Questo circuito può essere utile a tutti coloro che hanno bisogno di trasportare a distanze considerevoli un segnale video composito proveniente da una qualsiasi fonte di segnale video composito(come ad esempio una telecamera di videosorveglianza analogica). Il circuito è molto semplice e si basa su un amplificatore operazionale della National Semiconductor siglato LM6181. Le sue principali caratteristiche sono:

• Banda passante di 100Mhz
• Slew rate di 2000V/µs
• Adatto all'amplificazione di segnali video
• Alimentazione duale fino a 18V

Nella figura sottostante è visibile lo schema elettrico dell'amplificatore video

Come potete notare dallo schema si tratta di un amplificatore operazione in configurazione non invertente, sia in ingresso che in uscita sono presenti due resistenze da 150 ohm che fanno da resistenze di terminazione per mantenere costante l'impedenza dei cavi coassiali di ingresso e uscita del segnale. Infatti i cavi coassiali video solitamente hanno un'impedenza di 75 ohm (ed essendo 75 ohm un valore resistivo non della serie E12, il valore viene creato dalle due resistenze da 150 ohm in parallelo). Con il trimmer è possibile regolare il guadagno dell'amplificatore da 1,1 fino a circa 6,6. Per alimentare l'amplificatore operazione è necessario utilizzare un alimentatore di tipo duale da 12V (comunque l'integrato sostiene fino a 18V duali).

Il circuito va inserito tra la fonte video (segnale ingresso) e il ricevitore (da collegare all'uscita del circuito), per una migliore efficacia del circuito è necessario interporre l'amplificatore al circuito video composito esistente in un punto vicino alla fonte video, per non amplificare oltre al segnale utile anche il rumore presente lungo il tratto della linea.

CIRCUITO STAMPATO

Attenzione l'immagine non è in dimensioni reali: per lo stampato fate riferimento al file di fidocad.

Qui di seguito potete scaricare il file di fidocad in cui è presente lo schema e il circuito stampato pronto da realizzare.

SCHEMA E CIRCUITO STAMPATO PER FIDOCAD

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APPROFONDIMENTO: TRANSCEIVER MAX232

Questo integrato si occupa dell’adattamento dei segnali di tipo RS232 provenienti dal PC di controllo master ai livelli logici TTL standard, utilizzati da microcontrollori e circuiti digitali sbilanciati per collegamenti tra componenti.

Inoltre, per poter inviare i segnali RS232 ai fotoaccoppiatori è necessario adattare, oltre che le impedenze e i livelli di tensione, anche i livelli logici associati alle tensioni effettuando le opportune inversioni.

Tutte queste funzioni di inversione ed adattamento vengono svolte dall’integrato MAX232 della Maxim che contiene al suo interno dei duplicatori e invertitori di tensione che fanno uso di circuiti detti a “pompa di carica”. Questo permette di garantire, con una sola alimentazione di 5V, la tensione positiva e negativa dello standard RS232 con una efficienza molto alta. Lo schema interno preso dal datasheet in figura 2.20 rappresenta in maniera chiara le inversioni logiche effettuate sui segnali e i circuiti di duplicazione e inversione della tensione. Nella pratica la tensione entrante a 5V viene duplicata a 10V per essere in linea con i livelli di tensione dei segnali di tipo RS232. Successivamente tale tensione viene invertita a -10V consentendo di utilizzare entrambi i livelli +10V e -10V necessari alla comunicazione in standard RS232. Per effettuare tali operazioni l’integrato necessita di 5 condensatori (solitamente da 1uF) come rappresentato nello schema interno. Sempre dallo stesso si notano le resistenze di pull-down e pull-up che permettono di poter lasciare gli ingressi non utilizzati dell’integrato scollegati. L’integrato supporta la conversioni di 2 canali RS232 a TTL e di 2 canali TTL a RS232.

CIRCUITO STAMPATO

Per realizzare il circuito tramite fotoincisione o altro fate riferimento ai file allegati e non all'immagine seguente che è puramente indicativa e non delle dimensioni corrette. Il connettore della seriale lato PC è un classico DB9 a 90° femmina. Il file di progetto è in formato FidoCad (.fcd).

ALCUNE IMMAGINI

DOWNLOAD FILE REALIZZAZIONE SCHEDA

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ATTENZIONE: Alcuni dispositivi descritti in questo articolo possono presentare PERICOLOSITA' che possono rivelarsi anche MORTALI se non si opera in modo opportuno. L'autore non si assume alcuna responsabilità per danni a cose o a persone!

In questo articolo voglio presentarvi un’interessante esperimento che vi porterà alla costruzione di un curioso dispositivo chiamato fucile elettromagnetico.

Questo dispositivo è in grado di lanciare materiali ferrosi come chiodi o viti come un fucile classico.
Ovviamente questo progetto che vi presento non è in grado di lanciare oggetti come un vero fucile poiché io l’ho fatto a scopo didattico e non bellico (se vi interessa costruirne uno più pericoloso cercate in google), questo comunque è in grado di lanciare chiodi o viti per 5 o 6 di metri con una velocità abbastanza elevata e senza rumore di sparo!
Il funzionamento è abbastanza elementare e si basa sull’ elettromagnetismo e specificatamente al campo magnetico generato da una corrente che scorre in una bobina, questa se fosse costante e elevata farebbe attirare semplicemente la vite contro la bobina, per questo dobbiamo avere un generatore in grado di fornire un impulso di corrente molto elevata (e quindi con bassa resistenza interna) che duri un istante, cioè il tempo necessario per attirare la vite contro il solenoide,  in pratica quando essa è dentro al solenoide  il campo magnetico deve interrompersi per permettere alla vite di proseguire il proprio moto per inerzia.
Il dispositivo che presenta meglio le caratteristiche richieste è il condensatore che quando viene caricato accumula una carica elettrica che dipende dalla sua capacità.
Una volta caricato basterà attaccare il condensatore alla bobina già pronta con il proiettile per vedere la vite sparata senza alcun rumore di sparo.

REALIZZAZIONE

Per prima cosa dobbiamo decidere i valori dei condensatori (attenzione:  sicuramente saranno elettrolitici e quindi attenti alla polarità pena la loro distruzione) come la capacità e la tensione di lavoro, tenendo conto che la potenza dello sparo cresce linearmente con la capacità e cresce quadraticamente aumentando la tensione quindi:

Nel mio caso ho usato 10 condensatori da 4.700uF quindi con una capacità totale di 47 mF con una tensione di lavoro massima di 50V(in realtà poi li carico al massimo a 35 V). Per sommare la capacità i condensatori vanno attaccati tutti in parallelo creando di fatto una batteria di condensatori.

NB:nel mio caso i condensatori non sono pericolosi data la bassa tensione con cui sono caricati, se però userete dei condensatori con tensioni più elevate nell’ ordine dei 60V o più evitate di maneggiare i condensatori carichi poiché loro ci mettono un attimo a fulminarvi!!!

Ora passiamo alla creazione del circuito che governerà il nostro fucile, facciamo attenzione soprattutto all’interruttore che dovrà attaccare la bobina ai condensatori poiché avrà un buon peso nella resa del fucile.
Si può scegliere dal semplice relè all’uso di teleruttori fino ad arrivare all’uso di componenti elettronici come SCR che garantiscono prestazioni migliori rispetto ai componenti elettromeccanici.
Nel mio caso, data la semplicità e l’esigua potenza, ho deciso di utilizzare il classico relè e la logica di funzionamento che ho deciso di utilizzare è la seguente:
Abbiamo un bottone che è collegato in serie al relè; il relè ha collegato al comune il condensatore, al normalmente aperto l’alimentatore e al normalmente chiuso la bobina, quando lo premo il relè si eccita e mi va a caricare la batteria di condensatori, quindi terrò premuto il pulsante fino a carica avvenuta, ed a questo punto quando rilascio il pulsante il relè stacca il condensatore dall’alimentazione e lo attacca alla bobina ed a questo punto il proiettile parte come già descritto sopra.

Possiamo migliorare il tutto con l’aggiunta di un pulsante di scarica con una resistenza che ci scarica la batteria di condensatori nel caso che li abbiamo caricati con la bobina staccata e anche un voltmetro che ci indicherà visivamente quando la carica dei condensatori è completata.
Ora passiamo all’alimentazione dei vari componenti: nel mio progetto ho previsto un circuito composto  da un trasformatore con primario a 230V e doppio secondario a 12V.
I circuiti di alimentazione sono 2; il primo alimenta il relè ed è composto da un diodo collegato al  terminale 0V e 12V che fa passare solo le semionde positive e un condensatore che le livella, mentre il secondo è un ponte di diodi collegato allo 0V e al 24V del trasformatore con  un condensatore e una resistenza che limita la carica della batteria di condensatori. Questa resistenza ha il compito di non sovraccaricare l’alimentatore e di fornire un effetto scenico della carica dei condensatori attraverso il voltmetro analogico a lancetta (che ha sempre il suo fascino).

Nel mio progetto ho diviso in 2 le parti: una scheda si  occupa dell’alimentazione e l’altra del controllo che contiene anche la batteria di condensatori. Il tutto l’ho montato dentro una scatola a da cui escono 2 boccole per collegare la il fucile vero e proprio. Per quanto riguarda la bobina L1 potete scegliere quello che preferite basta che seguiate il concetto fondamentale. Io per la mia ho spappolato un pennarello di quelli sottili tenendo solo la canna a cui ho avvolto la bobina ad una estremità (solo da un parte) con un filo smaltato da 0.9 mm  di diametro avvolgendo circa 100 spire (provate a variare le spire e la posizione della bobina e vedrete i risultati cambiare). La bobina va collegata con la parte più vicina al proiettile al meno dei condensatori e l’altra estremità al relè (come da schema) poiché gli elettroni vanno dal – verso il +. Per caricare il fucile dovete  inserire il chiodo o la vite nella parte dove non è presente la bobina e direzionare la canna considerando che il proiettile uscirà dalla parte della bobina. A questo punto basta premere il pulsante come  descritto sopra, aspettare che la carica sia completa attraverso il voltmetro collegato ai capi del condensatore e rilasciare il pulsante; se avete fatto tutto nel modo giusto dovreste vedere il proiettile che esce dalla canna come se fosse sparato, ma senza rumore di sparo.
Vista la semplicità dei circuiti non ho fatto circuiti stampati ed ho montato tutto su basette millefori.

SCHEMI E LISTA COMPONENTI

IMMAGINI REALIZZAZIONE

VIDEO

NUOVA VERSIONE FUCILE ELETTROMAGNETICO

Qui di seguito troverete alcune modifiche che ho effettuato al fucile elettromagnetico per renderlo più pratico nel suo utilizzo.

Dopo il primo montaggio del fucile elettromagnetico ho deciso di rendere più comodo il suo utilizzo applicandogli un circuito governato da un microcontrollore PIC 12F508.
I miglioramenti introdotti si sarebbero potuti introdurre anche con un normale circuito a logica digitale, però la scelta è ricaduta sul microcontrollore per alcuni motivi:

• possibilità di modificare in maniera semplice ed economica la logica di funzionamento del circuito (eventualmente aggiungendo anche altre funzioni)
• l’intero circuito logico che gestisce tutte le funzioni è racchiuso in un package PDIP a 8 piedini rendendo il circuito stampato finale di dimensioni più contenute rispetto ad altre soluzioni (ottimo per inserire il circuito nel già zeppo contenitore del fucile)
• resistenza maggiore ai disturbi generati dalla scintillazione del relè, durante il lancio del proiettile, che avrebbero potuto disturbare i sensibili circuiti ad integrati digitali classici
• consumo estremamente ridotto rispetto ad un circuito digitale tradizionale
• minor costo

Il microcontrollore nel circuito si occupa di mantenere attiva la carica dopo che uno ha rilasciato il pulsante, quindi rende inutile tenere premuto tutto il tempo della carica dei condensatori il pulsante carica. La stessa funzione è stata prevista per il pulsante scarica, dove però si è reso necessario l’uso di un circuito che rendesse la scarica dei condensatori rapida e governabile dal microcontrollore stesso.
Per effettuare il lancio del proiettile, una volta caricato il fucile premendo il pulsante carica, è sufficiente premere una seconda volta il pulsante carica.
Il pulsante scarica (che effettua la scarica dei condensatori) viene automaticamente disattivato quando la carica dei condensatori è in corso e la funzione di scarica si disattiva automaticamente se dopo una scarica si effettua la carica.
Per aumentare la sicurezza e lo spazio nel contenitore, nonché alimentare la nuova scheda,  ho deciso di modificare radicalmente il circuito di alimentazione.
Con questo circuito l’utente è libero di decidere l’uso di un trasformatore interno sulla scheda o esterno inscatolato: io ho optato per il trasformatore in scatola esterno per rendere il fucile meno pesante e più sicuro.

NUOVO CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE

Innanzitutto si nota come sia stato aggiunto un fusibile (lo potete inserire per sicurezza se come me deciderete di mettere il trasformatore esterno), altrimenti prima del ponte di diodi si potrà installare un trasformatore 230/12V.
Rispetto al precedente circuito il voltaggio è stato ridotto per permettere al fucile di lavorare senza eccessivi stress per il relè, potrete comunque portare in ingresso una tensione alternata fino a 24V (come in origine).
La tensione alternata va sul ponte di diodi BR1 che provvede a raddrizzarla, mentre C1 la livella nel suo valore massimo, infatti ricordo che in uscita dal condensatore avremo una tensione pari a (nel caso di alimentazione con tensione 12Vac)

12*1,41 = 16,92V

Questa tensione viene direttamente applicata al morsetto di ingresso della tensione di carica dei condensatori. La stessa tensione viene posta in ingresso al regolatore 7812 che provvede a stabilizzare la tensione in uscita a 12V. Questo integrato tollera in ingresso tensioni fino a 35V, per cui funziona tranquillamente con il fucile alimentato a 12V o 24Vac. La necessità o meno del dissipatore dipende dalla corrente assorbita dai circuiti a valle e  essenzialmente dal relè a 12V che userete poiché il PIC consuma una corrente irrisoria rispetto al relè (nel mio caso il relè assorbiva 60mA e non era necessario un dissipatore). L'integrato è comunque protetto dai surriscaldamenti.
La tensione stabilizzata in uscita a 12V dall'integrato alimenta sia il relè pre-esistente nella scheda dei condensatori, sia il circuito di controllo a microcontrollore.

La scheda permette di montare un trasformatore (come nel vecchio modello del fucile), oppure uno zoccolo per fusibile permettendo l'uso di un trasformatore esterno.

Per realizzare la scheda potete far affidamento ai file di FidoCAD allegati nel file zip, dove potrete anche cambiare la posizione del trasformatore per adattare la scheda al tipo utilizzato.

SCHEDA DI CONTROLLO

Il circuito come potete osservare nell’immagine è molto semplice dato che molte delle funzioni le svolge internamente il PIC.
Le resistenze di pull-up necessarie nei pulsati per avere sempre uno stato logico definito sono state attivate via software internamente nel pic: questo permette di risparmiare le due resistenze altrimenti necessarie.
La tensione in ingresso viene prelevata dall’ uscita a 12V del circuito precedente (“nuovo circuito di alimentazione”) e questa tensione viene portata come alimentazione del relè di lancio, mentre da un altro ramo la tensione va ad alimentare l’integrato stabilizzatore 7805 che fornisce in uscita una tensione di 5V stabilizzata necessaria per alimentare il PIC.
Il pic ha in ingresso i due pulsati Pcarica e Pscarica con resistenze di pull-up attivate via software ed ha in uscita un led che segnala lo stato di carica dei condensatori (si attiva quando i condensatori sono in carica), il transistor, con relativa resistenza, che attiva il relè di carica e il circuito di scarica.
Questo circuito è stato pensato per funzionare al posto del pulsante precedente che richiedeva una pressione continua durante la scarica, con questo circuito la scarica avviene in pochissimi secondi e in modo completamente automatico.
Il tutto è composto da un mosfet MF1 IRF540 con resistenza da 1K di sicurezza (durante il normale funzionamento del mosfet non serve perché la corrente consumata è pari a zero) e da 2 resistenze in parallelo da 68 Ohm e 10W ciascuna. L’elevata potenza complessiva (20W) serve a scaricare velocemente la carica acquisita dai condensatori qualora il lancio venisse effettuato senza aver preventivamente attaccato la bobina: in questo caso i condensatori riuscirebbero a scaricarsi solo collegando la bobina, operazione molto rischiosa per via delle elevate correnti in gioco. Ecco quindi che il circuito di scarica risulta utilissimo per poter scaricare i condensatori e attaccare, una volta scarichi, la bobina di lancio in tutta sicurezza.
Per attivare il circuito è necessari premere una volta il pulsante Scarica. Va ricordato che tale pulsante durante la carica è disabilitato, mentre se il circuito di scarica viene attivato dopo la carica esso si disinserisce autonomamente durante la successiva carica dei condensatori: comodo no?
La scheda, per motivi di spazio,  ho deciso di montarla in verticale nel bordo sinistro della scatola.

PROGRAMMAZIONE PIC

Non mi soffermo in modo dettagliato sulla programmazione del PIC poiché si trovano tantissime guide su internet. Il programma è scritto in assembler, nel file allegato trovate sia il file HEX da dare in pasto al software del programmatore che userete per programmare il pic e il file ASM contenete i sorgenti in assembler in modo che qualora lo vogliate potete modificare in ogni parte il funzionamento del programma.  
Durante la programmazione del PIC ricordatevi di togliere il segno di spunta dal flag "MCLR pin function" (o simile) poiché questo pin nel programma non è utilizzato (quindi non collegato).

MONTAGGIO SCHEDE

Il disegno qui sotto rappresenta i collegamenti da effettuare.

DOWNLOAD FILE FIDOCAD (SCHEMI E MASTER) SCHEDE ELETTRONICHE NUOVE E PROGRAMMA PIC FUCILE ELETTROMAGNETICO

ALCUNE FOTO DEL FUCILE ELETTROMAGNETICO FINITO

VIDEO VERSIONE FINALE

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Quante volte vi è capitato di dover sostituire quella odiosa lampadina che illumina la targhetta del campanello o citofono perché fulminata?
Ebbene se vi interessa porre una soluzione definitiva ed economica al problema ecco la soluzione!

La lampadina usata in moltissimi citofoni o campanelli è  detta "a siluro" ed ha la forma simile ad un fusibile. Essa viene spesso alimentata da un circuito che gli fornisce una tensione di 12-16V corrente alternata e consuma una potenza di circa 3W. Nei citofoni o campanelli essa rimane accesa 24/24 ore al giorno e quindi rappresenta un consumo considerevole alla fine dell'anno. Inoltre essendo una lampadina a filamento classica essa è soggetta alla rottura del filamento e il filamento stesso spreca molta dell'energia in calore invece che in luce.

Da alcuni anni chi "bazzica" nel mondo dell'elettronica avrà sicuramente notato la crescente disponibilità a basso prezzo di led ad alta luminosità di tonalità bianco (freddo o caldo) che permettono di illuminare oggetti con una efficienza molto alta. Dunque perché non usarli nei citofoni al posto delle normali lampadine a siluro?
Questo permette di ridurre i consumi, rendere la "lampadina" molto durevole (grazie alla longevità dei led) e di rendere più chiara la lettura dalla targhetta rispetto alle classiche e "cupe" lampadine a siluro.
Per poter utilizzare un led al posto della lampadina a siluro è necessario adottare un circuito che effettui le seguenti operazioni:

• Raddrizzi l'eventuale corrente alternata in ingresso con un diodo.
• Livelli la tensione pulsante in uscita dal diodo per eliminare il fastidioso sfarfallio a 50Hz in uscita dal diodo attraverso un condensatore elettrolitico.
• Limiti la corrente fornita al led attraverso una resistenza di opportuno valore ohmico e potenza supportata.

Il circuito che ho realizzato (visibile sotto) effettua tutte queste operazioni e risulta molto semplice sia da dimensionare che da realizzare.

Il circuito è stato progettato per funzionare con range di tensioni da circa 12V a oltre 16V corrente alternata o continua, consiglio comunque di adattare la potenza e il valore ohmico della resistenza alla tensione del vostro citofono.
Il circuito è molto semplice, il diodo 1N4148 supporta correnti oltre i 150mA (più che sufficienti per i circa 30mA massimi necessari al led bianco) e tensioni inverse molto più alte di quella con cui è alimentato il circuito (per i dettagli vedere il datasheet).
La capacità permette di livellare la tensione per evitare il fastidioso sfarfallio a 50Hz provocato dal raddrizzatore a diodo che provvede a far passare solo le semionde positive della corrente alternata. Può essere un qualsiasi elettrolitico da 22uF (potete prendere anche altri valori...).
La resistenza va dimensionata considerando la tensione presente ai capi del condensatore (attenzione al valore massimo se in ingresso vi è una corrente alternata), la tensione di caduta del led (tipicamente di 3V per i led bianchi ad alta luminosità) e la corrente di lavoro del led (tipicamente PER I LED BIANCHI AD ALTA LUMINOSITA' pari a circa 30mA).
Abbondate pure con il valore resistivo essendo necessaria non tutta la luminosità del led (a meno che non vogliate un citofono torcia!), pertanto scegliete pure un valore resistivo anche doppio (come in questo progetto).
Fate attenzione alla dissipazione termica della resistenza, nel mio caso ho preferito l'uso di 2 resistenze in parallelo da 2200 ohm 1/4W, invece dell'unica resistenza a 1200 ohm 1/2W dividendo così la potenza dissipata.

CONSIDERAZIONI SUL CONSUMO
Una lampadina a siluro consuma tipicamente una potenza di circa 3W tutto il giorno (24/24h).
Il circuito a led (considerando proprio il funzionamento del led alla massima potenza, condizione non necessaria per la lampadina a led del citofono) consuma una potenza di circa P = 15Volt * 30mA = 15*0,030 = 0,5W circa.
Direi che i calcoli si commentano da soli...
Inoltre il led ha una durata in anni molto maggiore della lampadina e consente di rendere il vostro citofono molto più luminoso (non esagerate!) rispetto al citofono del vicino (così potrete battere il vicino come luminosità del citofono, invece che cercare di rendere il vostro prato migliore!!!).

REALIZZAZIONE
Per quanto concerne la realizzazione del circuito io ho optato per la semplice basetta millefori, data la semplicità del circuito. Ovviamente cercate di rendere le dimensioni della basetta "compatibili" con quelle della lampadina a siluro del vostro citofono. Consiglio inoltre di mettere tutto il circuito dentro una guaina termo-restringente per evitare eventuali corti sulla scheda.

Di seguito alcune immagini...

BUON LAVORO!

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I DISPOSITIVI MASSABUS SONO ORA IN VENDITA COMPLETI E AGGIORNATI QUI!

Questa scheda è la versione ridotta della scheda Multi I/O Device del sistema domotico MassaBus. Dispone di 4 uscite a relè e di 4 ingressi digitali optoisolati e condivide la maggior parte dei comandi della scheda gemella più grande.

SCHEMA ELETTRICO

Lo schema è semplificato rispetto alla scheda Multi I/O Device, si nota in particolare l'uso di un microcontrollore più piccolo 16F628A e la mancanza del convertitore analogico-digitale. L'integrato ULN2803A è stato sostituito da 4 transistor per ottimizzare spazio e costi.

FIRMWARE

Il firmware è stotanzialmente identico a quello della scheda Multi I/O tranne per la mancanza delle istruzioni che eseguivano le funzioni del convertitore analogico-digitale che in questa scheda non è presente.

REALIZZAZIONE PRATICA

Di seguito è possibile osservare il circuito su PCB, l'immagine è puramente indicativa. Per realizzare le schede fate riferimento ai file allegati.

Attenzione che alcuni componenti (diodi, resistenze) sono montati in verticale quindi un terminale va sulla scheda e l'altro terminale assume la forma di "u" rovesciata per poter arrivare anch'esso alla scheda.

Fate attenzione anche a montare i due ponticelli presenti sulla scheda, realizzabili con del filo nudo.

ALCUNE IMMAGINI

I file per la realizzazione della scheda sono in formato PDF con sorgente in formato per FidoCAD, il firmware è compilato in formato HEX con il sorgente per l'IDE MikroBasic (in versione free).

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I DISPOSITIVI MASSABUS SONO ORA IN VENDITA COMPLETI E AGGIORNATI QUI!

La scheda Multi I/O device del sistema MassaBus permette di controllare l’attivazione di 8 uscite a relè, lo stato di 8 ingressi digitali optoisolati e la tensione presente in un ingresso analogico. La scheda dispone di un microcontrollore di gestione PIC 16F876, programmato con opportuno firmware, che assolve a tutte le funzioni di gestione della scheda e alla comunicazione nel sistema MassaBus.

La scheda viene alimentata a 16V dalla scheda di alimentazione del bus ed è dotata di due stabilizzatori (7812 e 7805) che permettono l’alimentazione dei dispositivi a 12V e 5V, per questo motivo la tensione entrante può discostarsi in eccesso dal valore minimo di 16V fino a 35V, ovvero il massimo consentito dall’integrato stabilizzatore, garantendogli però una adeguata dissipazione termica.

SCHEMA A BLOCCHI

La scheda dispone di 8 relè comandati dal microcontrollore attraverso l’integrato driver ad alte correnti ULN2803 che provvede a supportare la corrente richiesta dai relè e consente di ridurre i circuiti esterni necessari rispetto all’uso dei classici transistor, essendo la corrente dei relè superiore alla corrente massima assorbita dal microcontrollore (20mA contro i 60mA richiesti dai relè). Gli ingressi sono optoisolati attraverso dei fotoaccoppiatori 4N25, che permettono di garantire l’isolamento tra gli ingressi esterni e i circuiti elettronici presenti nella scheda. L’ingresso analogico è collegato, tramite un circuito di protezione, ad un convertitore analogico-digitale interno al microcontrollore che accetta tensioni da 0 a 5V ed il circuito di protezione permette proprio di limitare la tensione in ingresso al convertitore analogico digitale.

La scheda, come tutti i dispositivi interfacciati al bus RS485, è dotata del transceiver MAX485 (descritto precedentemente) e di un dip switch a tre vie che consente di attivare la resistenza di terminazione e le due resistenze di polarizzazione del bus. La scheda presenta inoltre un interruttore che permette di discriminare la funzionalità normale dalla funzionalità di programmazione dell’indirizzo e un led di segnalazione accensione e attività.

Ottuplo driver a darlington per alte correnti ULN2803

Un microcontrollore o un integrato TTL/CMOS non è in grado di gestire direttamente carichi che assorbono alta corrente, pertanto per poterli gestire è necessario ricorrere ad appositi driver che si occupano di fare da buffer di corrente permettendo il controllo di carichi elevati anche tramite integrati a bassa potenza. In questo caso per far gestire i relè di output della scheda Multi I/O Device al microcontrollore PIC 16F876 si è scelto di optare per l’integrato ULN2803.

Questo integrato presenta un ingresso attivo a livello alto collegabile direttamente all’uscita del microcontrollore, mentre in uscita presenta delle uscite attive basse (quindi il segnale viene invertito internamente) con dei diodi in antiparallelo che permettono di utilizzare dei relè o carichi induttivi (che creano tensioni inverse in grado i rompere, in mancanza di tale diodo, i componenti interni all’integrato) senza la necessità di diodi esterni, rendendo la realizzazione degli apparati più economica e integrata. Le uscite del relè, per essere attivate quando vi è attiva l’uscita del microcontrollore, debbono essere collegate ad un capo della bobina, mentre l’atro capo deve essere collegato insieme ai diodi in antiparallelo interni (terminale 10) alla tensione di alimentazione dei relè (in questo caso i 12V stabilizzati). Sotto è visibile lo schema interno.

Le principali caratteristiche di questo integrato (in riferimento al datasheet) sono:

• Tensione massima supportata in output 50V.
• Tensione in ingresso massima di 30V.
• Compatibilità input con tensioni caratteristiche TTL/CMOS.
• Supporta in output una corrente massima di 500mA ad uscita.
• Temperatura operativa da 0 a +70°C.

Il microcontrollore PIC 16F876

Il microcontrollore PIC 16F876 è il cuore della scheda Multi I/O del sistema MassaBus, esso si occupa di gestire tutto il funzionamento della scheda e implementa il protocollo di comunicazione del sistema MassaBus.

Le sue principali caratteristiche (in riferimento al datasheet) sono:

• CPU RISC ad alte prestazioni, cioè dispone di un ridotto set di istruzioni in assembly aventi tempi di esecuzione simile.
• La maggior parte delle istruzioni richiede un solo ciclo della CPU per essere eseguita, un ciclo corrispondono a 4 impulsi di clock.
• Supporta differenti tipi di generatori di clock e frequenze di clock fino a 20Mhz.
• Power on timer e watchdog timer e Brown-out Reset
• Alto range di tensioni di funzionamento: da2 a 5,5V.
• Uscite in grado di supportare fino a 20mA continuativamente.
• 8Kbyte di memoria FLASH interna.
• 13 tipi di interrupt supportati.
• 3 porte di I/O denominate PORTA, PORTB, PORTC.
• Basso consumo: con clock di 4Mhz l’assorbimento tipico è di 600uA a 3V.
• Dispone di molte periferiche interne, tra cui: 3 timer, un convertitore A/D a 5 canali con una risoluzione di 10bit, USART interno implementato a livello hardware e una EEPROM interna di 256 byte.

In figura è possibile notare la struttura interna, comprensiva di CPU, memoria, periferiche e pin di I/O.

Come si può notare dalle caratteristiche un microcontrollore in generale permette di integrare la potenza dei sistemi programmabili in dispositivi semplici e a basso consumo permettendo di ottenere una elevata “intelligenza” di funzionamento e una altissima praticità nella realizzazione.

Nel sistema MassaBus il microcontrollore permette di implementare tutto il protocollo di comunicazione, nonché di gestire tutta la scheda Multi I/O Device, permettendo anche la possibilità di modificarne il funzionamento senza alcuna modifica hardware.

Nella figura è possibile notare il package e il pinout del microcontrollore, esso viene utilizzato nella scheda come package PDIP a 28 piedini. I terminali del package spesso svolgono più funzioni e tutte le funzioni del microcontrollore (modalità terminali input o output, periferiche, interrupts etc) sono selezionabili tramite dei registri di configurazione interna, per i dettagli si faccia riferimento al datasheet del microcontrollore e al firmware presente di seguito.

La serie F dei microcontrollori PIC è caratterizzata dall’avere una ROM di tipo FLASH, ciò consente di effettuare più programmazioni del firmware senza dover necessariamente cambiare ogni volta microcontrollore. La programmazione può avvenire in due modalità: direttamente sulla scheda attraverso una interfaccia che va predisposta oppure attraverso un programmatore esterno, con la necessità di rimuovere dalla scheda di utilizzo il microcontrollore ogni qualvolta si debba riprogrammarlo. Nel sistema MassaBus non è stata prevista alcuna interfaccia di programmazione, pertanto per riprogrammare eventualmente il firmware interno del microcontrollore è necessario asportarlo dalla scheda e porlo sull’apposito programmatore.

Il microcontrollore dispone al suo interno di numerose funzioni che ne garantiscono la sicurezza di funzionamento:

• Power on timer: timer che permette di attendere la stabilizzazione della tensione di alimentazione del pic prima di avviare l’esecuzione del programma caricato.
• Brown-out reset: permette di resettare il PIC quando la tensione di alimentazione scende sotto il livello minimo.
• Watchdog timer: è un timer avente clock indipendente rispetto al clock del pic che, se attivato, viene incrementato e al raggiungimento del valore massimo contabile provoca un reset del microcontrollore. Per evitare il reset è necessario dare periodicamente nell’esecuzione del programma un istruzione di reset del conto del timer. Questa funzione permette in maniera molto efficace di evitare blocchi del programma in seguito a situazioni non previste o ad altre problematiche di vario genere.

Queste impostazioni essendo critiche per il funzionamento del programma sono impostabili solamente durante la programmazione del PIC. Il timer1, unico utilizzato nel microcontrollore, è un timer a 16 bit che al raggiungimento del suo valore massimo si resetta e provoca un interrupt.

Il sistema MassaBus utilizza in tutti i suoi dispositivi a microcontrollore come oscillatore un quarzo che consente di avere una alta stabilità della frequenza anche al variare della temperatura. Per la comunicazione sul bus viene utilizzato l’UART hardware del pic consentendo di risparmiare molto spazio nel firmware finale rispetto che ad una implementazione via software di tale dispositivo. L’EEPROM interna è utilizzata per memorizzare i parametri necessari al sistema per potersi ripristinare in caso di interruzione dell’alimentazione (es. gli indirizzamenti, i dati in output etc, per i dettagli fare riferimento al firmware).

FIRMWARE DI GESTIONE

Il firmware è il programma implementato sulla ROM FLASH del microcontrollore che esegue tutte le operazioni di gestione della scheda, della comunicazione nel bus e che premette quindi al microcontrollore stesso di funzionare.

I microcontrollori, come tutti i sistemi programmabili, eseguono le istruzioni attraverso un linguaggio macchina binario, pertanto per poterli programmare facilmente è necessario utilizzare un linguaggio a livello più alto quale l’assembly. Sebbene l’utilizzo di questo linguaggio risolva il problema della realizzazione del codice da parte di un umano, spesso si preferisce adottare linguaggi ancora di più alto livello quali ad esempio BASIC, C e PASCAL.

L’utilizzo di questi linguaggi consente di ottenere una maggiore semplicità nella stesura del codice e nella sua comprensione. Nella fattispecie per programmare il microcontrollore PIC si è fatto uso del compilatore “mikroBasic”, in versione freeware, facente uso del linguaggio BASIC e contenete al suo interno alcune librerie di gestione preprogrammate delle periferiche, tra cui quelle utilizzate nel firmware della scheda, ovvero le librerie ADC, EEPROM e UART.

La libreria ADC si occupa di gestire in maniera semplice e diretta la conversione analogica di un canale (nel caso del sistema MassaBus il canale 0 corrispondente al terminale AN0 del PIC. La libreria EEPROM permette in maniera semplice di scrivere e leggere le locazioni di memoria della EEPROM di cui è dotato internamente il PIC, mentre la libreria UART permette di utilizzare in maniera semplice l’USART in modalità asincrona presente a livello hardware all’interno del microcontrollore.

Il firmware del pic implementato nella scheda Multi I/O Device, con l’uso delle librerie citate, svolge nel dettaglio le seguenti funzioni:

• Provvede ad implementare le caratteristiche del protocollo MassaBus nella comunicazione con il bus.
• Verifica periodicamente a ciclo continuo il dato in input per aggiornare un registro chiamato H formato da 8 bit che rappresentano gli ingressi aventi avuto una transazione da livello0 a 1, ponendo tali bit a 1, ed un registro chiamato L formato da 8 bit che rappresentano gli ingressi che da livello 1 sono passati a 0, ponendo tali bit a 1. Questi registri vengono inoltre salvati in EEPROM in caso di variazione per poter essere ripristinati anche dopo un reset o spegnimento della scheda e sono liberamente resettabili tramite un comando.
• Verifica periodicamente la disponibilità di dati dall’UART.
• Le uscite dispongono di una modalità impulsiva che permette di attivare e disattivare le uscite impostate con un solo comando in un tempo da0,5 a 255 secondi. Tali impostazioni sono contenute in due registri chiamati pulse_byte, con a livello 1 i bit rappresentanti le uscite impulsive, e pulse_delay con in binario il valore del ritardo tra l’accensione e lo spegnimento. Il tempo di ritardo è stato gestito attraverso il timer1 a 16 bit del microcontrollore PIC che attraverso il circuito interno (mostrato in figura sotto), configurato con il prescaler a 8 divisioni e come frequenza base 1MHz proveniente dalla frequenza di clock (4MHz) diviso 4 (questo per l’architettura interna del pic), che provoca un interrupt ogni 0,526 secondi. Pertanto il valore del pulse_byte prima di essere confrontato con il numero degli interrupt avvenuti viene raddoppiato (come visibile nel firmware stesso) creando una temporizzazione che conta il secondo (in maniera ovviamente non precisa essendo 0,526 >0,5). L’utilizzo del timer consente al microcontrollore di eseguire altre operazioni durante il conteggio consentendo alla scheda di rimanere sempre vigile ai comandi impartitigli.

• La scheda permette di convertire un valore di tensione analogico in digitale attraverso la gestione da parte del programma di un convertitore ADC interno. Questo convertitore può essere avviato singolarmente oppure insieme agli altri ADC con un comando in broadcast.
• I registri H e L, il valore in output, i registri pulse_byte e pulse_delay nonché gli indirizzi vengono sono salvati nella memoria EEPROM ad ogni modifica consentendone il ripristino in caso di spegnimenti o reset.
• Supporta la conversione del valore del convertitore A/D in maniera singola e in broadcast.
• Essendo la conversione A/D in broadcast senza conferma, il firmware della scheda può permettere tramite una funzione una sola lettura a conversione, permettendo di capire se il comando era stato ricevuto correttamente.
• Gestione del transceiver MAX485 per permettere la comunicazione nel bus condiviso.
• Programmazione degli indirizzi diretta via software.

Di seguito è possibile osservare il diagramma di flusso progettato del programma inserito nel pic. In esso si fa riferimento a delle procedure esterne (decodifica dati, controllo input e codifica dati) che possono essere ritrovate in dettaglio nel firmware in linguaggio BASIC fornito.

Nel diagramma di flusso è possibile notare la presenza di un ciclo continuo (LOOP) che si occupa principalmente di resettare il Watchdog timer, controllare il valore binario degli ingressi input e di controllare la presenza di dati in transito nel bus. Tali dati se destinati alla scheda (direttamente o tramite indirizzo di broadcast) faranno eseguire al firmware le procedure richieste. E’ presente inoltre una speciale modalità che permette la programmazione iniziale degli indirizzi direttamente via software (con la necessità però di intervenire sull’apposito deviatore di selezione modalità presente sulla scheda).

Diagramma di flusso

Il firmware è disponibile nei download della scheda (a fondo pagina), è comprensivo di sorgenti e file HEX per programmare il microcontrollore.

SCHEMA ELETTRICO

In figura è possibile vedere lo schema elettrico della scheda Multi I/O Device. Partendo dall’alimentazione è possibile notare la presenza di due stabilizzatori 78xx (IC1,IC2) che permettono di fornire tensioni rispettivamente di 12V per i relè e 5V per il resto del circuito. Gli stabilizzatori sono dotati, oltre che al classico diodo di protezione D1 per impedire la rottura del circuito in caso di inversioni di polarità, anche dei diodi D2 e D3 che proteggono gli stabilizzatori dalle tensioni inverse che potrebbero avvenire durante la scarica dei condensatori di livellamento inseriti tra gli stabilizzatori.

Gli ingressi sono optoisolati, pertanto in ingresso vi deve essere un circuito in grado di attivare il led dei fotoaccoppiatori e un led di indicazione posto sulla scheda che indica in maniera chiara l’attivazione dell’ingresso. Il circuito in questione è visibile a destra di ogni fotoaccoppiatore (es. OC1) ed è composto da una resistenza di limitazione della corrente e un diodo (es. D4) che protegge i diodi led dalle tensioni inverse (avendo i diodi led una tensione di rottura inversa molto bassa). Tale diodo normalmente è interdetto ed interviene soltanto in caso di tensione entrante avente polarità errata.La resistenza facente capo al circuito (es. R1) in questo caso è stata dimensionata per un funzionamento a 12V, comunque la praticità della configurazione circuitale permette di adattare il circuito a varie tensioni entranti cambiando solamente la resistenza e utilizzando un diodo aventi caratteristiche idonee. 

La formula per calcolare tale valore può essere realizzata considerando la prima legge di ohm e la maglia dei diodi led:

Quando la tensione immessa negli ingessi ha polarità errata il diodo in antiparallelo protegge i diodi led dalla rottura ed anche se stesso è protetto dalla resistenza posta subito dopo l’ingresso che provvede a limitare la corrente. In questo caso è stato usato come diodo il modello 1N4148 che supporta, come detto da datasheet, una corrente di 200mA e una tensione inversa di 75V a 25°C pertanto è più che sufficiente per l’utilizzo con Vin = 12V. All’ uscita dei fotoaccoppiatori vi è presente un transistor che cortocircuita il terminale del microcontrollore (IC3) entrante (porte RB del PIC impostate come ingresso) ogni volta che il led interno viene attivato. Si nota la mancanza delle classiche resistenze di pull-up essendo queste attivate direttamente dentro il microcontrollore (come visibile nella figura rappresentante l’interno dei terminali RB usati) consentendo una realizzazione più economica e compatta.

L’ingresso del convertitore A/D presente nel microcontrollore è protetto dalle tensioni fuori range 0-5V dal circuito visibile in basso a sinistra dello schema ed è composto essenzialmente da una resistenza (R12) ed un diodo zener (ZD1) che avendo tensione di soglia inversa 5,1V provvederà al superamento di 5,1V a far scorrere corrente mantenendo ai capi di R13 una tensione massima di 5,1V proteggendo l’ingresso del convertitore A/D del microcontrollore.

Nello schema è poi possibile notare i terminali di output dei relè del microcontrollore che finiscono nell’integrato ULN2803 (IC4), che come precedentemente descritto, si occupa di gestire le correnti richieste dai relè e contiene al suo interno anche i diodi di ricircolo necessari essendo il relè un carico induttivo e al suo distacco provoca delle tensioni inverse che potrebbero rompere le porte dell’integrato. Si nota la resistenza della resistenza R9 di pull-up, necessaria essendo quell’uscita del microcontrollore di tipo open-collector.

Tutti i relè hanno collegato in parallelo alla bobina un diodo led con resistenza di limitazione dimensionata per 12V che permette di indicare in maniera chiara l’attivazione del relè. I relè dispongono di un singolo contatto avente il terminale in comune, il terminale normalmente aperto e il terminale normalmente chiuso; permettendo il collegamento di dispositivi a corrente continua o alternata fino a tensioni di 250Vac o 110Vdc e una corrente di 16A, considerando i relè come fossero dei normali deviatori, quindi con la massima flessibilità dei collegamenti ed utilizzi. I relè permettono inoltre di isolare il circuito elettronico dai dispositivi comandati.

A sinistra del microcontrollore è possibile notare il quarzo Q1 e i due condensatori C8 e C9 che provvedono a generare la frequenza di clock del microcontrollore a 4 MHz. Come in ogni scheda avente un microcontrollore del sistema MassaBus è presente un pulsante (P1) che effettua il reset manuale del il microcontrollore e un led di segnalazione attività (LD9) con relativa resistenza di limitazione (R11) dimensionata per 5V. Un ingresso del microcontrollore è usato per l’interruttore SW1 che consente di selezionare la modalità normale o la modalità di programmazione a livello hardware. E’ presente in basso a destra il circuito con l’integrato MAX485 che si occupa dell’interfacciamento tra l’UART del PIC e il bus RS485 del sistema MassaBus con il dip switch a 3 terminali che consente di attivare la resistenza di terminazione e le resistenze di polarizzazione del bus.

REALIZZAZIONE PRATICA

Di seguito è possibile osservare il circuito su PCB, l'immagine è puramente indicativa. Per realizzare le schede fate riferimento ai file allegati.

Alcune immagini

Sono allegati al progetto i file programma del microcontrollore (diagramma per il programma Diagram Designer, programma in basic per mikroBasic Pro, file HEX precompilato da inserire direttamente nel PIC) e i file di realizzazione della scheda (in formato PDF e FidoCAD)

Nota: Il programma mikroBasic permette nella sua versione gratuita di compilare con funzionalità complete programmi grandi fino a 2Kbyte, il programma di questa scheda è inferiore a questa soglia e pertanto potrete ricompilare a piacimento il programma utilizzando la versione FREE di mikroBasic.

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I DISPOSITIVI MASSABUS SONO ORA IN VENDITA COMPLETI E AGGIORNATI QUI!

La scheda Temperature sensor è una scheda del sistema domotico MassaBus che provvede a misurare la temperatura in un ambiente o su una cosa. Per effettuare ciò utilizza un sensore di temperatura digitale della Dallas Semiconductor DS18S20 che permette di rilevare temperature da -55 a +125°C con una accuratezza di +/- 0,5°C. Essendo il sensore di tipo digitale esso può essere posto anche a distanza di qualche metro dalla scheda di gestione, permettendo l’attacco in maniera semplice su un oggetto di cui vi è necessario monitorare la temperatura.

SCHEMA A BLOCCHI

La scheda collegata al bus permette di fornire al sistema MassaBus la temperatura ambientale o di una cosa che potrà essere elaborata dal sistema domotico per eseguire azioni di vario genere. La scheda ha come cuore centrale in microcontrollore PIC 16F628 che si occupa di gestire sia il sensore, sia il bus domotico. La scheda può essere alimentata direttamente con l’alimentazione centralizzata del sistema MassaBus essendo dotata di stabilizzatore.

Il microcontrollore PIC 16F628

Il microcontrollore PIC 16F628 fa parte della stessa famiglia del microcontrollore PIC 16F876 utilizzato nella scheda “Multi I/O Device”, pertanto in questo capitolo verranno descritte solo le differenze che presenta rispetto al 16F876. Innanzitutto questo microcontrollore dispone di un package più piccolo a 18 pin , meno periferiche e meno memoria disponibile. Permette però di adattarsi meglio, rispetto al 16F876, ai sistemi più semplici garantendo compattezza e più economicità.

Le sue principali caratteristiche sono:

• CPU RISC ad alte prestazioni, cioè dispone di un ridotto set di istruzioni in assembly aventi tempi di esecuzione simile.
• La maggior parte delle istruzioni richiede un solo ciclo della CPU per essere eseguita, un ciclo corrispondono a 4 impulsi di clock.
• Supporta differenti tipi di generatori di clock e frequenze di clock fino a 20Mhz, dispone anche al suo interno di un oscillatore RC impostabile a 4 MHz o 37 KHz .
• Power on timer e watchdog timer e Brown-out Reset.
• Alto range di tensioni di funzionamento: da 3 a 5,5V.
• Uscite in grado di supportare fino a 20mA continuativamente.
• 2Kbyte di memoria FLASH interna.
• 10 tipi di interrupt supportati.
• 3 porte di I/O denominate PORTA, PORTB, PORTC.
• Dispone di molte periferiche interne, tra cui: 3 timer, USART interno implementato a livello hardware e una EEPROM interna di 128 byte.

In figura sotto è visibile lo schema a blocchi dell’architettura interna del microcontrollore.

Per la descrizione dei componenti si rimanda alla descrizione fatta nell'articolo di descrizione della scheda "Multi I/O Device" essendo il PIC 16F876 della stessa famiglia del microcontrollore 16F628.

Sensore di temperatura ad alta precisione DS18S20

Il sensore di temperatura DS18S20 della Dallas Semiconductor è un trasduttore di temperatura digitale che consente di misurare temperature da -55 a 125°C con una accuratezza di +/- 0,5°C e di fornire direttamente in digitale la temperatura appena misurata. Nella figura superiore è possibile osservare l’aspetto esteriore del sensore di temperatura. Come si può notare esso presenta tre terminali di cui 2 necessari all’alimentazione ed uno per la comunicazione dati. Per la comunicazione questo sensore di temperatura utilizza uno speciale protocollo chiamato OneWire che permette a sensore di comunicare in maniera bidirezionale con un unico filo conduttore.

Il sensore di temperatura dispone internamente di un convertitore analogico digitale con una risoluzione di 9 bit, di una memoria che mantiene memorizzati gli ultimi valori e alcune impostazioni e di una interfaccia per il controllo del bus OneWire.

Le sue caratteristiche principali, da datasheet, sono:

• Protocollo di comunicazione OneWire.
• Possibilità di connessione multipla avendo ogni sensore un proprio indirizzo.
• Range di alimentazione da 3 a 5,5V.
• Range di temperatura misurata da -55 a +125°C.
• Accuratezza della misura di +/- 0,5°C
• Risoluzione conversione analogico digitale di 9 bit.
• Tempo di conversione massimo pari a 750ms.
• Permette il settaggio di temperature di allarme.
• Possibilità di alimentare l’unità tramite l’apposito terminale o direttamente dal bus OneWire.

Per interfacciare il sensore all’unità di controllo (es. microcontrollore) è necessario collegare il pin del protocollo OneWire a un terminale del microcontrollore di tipo Open-Collector (vedere la figura sotto) e collegare una resistenza di pull-up da 4,7K, inoltre è necessario alimentare il sensore tramite l’apposito pin o tramite una speciale modalità che non essendo usata non viene descritta. Per effettuare una misurazione è necessario fornire nel terminale del protocollo OneWire delle parole di comando che fanno capo sempre ad un reset del sensore.

La misurazione di una temperatura si articola in due fasi: inizio della conversione e lettura della misura nella memoria (la cui struttura è visibile in figura sotto) dopo almeno i 750ms necessari alla conversione. Come si può notare nella struttura della memoria la temperatura viene salvata nei primi due byte della memoria, mentre gli altri byte vengono utilizzati per alcune funzioni non utilizzate nella scheda.

I primi due byte assumono i valori visibili in figura sotto associati alla temperatura misurata. Si può notare come il primo byte meno significativo rappresenta il valore binario di temperatura convertito (che moltiplicato per 0,5°C fornisce il valore diretto della temperatura in gradi celsius), mentre il secondo byte più significativo rappresenta il segno.

Nella scheda si è scelto di consentire l’uso di un solo sensore, pertanto in questo caso andranno forniti al sensore una successione di comandi ben definiti senza utilizzare l’indirizzamento opzionale del sensore (per maggiori dettagli fare riferimento al datasheet).

1. Comando di reset
2. Comando di salto senza indirizzamento (detto skip rom)
3. Comando della funzione (es. inizio conversione, lettura etc)

Per i dettagli sui comandi si faccia riferimento al datasheet e al firmware della scheda descritto di seguito e nei file allegati.

FIRMWARE DI GESTIONE

Il firmware di gestione è stato progettato, come per le altre schede aventi microcontrollore PIC, attraverso il compilatore mikroBasic pertanto valgono le stesse considerazioni fatte precedentemente. Il compilatore contiene al suo interno una libreria chiamata OneWire che permette la gestione diretta dei sensori di temperatura DS18S20 e del pin del microcontrollore adibito alla comunicazione con il sensore, attraverso delle subroutine apposite:

• Ow_Reset(Porta, pin) che effettua il reset del sensore di temperatura e restituisce 1 se il sensore non viene rilevato;
• Ow_Read(Porta, pin) che permette di leggere un dato nel bus OneWire;
• Ow_Write(Porta, pin, dato) che permette di scrivere un dato nel bus OneWire.

Vengono utilizzate inoltre anche le librerie EEPROM per la gestione della omonima memoria e la libreria UART per il controllo della seriale. Essendo il tempo di conversione di 750ms per non rallentare il funzionamento del bus si è scelto di articolare il funzionamento della scheda con due tipi di funzioni normali: una per la partenza della conversone e una per il prelievo del valore convertito.

Le funzioni svolte dal firmware sono le seguenti:

• Provvede ad implementare le caratteristiche del protocollo MassaBus nella comunicazione con il bus.
• La funzione di partenza della conversione della temperatura può essere effettuata singolarmente e in broadcast consentendo di inviare un unico comando di conversione a tutte le schede e permettendo successivamente di prelevare in maniera veloce il valore a tutte le schede senza attendere più volte il tempo di 750ms necessario alla conversione.
• Il firmware utilizza il timer1 a 16 bit configurato per fornire un interrupt ogni 524ms (come nella scheda Multi I/O Device) che permette di scandire il tempo necessario alla conversione senza impegnare l’esecuzione del programma. Essendo l’unità temporale dell’interrupt di 524ms per effettuare un conversione coprendo i 750ms del sensore sono necessari due interrupt per poter poi prelevare il valore di temperatura.
• In accordo con le funzioni del sensore la scheda può rilevare la presenza del sensore.
• Essendo la conversione in broadcast senza conferma, il firmware della scheda può permettere tramite una funzione una sola lettura a conversione, permettendo di capire se il comando era stato ricevuto correttamente.
• Gestione del transceiver MAX485 per permettere la comunicazione nel bus condiviso.
• Programmazione degli indirizzi diretta via software.

Di seguito è possibile osservare il diagramma di flusso del programma inserito nel pic. In esso si fa riferimento a delle procedure esterne (decodifica dati, controllo input e codifica dati) che possono essere ritrovate in dettaglio nel firmware in linguaggio BASIC fornito.

Nel diagramma di flusso progettato, analogamente a quello della Multi I/O Device, vi è presente un ciclo continuo (LOOP) che si occupa in questo caso principalmente di verificare la fine di un eventuale conversione del sensore iniziata precedentemente e la presenza di dati in transito nel bus. Se la scheda è richiamata (direttamente o tramite indirizzo di Broadcast) il firmware si occupa di effettuare l’operazione richiesta. Come in tutte le schede slave del sistema MassaBus è presente un speciale modalità (selezionabile sulla scheda tramite deviatore) che permette la programmazione degli indirizzi direttamente via software.

Il firmware è disponibile nei download della scheda (a fondo pagina), è comprensivo di sorgenti e file HEX per programmare il microcontrollore.

SCHEMA ELETTRICO

In figura sopra è visibile lo schema elettrico progettato della scheda sensore di temperatura del sistema MassaBus. Si nota la presenza dello stabilizzatore 7805 (IC4) che provvede a fornire i 5V stabilizzati necessari al corretto funzionamento dei circuiti integrati della scheda. Il microcontrollore PIC (IC1) ha collegato il bus OneWire del sensore attraverso una sua particolare porta con uscita di tipo open-collector chiamata RA4 (presente nel package sul pin 3) e il cui schema interno è visibile in figura sotto dove è evidenziato il particolare circuito di output.

In questa maniera è possibile utilizzare attraverso tale porta il protocollo OneWire utilizzato dal sensore, anche attraverso l’uso della resistenza di pull-up R3 da 4,7K prevista dal protocollo.

A sinistra del microcontrollore si può notare il pulsate di reset P1 collegato al pin di reset generale del microcontrollore e i pin che collegano l’interfaccia UART interna al PIC con il transceiver MAX485 ed il relativo dip switch a 3, entrambi descritti nello schema elettrico della scheda Multi I/O Device. Sono presenti inoltre i componenti presenti in tutte le schede slave del sistema MassaBus, ovvero il led di segnalazione attività con l’opportuna resistenza di limitazione della corrente e il deviatore che consente di selezionare la modalità normale o la modalità programmazione. A destra del microcontrollore è presente il quarzo a 4 MHz con i relativi condensatori che garantisce una maggiore stabilità e precisione rispetto all’oscillatore a 4 MHz interno al microcontrollore.

REALIZZAZIONE PRATICA

Di seguito è possibile osservare il circuito su PCB, l'immagine è puramente indicativa. Per realizzare le schede fate riferimento ai file allegati. 

Alcune immagini 

Sono allegati al progetto i file programma del microcontrollore (diagramma per il programma Diagram Designer, programma in basic per mikroBasic Pro, file HEX precompilato da inserire direttamente nel PIC) e i file di realizzazione della scheda (in formato PDF e FidoCAD).

Nota: Il programma mikroBasic permette nella sua versione gratuita di compilare con funzionalità complete programmi grandi fino a 2Kbyte, il programma di questa scheda è inferiore a questa soglia e pertanto potrete ricompilare a piacimento il programma utilizzando la versione FREE di mikroBasic.

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Benvenuto in Massari Electronics

Questo sito di Marco Massari tratta di argomenti riguardanti elettronica, informatica, automazione e molto altro. Clicca nel menù superiore per accedere alle varie sezioni del sito, ove tra le tante realizzazioni che ho intenzione di condividere troverete alcuni dei miei progetti come Remotecontrol e MassaBus.

NEWS:

• Se vuoi seguire tutti gli aggiornamenti del sito e molto altro puoi iscriverti attraverso l'apposito box alla pagina di Facebook di Massari Electronics!
• Orologio a display nixie con microcontrollore PICOrologio a display nixie con microcontrollore PIC

ALCUNI ARTICOLI:

	Realizzazione di un fucile elettromagnetico a scopo didattico in grado di sparare piccoli oggetti ferrosi come chiodi o di magnetizzare i cacciaviti.
	Realizzazione di un lampeggiatore musicale avente la possibilità di comandare molti dispositivi come barre di led o lampade ad incandescenza. Collegandolo ad una fonte audio si potrà avere un piacevole effetto stroboscopico a ritmo di musica.
	OffTime è un programma che permette di spegnere, riavviare, sospendere o disconnettere un PC ad un orario prefissato o dopo un certo periodo di tempo impostabile. Risulta utilissimo per chi vuole spegnere il PC durante la notte. Dispone di molte funzionalità aggiuntive ed è compatibile anche con windows 7 e 8.
	Remotecontrol è un mio primo progetto riguardante i telecontrolli. Tale sistema permette di controllare a distanza, anche via internet, 8 uscite e 5 ingressi della porta parallela. Particolarmente interessanti sono le modalità di interfacciamento tra circuiti esterni e la porta parallela del PC.

Buona navigazione!

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Ti interessa acquistare la versione aggiornata di MusicLight (ora SoundLight) già pronta all'uso? Clicca qui.

 Ecco qui presentato un mio nuovo progetto realizzato in seguito ad una richiesta di un mio amico. 

Lui aveva bisogno di un circuito che facesse lampeggiare a ritmo di musica dei led o altri tipi di fonti luminose attraverso l’uscita audio del computer.
Successivamente, vista la bontà del circuito, me ne sono costruito uno anche per me e me lo sono messo in camera a mo’ di discoteca!!!

Ma partiamo subito con la descrizione del circuito:

Il circuito è composto da un ingresso per l’alimentazione, uno per l’audio e da un uscita per collegare le lampadine o led da controllare.
L’alimentazione necessaria al circuito (e disponibile in uscita) è di 12 volt, quindi è adattabile sia alle alimentazioni del Personal Computer, sia ad un alimentatore esterno.
Lo schema può essere sostanzialmente diviso in 2 parti:
La prima parte è formata da un amplificatore a BC547 (o equivalente) che amplifica il segnale proveniente dalla scheda audio pel PC (che solitamente arriva al massimo ad una tensione di 1 – 2 V picco-picco) ad un valore di tensione che può arrivare fino a 3-4 V picco picco.
Nel dettaglio si può osservare che il segnale passa subito nel condensatore in poliestere C1 da 47nF (nello schema ce ne sono quattro in parallelo perché nel mio laboratorio avevo solo condensatori in poliestere da 10nF), questo condensatore serve a non far tornare indietro (verso il computer) la corrente continua che tiene polarizzato il transistor TR1, infatti dopo il condensatore avremo il segnale più la componente continua che mantiene i transistor polarizzati in zona attiva. TR1 amplifica il segnale che poi va alla base di TR2 dove viene ulteriormente amplificato.
A questo punto C3 esegue il lavoro inverso di C1 permettendoci di riottenere il segnale amplificato senza la componente continua e senza sfasamenti nella sinusoide.

Seconda parte del circuito
Come si può notare il tutto parte da un potenziometro che permette di regolare la sensibilità del circuito, questo è utile soprattutto se lo collegherete a distanza dal PC o per avere la luminosità preferita.
Quando nessun segnale è presente in ingesso e la tensione data dal potenziometro (quindi quella tra base ed emettitore di TR3) è maggiore di 0.7V il transistor forzerà a massa l’alimentazione dal gate del Mosfet di tipo N che risulta interdetto (ovvero luci collegate spente all’ uscita), in questo caso il circuito è a riposo.
Quando dalla uscita audio del computer esce un segnale la prima parte del circuito lo amplifica e lo riporta amplificato su C3.
Il potenziometro è collegato da un capo alla tensione positiva di alimentazione e dall’ altro alla massa permettendoci di selezionare una tensione che va da 12 volt (considerando il diodo D1 ideale) a 0 volt. Il cursore del potenziometro è collegato a R9 da 56Kohm che fa passare una debolissima corrente (dipendente dal potenziometro) che C3 va ad assorbire in presenza di segnale portando in interdizione TR3 che quindi non può più forzare a massa il gate del Mosfet di tipo N IRF540 (siglato Q1) che va in conduzione e fa accendere il carico collegato in uscita.
Ovviamente essendo un segale audio il transistor TR3 non viene interdetto continuamente ma segue l’andamento della tensione del segnale e quindi della caria e scarica di C3 ed è proprio questo che ci da l’idea della luce a ritmo di musica. Infatti in alcuni instanti il mosfet sarà interdetto o in zona lineare o in saturazione a seconda di TR3 il cui funzionamento dipende dalla corrente assorbita da C3 tra R9 ed R10 e quindi dal suono amplificato.

NELLA COSTRUZIONE "A MANO" NON FATE RIFERIMENTO ALLE IMMAGINI SOTTOSTANTI MA ALLO SCHEMA E AI FILE DI EAGLE PRESENTI SOTTO LE IMMAGINI!

Qui vi sono i file per realizzare la scheda (richiede programma CAD Eagle)

DOWNLOAD

COLLEGAMENTO DEL DISPOSITIVO
Ecco lo schema di collegamento del dispositivo con evidenziati i componenti di taratura e dissipazione.

Per funzionare il circuito necessita di un alimentazione a 12Vdc, l'ingresso audio andrà collegato alla fonte audio attraverso un classico jack da 3,5mm collegando un solo canale (es. L) e la massa. secondo il seguente schema:

In alternativa è possibile collegare entrambi i canali stereo al musiclight miscelando assieme l'audio dei due canali attraverso due resistenze da 1Kohm, come visibile nella fugura sotto. In questo modo l'audio verrà prelevato da entrambi i canali senza però porli in cortocircuito!

Tutti i dispositivi di illuminazione (funzionanti a 12V ovviamente) andranno collegati in parallelo all'uscita carico.
Una volta effettuato il collegamento del circuito sarà necessario tararlo: questa operazione è molto semplice. Per prima cosa regolare il volume della sorgente audio ai valori preferiti, immettere un suono possibilmente vario e regolare il trimmer fino ad ottenere la sensibilità preferita. Se il volume in uscita porta anche col trimmer al minimo una saturazione delle luci (sempre accese) essendo il segnale in ingresso troppo alto è necessario porre prima della fonte audio (tra il segnale + del connettore) un trimmer (o un potenziometro) lineare da 4,7K con ai capi il segnale audio e la massa (in comune e collegata al -), mentre al cursore l'ingresso del circuito music light. Come visibile nella figura sotto.

DISPOSITIVI DI ILLUMINAZIONE
Nella versione che mi sono messo in camera ho collegato una striscia di led commerciale a 3 colori ed una piccola basetta auto costruita con saldati 2 led ad alta luminosità da 1 W collegati in serie e con ovviamente la resistenza di limitazione.

Realizzazione del faretto con led ad alta luminosità

Lo schema come potete vedere è minimale e semplice da realizzare, è composto da 2 led ad alta luminosità da 1W. I led possono essere dei qualsiasi tipo, l’importante è sapere la corrente assorbita e la tensione di soglia.
Nel mio caso avevo dei led con tensione di soglia di 3,4V e un assorbimento di 350mA. Considerando che io ho 2 led in serie avrò la stessa corrente e tensione di soglia uguale alla somma delle 2 tensioni di soglia.
Quindi 6,8 V come tensione di soglia e 350mA di assorbimento, ora si può procedere ai calcoli con l’immortale legge di ohm:

Dove :
R è la resistenza incognita
Vcc è la tensione di alimentazione (deve essere maggiore della tensione di soglia ovviamente!)
Vled è la tensione di soglia
NB: il risultato è stato arrotondato per eccesso al valore di resistenze standard E12 più vicino

Dato che l’assorbimento è abbastanza alto andrà calcolata anche la potenza dissipata dalla resistenza secondo la formula:

Dove:
R è il valore della resistenza
I è la corrente che gli scorrerà attraverso
P è la potenza che dissiperà
NB: il risultato è stato arrotondato per eccesso al valore di potenza standard delle resistenze.

VIDEO

Buon lavoro!

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ATTENZIONE: Alcuni dispositivi descritti in questo articolo possono presentare ALTE TENSIONI che possono rivelarsi anche MORTALI se non si opera in modo opportuno. L'autore non si assume alcuna responsabilità per danni a cose o a persone!

Un orologio con un affascinate tubo NIXIE controllato tramite microcontrollore PIC. Ecco come antichità e innovazione si possono unire per realizzare un dispositivo affascinante e che non farà mancare la curiosità ai propri spettatori. Dispone di un alimentatore ad alta tensione controllato direttamente dal PIC in grado di far accendere il tubo NIXIE.

...Continua....

SCHEMA ELETTRICO

IMMAGINI

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I DISPOSITIVI MASSABUS SONO ORA IN VENDITA COMPLETI E AGGIORNATI QUI!

Questa è scheda progettata per fornire la corretta alimentazione elettrica per tutte le unità del bus MassaBus e pertanto deve essere unica in tutto il bus, se i dispositivi nel bus hanno una alimentazione centralizzata e interconnessa. L’utilizzo di una alimentazione centralizzata permette di proteggere in maniera efficace il sistema in caso di blackout o sabotaggio dell’alimentazione elettrica, attraverso l’utilizzo di un gruppo di continuità. Ovviamente le altre schede possono anche essere alimentate indipendentemente a discapito della centralizzazione delle alimentazioni dell’impianto. La scheda prevede una tensione in ingresso pari a 12Vac, pertanto per poter alimentare la scheda con la tensione di rete è necessario interporre un trasformatore riduttore di tensione (230V/12V), la cui uscita a 12V può essere connessa direttamente all’ingresso della scheda.

Caratteristiche scheda alimentazione progettata

La scheda progettata dispone delle seguenti caratteristiche:

• Dispone di raddrizzatore, pertanto può essere collegata direttamente a trasformatori di alimentazione. La tensione di alimentazione consigliata può essere almeno 14Vac in caso di tensione alternata diretta da trasformatore o almeno 18Vdc in caso di alimentazione con tensione continua (questa possibilità permette di collegare come alimentazione della scheda dispositivi di backup a batteria, evitando così l’utilizzo di costosi UPS).
• Supporta come tensione in ingresso un range molto elevato essendo dotata di stabilizzatore di tensione per l’alimentazione della scheda di interfaccia bus ed essendo i dispositivi slave dotati di proprio stabilizzatore interno.
• La scheda è protetta tramite fusibile da cortocircuiti (esso andrà dimensionato in base alla grandezza dell’impianto).
• Dispone di un uscita stabilizzata a 5V per alimentare la scheda di interfaccia bus.
• Dispone di un uscita non stabilizzata a 16V per l’alimentazione dei dispositivi slave presenti nel bus.

Schema elettrico progettato

Di seguito viene mostrato lo schema elettrico progettato della scheda di alimentazione dimensionato per una corrente massima erogabile di 2A.

L’alimentatore presenta al suo ingresso un fusibile di protezione che interviene in caso di cortocircuiti presenti nella linea di alimentazione del bus, prevenendo eventuali rotture del ponte rettificatore e del trasformatore a monte del circuito. Successivamente è presente un ponte di diodi che permette di utilizzare il circuito sia con corrente alternata, sia con corrente continua, evitando però la necessità di rispettare una polarità in ingresso al circuito. Infatti il ponte raddrizzatore a diodi permette di dare in uscita una ben precisa polarità anche in caso di inversione della polarità in ingresso ed è per questo motivo che la configurazione dei diodi BR1 viene comunemente chiamata a ponte raddrizzatore. In uscita dal ponte vi si trova un condensatore di livellamento C1 che provvede a livellare la tensione pulsante, nel caso di alimentazione in corrente alternata. La sua capacità deve essere tale per permettere all’alimentatore di fornire, a carico massimo, un ripple accettabile dai circuiti alimentati (solitamente viene utilizzata una capacità di 1000uF per ogni ampere da erogare).

In questo caso dato l’assorbimento massimo di 2A si è scelto di utilizzare una capacità da 2200uF che permette di garantire un basso ripple in uscita.

La tensione livellata dal condensatore C1 a questo punto viene inviata direttamente alla linea del bus e allo stabilizzatore di tensione IC1 della linea riservata all’interfaccia del bus.

I condensatori C2 e C3 connessi allo stabilizzatore provvedono ad evitare auto oscillazioni dell’integrato stabilizzatore 7805. Tale integrato provvede a stabilizzare la tensione nella sua uscita, mantenendo una tensione di 5V costante anche al variare del carico. Inoltre presenta verso massa un diodo D1, necessario per elevare la tensione stabilizzata (5V) di 0,7V in previsione della caduta di tensione del diodo di protezione polarità in ingresso alla scheda di interfaccia BUS.

In uscita dallo stabilizzatore di tensione vi è posto un led con relativa resistenza di limitazione che provvede ad indicare il corretto funzionamento del circuito. La resistenza di tale led è stata dimensionata per fornire al led una corrente molto bassa di circa 4mA, per poter risparmiare sul consumo, essendo questo led di sola indicazione ed essendo acceso ininterrottamente.

Come si può notare dallo schema l’alimentazione del BUS non utilizza alcuna stabilizzazione (essendo le schede slave dotate di proprio stabilizzatore) e pertanto per cambiare l’assorbimento massimo consentito, in relazione alle dimensioni previste del sistema, sarà sufficiente mutare i valori del fusibile, del ponte di diodi e della capacità. Lo stabilizzatore di tensione inserito (7805) interviene soltanto nella alimentazione della scheda di interfaccia bus, essendo essa non dotata di stabilizzatore. Il calore generato dall’integrato 7805 durante l’alimentazione della scheda di interfaccia bus non è tale da richiedere l’uso di un dissipatore, avendo essa un assorbimento, durante il normale funzionamento, inferiore al centinaio di milliampere.

Nel link sotto sono disponibili i file per realizzare la scheda con anche il file in formato fidocad.

DOWNLOAD FILE REALIZZAZIONE SCHEDA

ALCUNE IMMAGINI

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I DISPOSITIVI MASSABUS SONO ORA IN VENDITA COMPLETI E AGGIORNATI QUI!

La scheda di interfaccia bus MassaBus si occupa di adattare i segnali dell’interfaccia RS232 del computer master in segnali di tipo RS485, adatti alla comunicazione nel bus. La scheda può essere alimentata a 5V sia dalla scheda di alimentazione (che ha una apposita uscita riservata a questa scheda), sia dal computer master con cui è collegata via seriale RS232 visto che i PC solitamente dispongono già di linee interne di alimentazione stabilizzate a 5V.

Nella figura sopra è possibile notare il layout della scheda che dispone nel lato sinistro del connettore standard RS232 a 9 pin, mentre nel lato destro trovano spazio un connettore morsetto a 3 vie per collegare il bus domotico alla scheda (linee A,B e GND), un connettore a due vie per l’alimentazione a 5V della scheda e un dip switch dotato di tre interruttori che permettono di attivare la resistenza di terminazione della linea e le resistenze di polarizzazione del bus. Le modalità di attivazione e di collegamento sono state descritte nel capitolo relativo al bus RS485.

La scheda dispone inoltre di un led verde che indica la corretta alimentazione della scheda e di un led rosso che indica l’attività del bus domotico, attivandosi quando il master effettua una chiamata ai device slave.

CARATTERISTICHE SCHEDA

Questa scheda presenta le seguenti caratteristiche:

• Alimentazione a 5V (da scheda di alimentazione o PC master).
• Interfaccia verso PC master RS232, adattabile ad usb con appositi convertitori.
• Isolamento galvanico tra bus RS485 e RS232 tramite fotoaccoppiatori e convertitore DC/DC isolato.
• Comando direzione dati bus RS485 tramite segnale RTS RS232.
• Adattamento segnali RS232 – TTL.
• Presenza led di segnalazione alimentazione e attività bus.
• Possibilità di attivazione terminazione e polarizzazione sulla linea bus.

SCHEMA A BLOCCHI

Le funzioni della scheda possono essere rappresentate tramite uno schema a blocchi.

Partendo da sinistra è possibile notare la presenza di un convertitore RS232 – TTL (MAX232) che si occupa di convertire i segnali tipici dell’interfaccia RS232 in segnali 0-5V TTL compatibili. Questi segnali TTL vengono utilizzati dai fotoaccoppiatori di isolamento che si occupano di mantenere galvanicamente isolate la linea dati lato RS232 dalla linea lato BUS.

Le due parti della scheda (lato RS232 e lato BUS) oltre che essere isolate a livello di segnali sono isolate anche a livello di alimentazioni attraverso l’uso di un convertitore DC/DC isolato. Nel lato bus i segnali elettricamente isolati dalla parte dell’ interfaccia RS232 vengono mandati all’integrato transceiver MAX485 che provvede ad adattare i segnali entranti ai segnali necessari al bus RS485. In particolare il segnale RTS presente nell’interfaccia RS232 viene utilizzato, dopo l’isolamento tramite fotoaccoppiatori, per la selezione della direzione di comunicazione del transceiver RS485.

La parte lato bus è direttamente alimentata dalla tensione a 5V entrante a destra dello schema a blocchi, mentre tutta la parte relativa all’interfaccia RS232 viene alimentata tramite il convertitore DC/DC. Il convertitore DC/DC può anche essere omesso collegando rispettivamente i terminali + e - delle due sezioni con dei ponti sulla scheda.

TRANSCEIVER MAX232

Questo integrato si occupa dell’adattamento dei segnali di tipo RS232 provenienti dal PC di controllo master ai livelli logici TTL standard, utilizzati da microcontrollori e circuiti digitali sbilanciati per collegamenti tra componenti.

Inoltre, per poter inviare i segnali RS232 ai fotoaccoppiatori è necessario adattare, oltre che le impedenze e i livelli di tensione, anche i livelli logici associati alle tensioni effettuando le opportune inversioni. Infatti i segnali utilizzati (TxD,RxD e RTS) presenti nell’interfaccia RS232 presentano una logica negativa mentre nelle parti successive del circuito è richiesta una logica positiva.

Tutte queste funzioni di inversione ed adattamento vengono svolte dall’integrato MAX232 della Maxim che contiene al suo interno dei duplicatori e invertitori di tensione che fanno uso di circuiti detti a “pompa di carica”. Questo permette di garantire, con una sola alimentazione di 5V, la tensione positiva e negativa dello standard RS232 con una efficienza molto alta. Lo schema interno preso dal datasheet in figura 2.20 rappresenta in maniera chiara le inversioni logiche effettuate sui segnali e i circuiti di duplicazione e inversione della tensione. Nella pratica la tensione entrante a 5V viene duplicata a 10V per essere in linea con i livelli di tensione dei segnali di tipo RS232. Successivamente tale tensione viene invertita a -10V consentendo di utilizzare entrambi i livelli +10V e -10V necessari alla comunicazione in standard RS232. Per effettuare tali operazioni l’integrato necessita di 5 condensatori (solitamente da 1uF) come rappresentato nello schema interno. Sempre dallo stesso si notano le resistenze di pull-down e pull-up che permettono di poter lasciare gli ingressi non utilizzati dell’integrato scollegati. L’integrato supporta la conversioni di 2 canali RS232 a TTL e di 2 canali TTL a RS232.

CONVERTITORE DC/DC

La scheda di interfaccia bus RS485 per poter garantire un isolamento totale tra l’interfaccia master RS232 e il bus RS485 necessita, oltre che dei fotoaccoppiatori dei segnali, anche di un convertitore DC/DC isolato. Questo dispositivo permette di alimentare un carico mantenendo le masse e le alimentazioni separate come se fossero due circuiti indipendenti.

Il principio sui cui si basano questi convertitori è basato sull’utilizzo di trasformatori di isolamento operanti ad alta frequenza, che hanno dimensioni drasticamente ridotte rispetto ai trasformatori classici. Infatti il trasformatore in questo contesto permette di isolare galvanicamente i due circuiti (quello in ingresso al convertitore e quello in uscita) trasferendo l’energia attraverso un flusso magnetico. Per poter effettuare questa operazione è necessario che il trasformatore venga alimentato con una corrente alternata ad alta frequenza generata da un circuito oscillatore che permette di convertire la corrente continua in corrente alternata ad alta frequenza. Il trasformatore può quindi elevare, diminuire o mantenere pressoché identica all’avvolgimento primario la tensione presente nel suo avvolgimento secondario.Quando la tensione rimante dello stesso valore tra gli avvolgimenti il convertitore funge semplicemente da isolatore di sicurezza tra due circuiti operanti in corrente continua, proprio come nel caso della scheda di interfaccia bus RS485.

La tensione in uscita dal secondario viene quindi riconvertita in continua tramite l’uso di diodi rettificatori e capacità di filtro, riottenendo la corrente continua simile a quella entrante in origine (per tale motivo è chiamato DC/DC).

Questa scheda è stata progettata per supportare vari modelli di convertitori DC/DC isolati della Texas Instruments:

• DCH010505
• DCH010505D (versione con anche uscita negativa)
• DCP020505
• DCP020505D (versione con anche uscita negativa)

Per semplicità di seguito verrà illustrato il modello DCH010505 prodotto dalla Texas Instruments, un integrato convertitore DC/DC non regolato e isolato da 1W di potenza. Esso si presenta con un package visibile in figura. Il trasformatore garantisce isolamento fino a 3.000V.

Si è scelto di utilizzare vari modelli di convertitori DC/DC per garantire la massima flessibilità e la facile reperibilità del componente.

Questo componente, essendo abbastanza costoso (10€ circa) può anche essere escluso procedendo in due modi:

• Isolando completamente le due alimentazioni, collegando l'alimentazione (5V e GND) della linea isolata ai 5V e GND del pc a cui è collegato e collegando all'ingresso di alimentazione della scheda l'alimentazione del bus.
• Collegando la linea isolata all'alimentazione del bus, in questo caso al posto dei convertitori è necessario apporre dei ponticelli rispettando le polarità (5V e GND).

TRANSCEIVER RS485 MAX485

Questo integrato, facente parte anch’esso della scheda di interfaccia bus, si occupa dell’adattamento dei segnali in logica TTL entranti in segnali a logica RS485 e viceversa. Nel dettaglio si occupa di effettuare le necessarie negazioni per garantire le caratteristiche differenziali della linea RS485 e i livelli logici TTL associati utilizzati nel resto della scheda.

L’integrato è composto da un trasmettitore e da un ricevitore le cui attivazioni sono controllabili tramite due terminali:

• RE: a livello basso attiva l’unità ricevente dell’integrato.
• DE: a livello alto attiva l’unità trasmittente sul bus.

FOTOACCOPPIATORE 4N25

I fotoaccoppiatori sono dispositivi che permettono l’isolamento galvanico tra due circuiti,effettuando il trasferimento del segnale da un circuito all’altro attraverso la luce.Internamente il fotoaccoppiatore 4N25 è composto da un diodo led e da un fototransistor inseriti in un unico package DIP6 integrato, permettendo una elevata praticità e sicurezza di funzionamento essendo la coppia led fototransistor non influenzata dalla luce esterna.

SCHEMA ELETTRICO

Lo schema elettrico del progetto rappresenta il circuito elettrico che assolve alle funzioni citate nello schema a blocchi precedente. Si nota la presenza dei 3 fotoaccoppiatori 4N25 utilizzati per isolare i segnali e del convertitore DC/DC di isolamento della linea +5Viso che alimenta il MAX232 ed i relativi fotoaccoppiatori. Il fotoaccoppiatore 4N25 è composto internamente da un led e da un fototransistor completamente isolati elettricamente, pertanto il trasferimento dei segnali e dei dati avviene attraverso la luce. I led dei fotoaccoppiatori sono stati collegati ai circuiti di comando per mantenere la logica positiva anche con il fototransistor ricevente in configurazione invertente ed in maniera da garantire la direzione del segnale, in particolare FC1 e FC3 sono (a lato RS232) in trasmissione, mentre FC2 è in ricezione .

Si può notare come il segnale RTS proveniente dal fotoaccoppiatore FC3 sia collegato al terminale di attivazione dal ricevitore ed al terminale di attivazione del trasmettitore del MAX485 per poter selezionare la direzione di comunicazione nel bus. Questo segnale è anche collegato ad un transistor che comanda l’attivazione del led rosso di segnalazione attività bus.

L’integrato di gestione del bus MAX485 (precedentemente descritto) ha collegato nelle uscite A e B un dip switch a 3 poli che permette ai attivare in ordine la resistenza di attivazione e le due resistenze di polarizzazione del bus RS485.

Nello schema sono presenti due tensioni di alimentazione e due masse: la +5V con relativa massa è l’alimentazione del bus (che è poi la tensione in ingresso nel circuito), mentre la +5Viso e la relativa massa è la tensione in uscita isolata al convertitore DC/DC che alimenta il lato RS232 della scheda.

REALIZZAZIONE PRATICA

Nella realizzazione non tenete conto dell'immagine del master seguente, ma fate riferimento ai file scaricabili a fine articolo!

Altra versione (notare il diverso convertitore DC/DC)

DOWNLOAD FILE REALIZZAZIONE SCHEDA

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Ti interessa acquistare questo sensore di pioggia e allagamenti già pronto all'uso? Clicca qui!

Questo circuito permette di rilevare la presenza di liquidi conduttivi (es. acqua impura) tra i propri terminali. Il circuito si compone di due parti: il sensore vero e proprio ed un trasduttore in grado di fornire un segnale digitale indicate la presenza o meno di liquido.

Il sensore può essere utilizzato sia come sensore di pioggia per evitare danni a tende, oggetti e chiudere finestre o per informare i sistemi domotici delle case della presenza di pioggia. Un altro utilizzo è quello di sensore di allagamento che come dice la parola stessa permette di rilevare la presenza di liquidi a terra come nel caso di un allagamento, infatti oltre che a segnalare l’eventuale presenza con un allarme, esso può essere usato per informare un eventuale sistema domotico come MassaBus della presenza di acqua e se previsto in fase realizzava esso potrà in automatico chiudere l’erogazione di acqua per evitare che possano avvenire danni ingenti. E ancora possiamo usarlo come rilevatore di umidità per il terreno delle piante, permettendo ad un inaffiatoio automatico o a un sistema di controllo di sapere quando la terra è secca. Inoltre, prendendo i terminali di rilevazione e lasciandoli scoperti può essere anche usato come sensore sensibile al tocco di un dito!

Il principio che sta alla base del funzionamento di questo tipo di sensori è il fatto che l’acqua con cui abbiamo a che fare sempre non è pura ma contiene al suo interno alcuni minerali disciolti che la rendono più o meno conduttiva, infatti l’acqua pura di per se è un isolante. La rilevazione del liquido quindi può essere fatta attraverso due conduttori che in assenza di acqua siano isolati, mentre in presenza di acqua, quest’ultima, chiuda un qualsivoglia circuito in grado di attivare un'uscita ad esempio digitale.

Detta così la questione è semplice però per realizzare un apparato funzionante è necessario considerare alcuni aspetti critici:

• L’acqua ha una conduttività variabile a seconda dei sali disciolti, inoltre la sezione di liquido che conduce può variare. Questo fa si che il liquido abbia una resistenza equiavelente molto variabile.
• I conduttori quasi sicuramente sono metallici. Come è risaputo la presenza di corrente elettrica contiuna tra due conduttori immersi in un liquido provoca un effetto chiamato elettrolisi: ciò comporta una reazione chimica in grado di cambiare le proprietà dei materiali rendendoli inutilizzabili dopo un certo tempo. Per evitare che l’elettrolisi avvenga è necessario invertire continuamente la polarità elettrica a cui i puntali sono sottoposti.

Di seguito, nella descrizione dello schema elettrico, verranno illustrate le varie metodologie per eliminare gli aspetti critici.

SCHEMA ELETTRICO

Il tutto è incentrato sull’integrato CMOS 40106 (struttura interna nella figura a fianco) che al suo interno contiene 6 porte NOT a trigger di Smith. La peculiarità di queste porte è quella di avere i livelli di tensione a cui la porta commuta di stato logico ben definiti e quindi garantiscono prestazioni migliori soprattutto in applicazioni dove è richiesto che la commutazione avvenga dopo che si è superata una ben definita soglia.

Tutto il funzionamento parte dall’oscillatore a porta NOT visibile in alto a sinistra dello schema. Come è noto uno porta logica di tipo NOT inverte lo stato logico all’ ingresso e questa caratteristica viene usata proprio per generare un onda quadra attraverso il multivibratore astabile costituito da R1 e C1. Questo elemento genera l’onda quadra sfruttando una sola porta NOT, il suo funzionamento è molto semplice: consideriamo la tensione ai capi del condensatore C1 e consideriamola inizialmente a 0V. In questa condizione la porta logica avendo in ingresso una tensione inferiore alla soglia minima porta la sua uscita a livello alto essendo invertente, questo fa si che il condensatore si inizi a caricare attraversola resistenza R1 e ciò avverrà fino a quando la tensione ai suoi capi sarà inferiore alla soglia superiore della porta logica. Quando la soglia viene superata la porta logica ha in ingresso un livello logico alto e pertanto la sua uscita lo avrà basso, così il condensatore attraverso R1 inizierà a scaricarsi, questo solo attraverso R1  e non tramite l’ingresso della porta logica che avendo un alta impedenza non rappresenta un carico rilevante per il condensatore. Questo ciclo continua all’infinito e dall’uscita della porta logica si otterrà un onda quadra di frequenza dipendente dai valori di R1 e C1. In dettaglio sotto è visibile la sezione circuitale del multivibratore.

Con R1 pari a 10K e C1 pari a 100nF la frequenza dell’onda quadra è di circa 1 kHz. Tale frequenza può essere modificata variando i valori di R1 e C1, la frequenza dipende (circa) dall’inverso della constante di tempo R * C cioè 1/(R * C). Il circuito continua utilizzando un'altra porta NOT dell’integrato utilizzata come buffer invertente: il suo scopo è quello di non caricare il multivibratore precedente permettendo così di variare il carico in uscita (verso R2) della seconda porta logica senza andare a modificare i tempi di caricamento e scaricamento di C1, avendo come già detto anche la seconda porta logica un ingresso con impedenza molto alta e un uscita a bassa impedenza. L’inversione logica del segnale effettuata dalla porta non incide sul funzionamento del circuito.

Seguono la resistenza R2 che garantisce protezione all’uscita della porta logica da eventuali corto circuiti e C2 che ha un compito particolare e fondamentale nel funzionamento del sensore: il suo scopo è quello di eliminare il valore medio dell’onda quadra appena generata. Infatti come è noto il condensatore rappresenta un circuito aperto per le correnti continue e una resistenza (o meglio impedenza) per le correnti alternate. Questo fa si che il condensatore porti a questo effetto: 

Come si nota Vin è l’andamento della tensione nel tempo in uscita dalla porta logica. Essa è un onda quadra avente valor medio pari a Vin/2 e un andamento da0 a Vin, pertanto l’elettrolisi avviene comunque in quanto i terminali del sensore sono posti, sebbene per metà del tempo, alla stessa polarità. Il condensatore C2 invece fa si che l’elettrolisi non possa avvenire in quanto il condensatore annullando il valore medio dell’onda quadra provoca un continuo cambio di segno (Vout) nella polarità alla quale i terminali del sensore sono sottoposti. Quindi Vout ha un valor medio pari a 0 e una tensione (riferita sempre a Vin) pari a +Vin/2 e –Vin/2 questo fa si che la polarità dei terminali del sensore cambi continuamente e questo fa si che l’elettrolisi non possa avvenire. Quando il sensore è in contatto con l’acqua tra i due terminali si instaura praticamente un corto circuito che permette all’onda quadra di passare negli stadi successivi del circuito. Successivamente C3,R3 proteggono l’ingresso della successiva porta logica da eventuali correnti provocate da tensioni parassite (in arrivo dall’acqua) e R4 in particolare assicura che l’ingresso non sia ad uno stato logico flottante, portando ad un malfunzionamento del circuito.

Il diodo D4 ha lo scopo di far passare all’ingresso della porta logica solo le parti dell’onda quadra avente tensione maggiore di 0. Questo è necessario per far si che all’ingresso della porta logica non vi siano mai tensioni  negative. Infatti come è possibile notare  quando la tensione è maggiore di 0 il diodo può essere considerato come un circuito aperto e la tensione viene posta all’ingresso della successiva porta logica. Quando invece la tensione è minore di 0 il diodo conduce e ha ai sui capi una tensione massima di 0,7V che dalla porta logica vengono visti come -0,7V che è un valore sopportabile dalla porta logica. In realtà volendo è possibile anche omettere il diodo D4 in quanto la porta logica per via dell’architettura CMOS è già dotata internamente di tale diodo come ricorda il datasheet (parte visibile sotto), comunque D4 rimane utile per eventuali casi imprevisti che possono portare il diodo della porta logica alla rottura (esempio dispersioni della tensione di rete) in quanto il diodo D4 supporta correnti fino a 200mA.

La corrente che scorre nel diodo e nel sensore è comunque in casi normali limitatissima dato i valori alti delle resistenze coinvolte prima e dopo il circuito e dal fatto che la porta logica ha un ingresso ad alta impedenza. Questo porta ad avere un circuito molto sensibile in grado di rilevare anche la minima presenza di liquido tra i sui terminali. Le due porte logiche successive risultano funzionare da semplice buffer in quanto effettuano la negazione due volte: questo permette di avere un ingresso ad alta impedenza (lato sensore) e un uscita a bassa impedenza per gli stadi del circuito successivi. 

Lo stadio successivo si occupa di trasformare l’onda quadra (oramai mezza, visto che la parte negativa è stata eliminata in precedenza) in un segnale continuo, inoltre si occupa di ritardare di alcuni secondi la disattivazione quando finisce la rilevazione di acqua, evitando così eventuali  segnali instabili che potrebbero portare problemi agli stadi successivi. Questo stadio è composto innanzitutto dal diodo D2 il cui scopo è quello di fare da canale di non ritorno: se la porta logica ha in uscita un livello alto nel diodo scorrerà la corrente che porterà alla carica di C4, se però la porta logica si porta a livello basso e il condensatore è carico il diodo essendo in polarizzazione inversa impedisce che il condensatore si scarichi attraverso di esso. Quando il diodo D2 è in conduzione la resistenza R5 si occuperà di caricare velocemente il condensatore scarico senza sovraccaricare l’uscita della porta logica (infatti è di soli 100 ohm). Essendo l’ingresso della porta logica successiva ad alta impedenza per scaricare il condensatore in un tempo ragionevole è stata inserita la resistenza R6 che oltre a mantenere un livello logico definito quando il condensatore è scarico si occupa di scaricarlo. Con questi valori di R6 e C4 una volta ripristinato l’isolamento tra i contatti del sensore l’uscita si disattiverà nel giro di 1-2 secondi. Se si vuole modificare questo tempo è possibile agire aumentando R o C per aumentare il tempo o diminuire R o C per diminuire tale tempo. E’ possibile calcolare (circa)  il tempo di ritardo moltiplicando i valori di R e C (trovando la costante di tempo).

Le altre due porte logiche successive hanno anche loro la funzione di buffer infatti forniscono a partire da un ingresso ad alta impedenza un’uscita a bassa impedenza. Con queste due ultime porte logiche si utilizzano nel dispositivo tutte le 6 porte logiche dell’integrato 40106. Successivamentela resistenza R7 limita la corrente alla base del transistor TR1 di uscita. Il transistor a seconda dello stato logico dell’uscita dall’ultima porta logica va in saturazione attivando il carico o in interdizione. Tra il + del circuito e il collettore del transistor TR1 è possibile collegare il carico che si deve attivare in caso di presenza di liquidi: può essere un relè, un led, un ingesso di una scheda di I/O come nel caso del sistema domotico MassaBus oppure un qualsiasi carico che assorba massimo 100 mA (con TR1 BC547 e R7 da 4,7Kohm) e supporti una tensione pari a quella di alimentazione del circuito. Nel caso in cui si usi un relè o un carico induttivo è necessario montare anche il diodo D3 che protegge il transistor dalle extratensioni di commutazione provocate dal relè, altrimenti D3 è possibile ometterlo. Anche LD1 e R8 sono opzionali e servono unicamente da indicazione di attivazione. Il circuito così composto (escludendo il relè o il carico applicato) consuma pochi mA sia a riposo che in presenza di liquidi, quindi l'assorbimento maggiore da considerare per scegliere l'alimentatore giusto è quello del carico sull'uscita del sensore (max 100mA). Infine D1 si occupa di proteggere il circuito e il carico in uscita dalle inversioni di polarità, mentre C5 e C6 si occupano di filtrare la tensione in ingresso da eventuali disturbi o auto-oscillazioni.

COLLEGAMENTI SCHEDA TRASDUTTORE

Ecco di seguito lo schema di collegamento della scheda. In particolare è presente il connettore di alimentazione che deve essere in corrente continua con una tensione tra i 9V e i 18V, l’uscita che permette di collegare relè o altro funzionate alla stessa tensione di alimentazione e il connettore a cui collegare il sensore utilizzato. 

TIPI DI SENSORE

In questo articolo vengono descritti due tipi di sensore: uno è adatto a rilevare gli allagamenti, mentre l’altro è adatto come sensore di pioggia. Entrambi possono essere collegati ai contatti sensore del circuito allo stesso modo e senza alcuna polarità.

• Sensore allagamenti

Per utilizzare il dispositivo come sensore allagamenti è necessario predisporre due puntali metallici collegati ad una scatola di plastica, meglio se stagna. I puntali dovranno arrivare a filo del pavimento o al livello in coi vorrete che l’acqua faccia scattare il sensore. I puntali possono essere distanziati a piacere senza però metterli troppo distanti (non oltre30 cm) o in cortocircuito.

Questa configurazione può anche essere usata per rilevare l'umidità del terreno di una pianta o di un giardino, permettendo ai sistemi di controllo e irrigazione di sapere quando la terra è secca e necessità di acqua.

• Sensore di pioggia 

Per utilizzare il dispositivo come sensore di pioggia è necessario utilizzare una piastrina di rilevazione come quella mostrata sotto. Per realizzarla è sufficiente cerare un circuito stampato partendo dal master fornito e da li stagnare tutte le piste fino a creare una unica traccia di stagno.Il sensore a posto attaccato ad una parete e inclinato di circa 45° con la parte delle piste posta verso l’alto. Potete modificare lo stampato da me preparato allargando o restringendo la distanza tra le piste per aumentare o diminuire la sensibilità alla pioggia.

 

 

CIRCUITI STAMPATI

Attenzione! Queste sono soltanto immagini indicative. Per la realizzazione fate riferimento ai file allegati.

• Trasduttore

Nello stampato mancano i componenti LD1, R8 e RL1 in quanto montati esternamente.

• Sensore di pioggia (da realizzare solo se utilizzato in questa maniera)

I fili vanno saldati nei terminali quadrati.

ALCUNE IMMAGINI

 

Di seguito è disponibile il link per scaricare l'archivio zip contenente i file per la realizzazione. I file originali dei circuiti stampati e degli schemi sono in formato FidoCad, mentre i master da stampare per realizzare le schede sono in formato PDF.

DOWNLOAD FILE REALIZZAZIONE CIRCUITO

BUON LAVORO!

 

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Il termostato è un dispositivo presente sotto più aspetti nelle nostre case, pensate solo al forno o al frigorifero. Il suo funzionamento è molto semplice: cambiare lo stato di una uscita quando la temperatura dell'ambiente o di una superficie supera o ritorna sotto una certa soglia solitamente impostabile. Spesso i termostati semplici (non i cronotermostati) sono realizzati sfruttando parti meccaniche che attraverso vari fenomeni fisici permettono la commutazione di un contatto elettrico. Questo termostato, invece, sfrutta componenti elettronici per rilevare la temperatura attraverso un sensore mentre lo stato di uscita del termostato è gestito da un comparatore.

In questo articolo sono presentate due versioni di termostato elettronico: una con e una senza relè. La prima versione è quella con relè.

VERSIONE CON RELE'

SCHEMA ELETTRICO

Osservando lo schema è possibile notare il modulo che provvede ad alimentare il termostato costituito dal classico stabilizzatore 7812 che fornisce al circuito una tensione di 12V stabilizzata partendo dai 15VDC in ingresso (o tensione superiore nei limiti del 7812). Il termostato è poi costituito da un partitore avente una resistenza fissa da 4,7Kohm e una termistore NTC da 4,7Kohm. Il termistore NTC è una particolare resistenza costituita da materiale semiconduttore che ha la particolarità di diminuire la propria resistenza all'aumentare della temperatura (al contrario delle normali resistenze o termoresistenze che, invece, aumentano la propria resistenza all'aumentare della temperatura). Altro particolare differente rispetto alla classiche resistenze è che le NTC non hanno un andamento della propria curva caratteristica lineare ma esponenziale: questo particolare per un termostato, al contrario di un termometro, è relativo visto che basta adattare opportunamente l'eventuale scala del cursore di selezione della temperatura d'intervento. La tensione uscente dal partitore contenente la sonda NTC rappresenta la temperatura convertita in una tensione elettrica infatti a 25°C (il valore di resistenza dell'NTC è riferito solitamente a questa temperatura) si avrà in uscita la metà della tensione di alimentazione del partitore (6V) avendo le due resistenze lo stesso valore in ohm. Se la temperatura sale oltre i 25°C la tensione in uscita dal partitore diminuirà poiché la resistenza NTC presenterà un valore in ohm minore rispetto all'altra resistenza da 4,7Kohm e pertanto la tensione cadrà più sulla resistenza fissa che sulla NTC, al contrario se la temperatura scende la tensione in uscita dal partitore aumenterà essendo il valore in ohm dell'NTC maggiore dell'altra resistenza fissa e pertanto sulla resistenza NTC si avrà una maggiore caduta di tensione. Questo vi permette anche di utilizzare una NTC diversa da 4,7K ohm tanto per mantenere questo funzionamento è sufficiente che le due resistenze del partitore siano uguali, mentre utilizzando valori diversi potrete anche avere vari range di misurazione utilizzando la formula caratteristica dell'NTC o la sperimentazione.

L'altro partitore permette di selezionare attraverso un trimmer la temperatura di intervento con un range stabilito dalle due resistenze disposte ai capi del trimmer che permette di avere nel cursore come massimo 2/3 e come minimo 1/3 della tensione di alimentazione stabilizzata (queste resistenze possono essere anche un valore minore o addirittura omesse: il range aumenterà ma si avrà una maggiore difficoltà nella taratura). Così costituito il termostato dovrebbe avere un range di intervento dai 10 ai 40°C, ma dipende dalle caratteristiche della sonda NTC. Ovviamente cambiando i valori delle resistenze si possono ottenere altre combinazioni di range: ad esempio eliminando le due resistenze ai capi del trimmer si otterrà una selezione della temperatura più difficoltosa ma si potranno ottenere range che permettono di rilevare anche temperature oltre i 40°C per sostituire i classici termostati a contatto dei tubi di riscaldamento (soluzione adottata dal sottoscritto).

Successivamente è presente un amplificatore operazionale configurato come comparatore di tensione con isteresi: quando all'ingresso non invertente (+) la tensione del partitore con il trimmer è superiore alla tensione dell'ingresso invertente (-), data dal partitore con la sonda NTC, l'uscita dell'operazionale si attiverà (si avrà in uscita la tensione di alimentazione positiva). Quando invece la tensione dell'ingresso invertente, con la sonda NTC, supererà la tensione dell'ingresso non invertente, data dal trimmer, l'uscita dell'operazione si disattiverà (portando la sua uscita alla tensione di alimentazione negativa). Essendo la tensione invertente data dalla NTC (diminuisce all'aumentare della temperatura) l'operazionale si attiverà solo quando il calore (e quindi l'NTC) farà diminuire la tensione dell'ingresso invertente sotto al livello di tensione impostato con il trimmer all'ingresso non invertente. La resistenza da 220Kohm tra l'ingresso non invertente e l'uscita permette di aggiungere una isteresi al funzionamento, cioè la soglia di tensione cambia in attivazione e disattivazione per evitare che l'operazionale inizi a oscillare con valori in ingresso vicini alla soglia impostata con il trimmer.

Il circuito procede all'uscita dell'operazionale con un diodo zener da 4,7V e un diodo classico 1N4148. Questi due componenti permettono di ottenere una soglia di tensione in grado di non far pervenire al transistor l'offset di tensione che ha in uscita l'operazionale. Questo poiché l'operazionale TL081 non è progettato per operare in alimentazione singola e questo tipo di configurazione ad alimentazione singola (con la tensione negativa a massa) provoca un offset di tensione in uscita che manterrebbe attivo il transistor successivo anche quando non è richiesto. Inoltre con questa configurazione se si omettono le resistenze ai capi del trimmer si dovrà, nella taratura, mantenere il trimmer con il cursore non al minimo (altrimenti si noterà una attivazione anomala del circuito). 

Il circuito si conclude con un transistor che funziona come interruttore, esso provvede ad attivare e disattivare il relè, mentre il diodo ai capi della bobina del relè provvede a proteggere il transistor dalle extratensioni inverse provocate dalla bobina durante la disattivazione del relè. Un led, infine, indica l'attivazione del relè.

COLLEGAMENTO SONDA NTC E CARICO

La sonda NTC va collegata agli appositi terminali presenti nello schema e nel circuito stampato, non è necessario rispettare alcuna polarità. Per misurare la temperatura di un ambiente è necessario porre la sonda a contatto dell'aria presente nell'ambiente da misurare collegando la sonda direttamente nella scheda, mentre per misurare la temperatura di tubi, altre superfici o ambienti separati è necessario collegare la sonda ad un cavo schermato o "twistato" e isolare i terminali con delle guaine termorestringenti o con del nastro isolante. La sonda va posta a diretto contatto della superficie, facendo attenzione alla temperatura massima sopportabile dalla sonda NTC (solitamente fino a 125°C). Nel caso sia necessario inserire la sonda in un liquido è necessario inserire la sonda in un contenitore del diametro più stretto possibile, possibilmente di materiale ad elevata conduzione termica e ovviamente impermeabile.

 Al relè sono accessibili 3 terminali: comune, normalmente aperto e normalmente chiuso. Applicando un filo del carico tra il comune e uno dei terminali normalmente aperto o normalmente chiuso è possibile far si che il carico si attivi quando la temperatura è al di sotto della soglia impostata (contatto normalmente chiuso) o al di sopra della soglia impostata (contatto normalmente aperto). Attenzione che nel caso in cui il termostato sia non alimentato il contatto normalmente chiuso rimarrà chiuso. Essendo quelli del relè contatti puliti è possibile collegare come carico qualsiasi tipo di dispositivo alimentato in continua o alternata: nel caso usiate la tensione di rete provvedete a stagnare le piste che portano dai morsetti al relè ed a mettere tutto il circuito dentro una scatola isolante o anche di metallo purché sia collegata a terra. Ovviamente valutate le possibilità in relazione al relè disponibile (nel mio caso un finder mod. 40.52). La figura sotto illustra come fare i collegamenti.

CIRCUITO STAMPATO

Il circuito stampato visibile sotto è indicativo, per realizzare la scheda utilizzate i file allegati!

Il circuito stampato è monofaccia ed è stato realizzato utilizzando il programma gratuito FidoCAD, nel file .zip scaricabile dal link sottostante potete trovare, oltre al documento di fidocad, il master in pdf pronto da utilizzare e la disposizione dei componenti.

FILE TERMOSTATO CON RELE'

ALCUNE IMMAGINI

VERSIONE COMPATTA SENZA RELE'

SCHEMA ELETTRICO

Lo schema è sostanzialmente uguale al progetto con relè fatta eccezione per l'utilizzo di un transistor BC337 con una uscita di tipo "open collector" a cui è possibile collegare un relè esterno o un ingresso digitale di una scheda I/O come nel mio progetto MassaBus. Ai morsetti viene resa la possibilità di utilizzare come positivo la tensione di 12V stabilizzata del termostato, ma è possibile utilizzare anche una tensione esterna  per un carico avente un assorbimento massimo di 800mA e una tensione di funzionamento non superiore a 45V logicamente in continua, data da un alimentatore avente la massa in comune con il termostato.  La resistenza di base del BC337 da 5,6Kohm può andar bene per carichi che assorbono fino a circa 80mA, dopodichè è necessario ricalcolare tale resistenza per garantire la saturazione, considerando l'hFE del BC337.

COLLEGAMENTO CARICO

Il carico può essere collegato direttamente ai morsetti di uscita rispettando le caratteristiche del circuito, del transistor e avendo cura di inserire un diodo a polarità invertita ai capi del carico se esso è un carico di tipo induttivo (vedere ad esempio la versione con relè). Attenzione ad accertarsi che il carico non abbia la propria massa in comune con quella del termostato, altrimenti il transistor essendo bypassato non può intervenire nella disattivazione del carico.

CIRCUITO STAMPATO

La caratterisitca principale di questa scheda è la sua compattezza grazie ai componenti montati in verticale.

Il circuito stampato è monofaccia ed è stato realizzato utilizzando il programma gratuito FidoCAD, nel file .zip scaricabile dal link sottostante potete trovare, oltre al documento di fidocad, il master in pdf pronto da utilizzare e la disposizione dei componenti.

FILE TERMOSTATO TRANSISTOR

ALCUNE IMMAGINI

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