Lux - Dux

IIS Cartesio — Luxemburg, via Cesare Lombroso 120 Roma

Scuola: 2008—2009

Anno scolastico

Dispositivo fototropico

Studente: Dobos Leonard

Documentazione

• Pag. 1

Introduzione

• Pag. 3

Prima fase: macropianificazione del lavoro

• Pag. 4

Seconda fase: realizzazione della meccanica

Terza fase: scheda sensori

Presentazione della scheda pag. 6

• Schemi elettrici e sbrogli pag. 10
• Datasheet pag. 17

Quarta fase: scheda motori

Presentazione della scheda pag. 20

• Schemi elettrici e sbrogli pag. 22
• Datasheet pag. 29

Quinta fase: scheda alimentazione

• Presentazione della scheda pag. 33
• Schemi elettrici e sbrogli pag. 34
• Datasheet pag. 41

Sesta fase: scheda PIC

Presentazione della scheda pag. 44

• Schemi elettrici e sbrogli pag. 46
• Datasheet pag. 51
• Diagramma a blocchi e programma pag. 58

Introduzione

L’indirizzo industriale con il profilo elettronica e telecomunicazioni prevede, alla fine dei 5 anni di studio (di cui solo 3 strettamente legati allo stesso), una formazione dettagliata per quanto riguarda la progettazione, il funzionamento e l’impiego di strumenti di supporto elettronico nelle sue forme più generali.

È ormai una consuetudine che, alla fine del corso, si misuri il livello dell’apprendimento attraverso un progetto che coinvolga le conoscenze di tutte le materie tecniche studiate.

Il progetto viene deciso durante il quarto anno, quando si ha già una panoramica delle varie opportunità che il corso offre.

Nonostante non si abbiano le conoscenze necessarie per affrontare l’intero progetto, ci si incammina, su consiglio del docente responsabile, su un percorso che si avvicini di più agli interessi propri. In alcune occasioni i più curiosi si ritrovano ad affrontare e risolvere problematiche non ancora affrontate nelle relative discipline. Questo ha comportato una preparazione più approfondita per quanto riguarda gli argomenti introdotti dai singoli progetti.

Dopo vari suggerimenti e consigli del docente responsabile di TDP (Tecnologia, disegno e progettazione), il gruppo formato dagli alunni:

• Dobos Leonard
• Tantillo Gabriele Salvatore
• Varani Daniele

ha deciso di occuparsi di un progetto innovativo e originale: un dispositivo fototropico.

Un dispositivo fototropico è un apparecchio robot in grado di seguire la luce solare, come le piante di girasole. L’idea è nata dalla visita effettuata all’ENEA durante la settimana scientifica. Durante la visita ci sono stati illustrati vari progetti a cui l’ENEA sta lavorando, tra cui anche i pannelli solari fototropici. Questi pannelli seguono il sole dal momento in cui il sole sorge a quando tramonta, così da avere il massimo assorbimento di energia solare durante il giorno.

Figura 1: Modello di pannello solare

Prendendo spunto dai pannelli solari fototropici abbiamo pensato a un dispositivo che seguisse la luce, ma non solo attraverso un moto rotatorio, ma anche longitudinale, cioè proprio spostandosi verso la sorgente della luce.

Dobos Leonard 1

Questo progetto è stato pensato come un robot intelligente che può operare anche in un ambiente ostile con poca luce. Nel momento in cui il robot rileva qualche piccolo segnale di luce, inizia a muoversi nella direzione della sorgente, anche se la luce si affievolisce o scompare. Nelle fasi iniziali si voleva istruire il robot in modo tale da insegnargli la strada di casa (il punto da cui è partito). Questo implicava l’uso di una rete neurale, argomento certamente interessante e coinvolgente, ma non affrontato adeguatamente durante il corso. Quindi si è deciso di utilizzare un microcontrollore, dispositivo studiato e approfondito in varie discipline durante il triennio.

Il progetto è stato sviluppato affrontando argomenti nuovi e i problemi che si sono presentati sono stati quasi del tutto risolti. Il risultato finale è da considerarsi adeguato allo studio condotto durante la progettazione, e funzionale per quanto riguarda gli obiettivi fissati.

Figura 2: Modello di robot

L’esperienza prevede conoscenze di tutte le materie tecniche TDP, elettronica, sistemi e telecomunicazioni. Il gruppo si è impegnato costantemente affinché si arrivasse ad una buona realizzazione del progetto da presentare alla valutazione della commissione di esami.

Figura 3: Il prototipo del nostro progetto

Dobos Leonard 2

Prima fase: macropianificazione del lavoro

Il progetto si divide in più parti (aree di progetto), e si possono distinguere in:

• Area meccanica: fin dalle prime armi si è reso conto che la parte meccanica è molto importante per i test da effettuare e quindi appena indispensabile si è fermato il proseguimento del progetto per realizzarla.

È stato preso un giocattolo basato sul cingolato e sono stati aggiunti due motori per comandare il cingolo di destra e quello di sinistra.

• Area elettronica: la parte elettronica riguarda la scheda dei sensori, la scheda di pilotaggio dei motori e la scheda che fornisce l’alimentazione a tutte le schede.
• Area di controllo: la parte di controllo riguarda la/le scheda/e che elabora i dati rilevati dai due sensori e controlla il moto dei due motori.

L’area di controllo presenta due versioni:

• La prima versione è rappresentata dal PIC 16F84 interfacciato con un convertitore A/D esterno, l’ADC0808, portata a termine da Tantillo Gabriele Salvatore e Varani Daniele.
• La seconda è rappresentata dal PIC 16F873 che predispone di un convertitore interno ed è stato portato a termine da Dobos Leonard.

Per quanto riguarda la realizzazione si è scelto un metodo di lavoro strutturato nel seguente modo:

• Tutto il progetto è stato diviso in singole parti da realizzare assegnate al singolo componente del gruppo.
• Si è testata la singola scheda attraverso l’introduzione di schede di prova composte da LED, switch e trimmer per verificare l’effettivo funzionamento.
• Alla fine si è ricomposto tutto il pacchetto per dare vita al nostro robot.

È stato scelto questo metodo di lavoro per assegnare a ogni componente del gruppo un lavoro da eseguire, e quindi rendere indispensabile il suo contributo. Solo in questo modo si capisce l’importanza di un gruppo di lavoro.

Dobos Leonard 3

Seconda fase: realizzazione della meccanica

Anche se la più importante per dare vita al robot, è stata anche la più difficile da mettere a punto, perché la scuola non disponeva del materiale e delle attrezzature necessarie per la sua realizzazione. Si è pensato a un dispositivo basato sul cingolato perché più facile da manovrare per sterzare. Un giro al negozio di giocattoli e si è comprato il giocattolo con le caratteristiche più adeguate. Successivamente si è proseguito nel seguente modo:

• Si è smontata la parte superiore del giocattolo perché considerata inutile.
• Sono stati aggiunti due motori per comandare i due cingoli. I due motori sono stati scelti con le stesse caratteristiche così da avere un moto identico sia sul cingolato di destra che su quello di sinistra.
• Sono state posizionate le varie schede nel modo che si è ritenuto più idoneo.
• È stata posizionata la batteria nello spazio sottostante per tenere il baricentro basso.

Figura 4: Smontiamo la parte superiore e prepariamo un piano per sistemare i motori

Figura 5: Giocattolo scelto per il nostro progetto

Figura 6: Motori utilizzati per la marcia

Figura 7: Vengono posizionati i cingoli

Dobos Leonard 4

Figura 9: Vengono sistemate le varie schede

Figura 8: Vengono ultimate le ultime operazioni

Figura 10: Lavoro finito, a sinistra Varani Daniele, a destra Dobos Leonard, al centro il robot

Dobos Leonard 5

Terza fase: scheda sensori

La scheda sensori è composta principalmente da:

• I due sensori fotoresistivi.
• Dall’integrato TL084 comprendente quattro amplificatori operazionali che possono essere usati in varie configurazioni.

I due sensori fotoresistivi sono stati usati per formare un partitore di tensione tra le tensioni 0V (negli schemi elettrici rappresentato dal simbolo della massa) e 5V (negli schemi elettrici rappresentato dal simbolo VCC) che è il range operativo del convertitore A/D.

Figura 2: Scheda sensori

Figura 1: Partitore di tensione

R2 è stata scelta da 330 ohm. In questo modo la tensione di riferimento, che è in pratica la tensione ai capi della resistenza R2, dipende dal valore di R1 che è il nostro sensore fotoresistivo. Dal datasheet risulta che il sensore ha un valore intorno ai 5Kohm in presenza di 1ftc di luce e arriva a 1Mohm in presenza di buio totale. In questo modo in presenza di buio totale il valore di riferimento della tensione si abbassa fino a valori prossimi a 0V, mentre in presenza di luce molto alta la tensione di riferimento si avvicina a valori prossimi a VCC.

Figura 3: Scheda sensori

Dalle misure effettuate in laboratorio sui due fotoresistori in assenza di luce e in presenza di luce proveniente da una lampadina da 100W ci si è accorti che i valori dei due sensori sono leggermente diversi anche perché presentano delle tolleranze. Quindi abbiamo aggiunto dei trimmer per correggere sia la tolleranza presentata dai due fotoresistori sia dalle resistenze da 330ohm.

Per regolare i trimmer abbiamo posto i due sensori davanti ad una lampadina da 100W, alla stessa distanza ravvicinata e abbiamo regolato i trimmer in modo che, in presenza di quella potenza di luce, i valori delle tensioni di riferimento fossero uguali. I valori sono stati tarati intorno ai 4,8V.

Per quanto riguarda invece l’integrato TL084, esso è stato usato per rendere la tensione di riferimento indipendente dal carico che viene applicato in uscita, quindi è stato usato nella configurazione non invertente. Esso si occupa solo di ripresentare in uscita il valore di tensione che si trova in ingresso.

Figura 4: Amplificatore operazionale – configurazione inseguitore

In questo caso R è pari a un corto quindi vale 0ohm, e R è pari a un circuito aperto, quindi vale ∞. La formula di conseguenza si riduce a:

F S

Figura 5: Partitore di tensione usato

Dobos Leonard 7

Sensibilità direzionale dei sensori ottici del robot

Dati angolo che la normale al sensore ottico forma con la direzione del moto

α angolo che la luce, supposta all'infinito cioè composta da fasci paralleli, forma con la direzione del moto

β forma con la direzione del moto

A area del sensore ottico

A area del sensore ottico visto dalla luce, cioè proiettata perpendicolarmente alla direzione del raggio luminoso

n coefficiente di amplificazione del circuito optoelettronico

V tensione all'uscita del circuito di rilevamento della tensione ottica

=k⋅A

o n d s d

A A tensione differenziale che è il segnale di ingresso al sistema di controllo (A

ΔV =k⋅(−)

n n n

ns

è l'area normale del sensore destro, A è l'area normale del sensore sinistro

Ipotesi

1. Luce proveniente dall'infinito, cioè formata da fasci paralleli.
2. Circuito optoelettronico lineare.
3. Coefficienti di amplificazione uguali per il circuito optoelettronico di destra e di sinistra.

Obiettivo

Determinare la relazione che lega la tensione differenziale all'angolo con parametro

ΔV β α

Analisi

Con riferimento alla figura, la luce incide con l'angolo sul sensore destro e con l'angolo sul sensore sinistro.

α−β

α+β

Supponendo che il segnale optoelettronico dipenda dalla proiezione dell'area del sensore nella direzione perpendicolare a quella della luce, si ha che

d ns

A A⋅cos e che A A⋅cos(α+β)

= (α−β) =

n

quindi la tensione differenziale vale

d s d s

– V A – A

ΔV =V =k⋅( )=

o o n n

[ ]

A⋅ cos – cos

=k (α−β) (α+β)

Dalla trigonometria (formule di somma e sottrazione) si ha che

cos cos

(α−β)=cos α β+sin αsin β

cos cos

(α+β)=cos α β−sin αsin β

e sostituendo

cos – cos(α±β)=cos cos sin –(cos cos – sin sin αsin β)=2sin α β

In conclusione: k A sin

ΔV =2 αsin β

Dobos Leonard 8

Conseguenze

sin 0=0

Occorre disporre i sensori disposti con un angolo in quanto se allora e

α≠0 α=0

• In queste condizioni non c'è variazione di tensione al variare dell'angolo.

β

Occorre tener presente che la formula vale finché in quanto, altrimenti, la luce

α+β<90°

• Inciderebbe sul sensore dal lato posteriore a quello sensibile.

La relazione che lega funzionalmente il segnale di ingresso al sistema di controllo

ΔV(β)

• sin

alla tensione optoelettronica è sinusoidale e si può esprimere in cui il

ΔV(β)=σβ

2 k Asin

parametro vale

σ α

All'aumentare di aumenta la sensibilità del sistema ottico ma diminuisce l'angolo

α β

• Massimo per il quale la luce illumina entrambi i sensori.

Dobos Leonard 9

5 4 3 2 1

R1 R3 J1

D D

330

330

R2 R4 SEGNALI

S2 2

VCC VCC SENSORI

S1 1

R R

PHOTOR PHOTOR HEADER2

10K 10K

R5 R6

+12 +12 J2

RVAR RVAR ALIM. SCHEDA

+12 2

4 4 SENSORI 12V

U1A U1B 1

3 5

+ +

S1 S2

1 7 HEADER2

2 6

- -

TL084 TL084

330

330

R7 R8 J3

11 11

R R ALIM. SCHEDA

2

C C

VCC SENSORI 5V

1

HEADER2

10K

R9 R10 10K

RVAR RVAR

D1 D2

1K 1K

R R

R11 R12

D D

B B

A A

Title Dobos Leonard 5E

Size Document Number Rev

Dobos Leonard 10

A Scheda sensori <RevCode>

Monday, May 25, 2009 1 of 1

Date: Sheet

5 4 3 2 1

F:\TDP\2008-2009\schede&programma\SCHEDA SENSORI\sensori.bom

1: Dobos Leonard 5E Revised: Monday, May 25, 2009

2: Scheda sensori Revision:

3:

4:

5:

6:

7:

8:

9:

10: Bill Of Materials May 25, 2009 19:01:48 Page1

11:

12: Item Quantity Reference Part

13: ______________________________________________

14:

15: 1 2 D1,D2 D

16: 2 3 J1,J2,J3 HEADER2

17: 3 2 R1,R3 PHOTOR

18: 4 6 R2,R4,R7,R8,R11,R12 R

19: 5 4 R5,R6,R9,R10 RVAR

20: 6 1 U1 TL084

21: 1

Dobos Leonard 11

sensori

"{Value}" "PCB Footprint"

"D" "DAX/.300X.050/.028"

"HEADER2" "SIP/TM/L.200/2"

"PHOTOR" "AX/.350X.100/.031"

"R" "AX/.300X.100/.028"

"RVAR" "VRES27"

"TL084" "DIP.100/14/W.300/L.700"

Pagina 1

Dobos Leonard 12

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Dobos Leonard 16

TL084

TL084A - TL084B

® General purpose J-FET

Quad operational amplifiers

. CC+

Wide common-mode (up to V) and

. Differential voltage range

. Low input bias and offset current

. Output short-circuit protection

High input impedance J-FET input

. Stage

. Internal frequency compensation N D

. Latch up free operation DIP14 SO14

High slew rate: 16V/μs (typ) (Plastic Package) (Plastic Micropackage)

P

TSSOP14

(Thin Shrink Small Outline Package)

Description order codes

The TL084, TL084A and TL084B are high speed Package

Temperature

Part Number

J-FET input quad operational amplifiers incorporating Range N D P

well matched, high voltage J-FET and bipolar transistors in a monolithic integrated circuit. o o • • •

C, +125 C

TL084M/AM/BM –55

The devices feature high slew rates, low input bias and o o • • •

C, +105 C

TL084I/AI/BI –40

offset currents, and low offset voltage temperature o o • • •

C, +70 C

TL084C/AC/BC 0

coefficient.

Examples: TL084CN, TL084CD

Pin connections (top view)

Output 1 1 14 Output 4

Inverting Input 1 2 13 Inverting Input 4

-

-

+ +

3 12

Non-inverting Input 1 Non-inverting Input 4

-

+ 4 11

V V

CC

CC 5 10

Non-inverting Input 2 Non-inverting Input 3

+ +

-

-

6 9

Inverting Input 2 Inverting Input 3

7 8

Output 2 Output 3 1/11

January 1999

Dobos Leonard 17

TL084 - TL084A - TL084B

Parameter measurement information

Figure 1: Figure 2:

Voltage Follower Gain-of-10 Inverting Amplifier

Ω

10k

Ω

1k

- -

e I

1/4 eo 1/4

TL084 e

o

TL084

Ω

C = 100pF R = 2k

L

L

e C = 100pF

I R L L

Typical applications

Audio distribution amplifier f = 100kHz

O - 1/4 Output A

Ω TL084

1M - 1/4 -

μ

1 F TL084 1/4 Output B

Input TL084

Ω Ω

100k 100k Ω

100k +

VCC

μ -

1OO F Ω

100k 1/4 Output C

TL084 7/11

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NORPS-12

CdS Photocell

Plastic Package

Absolute ratings maximum

Description Operating Temperature -60 to +75°C

The NORPS-12 is a CdS photoconductive cell Storage Temperature -60 to +75°C

with a spectral response similar to that of the Voltage (peak AC or DC) 250 Volts

human eye, encapsulated in a moisture-resistant coating and enclosed in a plastic

Power Dissipation at 30°C (2)

250mW

casing. (T =25°C unless otherwise noted)

Electrical characteristics