pe pinul analogic A0

int valoare_senzor = analogRead(A0);

// factorul de multiplicare este 2

if (valoare_senzor >= prag && factor_umplere-((valoare_senzor-prag)*2.5)>=0) {

factor_umplere=factor_umplere-((valoare_senzor-prag)*2);

}

if(valoare_senzor < prag && factor_umplere+((prag-valoare_senzor)*2.5)<=255){

factor_umplere=factor_umplere+((prag-valoare_senzor)*2);

}

analogWrite(ledPin, factor_umplere);

}

Anexa 8. Codul sursă pentru starea de levitatie magnetica a consumatorului

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(8, OUTPUT); // configurare pinul 8 al placii ca pin de iesire

}

void loop() {

if(Serial.available()>0)

{

char data= Serial.read(); // Se citesc datele primite de la modulul Bluetooth

switch(data)

{

case 'a': digitalWrite(8, HIGH);break; // Cand se apasa „a” din aplicatia de pe telefonul mobil

case 'd': digitalWrite(8, LOW);break; // Cand se apasa „d” din aplicatia de pe telefonul mobil

default : break;

}

Serial.println(data);

}

delay(50);

}