Eh-1 progetto di un sistema domotico interattivo

I sistemi di controllo e automazione si possono fondamentalmente distinguere in due tipi; uno

basato su un'unità di elaborazione centrale che permette di gestire tutte le attuazioni a partire dai

risultati di rilevazione, e uno a struttura distribuita dove le interazioni avvengono localmente in

maniera distribuita ed eventualmente comunicate a un'unità centrale per un controllo di coerenza

generale. Ai fini del progetto ho scelto di suddividere le operazioni tra due PIC in costante contatto

per l’implementazione delle funzioni più complesse. Uno prende il nome di CPU (Central

Processing Unit), e si occupa della gestione del display, della misura della temperatura interna ed

esterna della casa e del riscaldamento della stessa; svolge inoltre le funzioni di “master” nelle

comunicazioni tra i due PIC. La seconda unità gestisce il sistema di sicurezza della casa, della

rilevazione del livello luminoso dell’ambiente e della sua regolazione tramite emettitori luminosi a

piacimento dell’utente; svolge inoltre le funzioni di “slave” nelle comunicazioni tra i due PIC.

Particolarità del progetto 2

Protocollo di comunicazione seriale I C

*

I²C (o IIC), acronimo di Inter Integrated Circuit, è un sistema di comunicazione seriale bifilare

utilizzato tra circuiti integrati.

Il bus, sviluppato dalla Philips nel 1982, prevede in genere un dispositivo detto “master” che ha il

controllo del clock di sistema e della comunicazione dati, al quale si sottopongono altri dispositivi

secondari detti “slave”. Niente comunque vieta lo sviluppo di sistemi multi-master nei casi più

complessi.

Il protocollo hardware dell'I2C richiede due linee seriali di comunicazione: 2

Logo standard I C

* SDA (Serial DAta line) per i dati 2 C)

* SCL (Serial Clock Line) per il clock (che rende sincrono il protocollo I

Va aggiunta una connessione di riferimento detta impropriamente GND (non presente in figura) e

una linea di alimentazione Vdd a cui sono connessi i resistori di pull-up, che può anche non essere

condivisa da tutti i dispositivi. Le tensioni tipiche usate sono +5 V o +3,3 V.

Come tutti i protocolli di comunicazione seriale il limite principale è rappresentato da una velocità

2 C è quindi usato per comunicare con

di trasmissione molto inferiore a un protocollo parallelo. L'I

dispositivi in cui semplicità e basso costo sono prioritari rispetto alla velocità di trasmissione.

Questo standard trova la sua applicazione progettuale nella comunicazione tra le due unità di

controllo.

Modulazione PWM

*

La modulazione di larghezza di impulso, detta PWM (Pulse-Width Modulation), è un tipo di

modulazione digitale in cui l'informazione è codificata sotto forma di durata del periodo di ciascun

impulso di un segnale. La durata di ciascun impulso può essere espressa in rapporto al periodo

periodo di clock, implicando il concetto di duty cycle. Un duty cicle pari a 0% indica un impulso di

durata nulla, in pratica assenza di segnale, mentre un valore del 100% indica che l'impulso resta a

livello alto per tutta la durata del clock.

La modulazione a larghezza di impulso è largamente utilizzata per regolare la potenza elettrica

inviata a un carico, per esempio regolando la velocità dei motori in corrente continua e per variare

la luminosità delle lampadine. conduce, annullando la corrente, ed in

Come si può intuire, con un duty cycle pari a entrambi i casi la potenza dissipata è minima.

zero la potenza trasferita è nulla, mentre al

100% la potenza corrisponde al valore

massimo trasferito nel caso non sia presente il

circuito di modulazione. Ogni valore

intermedio determina una corrispondente

fornitura di potenza.

Il vantaggio di questa tecnica è di ridurre

drasticamente la potenza dissipata dal circuito

limitatore rispetto all'impiego di transistor

controllati analogicamente. In un

semiconduttore la potenza dissipata è

determinata dalla corrente che lo attraversa

moltiplicata per la differenza di potenziale

presente ai suoi capi. In un circuito PWM il

transistor in un istante conduce

completamente, riducendo al minimo la

caduta ai suoi capi, oppure non

In figura vediamo un segnale sinusoidale modulato tramite larghezza di impulso in funzione di una

sinusoide.

La modulazione PWM verrà utilizzata in questo progetto per la gestione dell’illuminazione e del

riscaldamento. Si può in questo modo simulare un segnale analogico che alimenta i due utilizzatori

variando semplicemente il duty cycle di un segnale digitale, risparmiando l’uso di un DAC con tutti

i relativi problemi. Si precisa però che la corrente in uscita da un PIC è nell’ordine dei 20mA,

quindi per l’illuminazione e il sistema di riscaldamento serve un sistema di amplificazione.

Capitolo 3: Realizzazione del progetto

Schema elettrico

Una volta stilato un progetto di massima della casa intelligente, ho realizzato lo schema elettrico del

sistema usando il programma di disegno e simulazione OrCad Express, appartenente alla suite di

disegno assistito OrCad 9.0. Il disegno evidenzia la distinzione dei due blocchi operativi e l’esiguo

numero di componenti impiegati (esclusi connettori e le resistenze). Ciò si deve al fatto che la

gestione dell’intero sistema è affidata ai due PIC, programmati via software (in linguaggio C).

Sopra ogni PIC troviamo un connettore per la programmazione dello stesso, mentre agli estremi del

disegno vediamo il display LCD (a sinistra) e il tastierino numerico.

Scelta dei componenti

Per realizzare un buon progetto è necessario operare una giusta scelta dei componenti, trovando un

compromesso che riduca il più possibile i costi di produzione e che consenta di ottenere le

prestazioni migliori. Ecco quindi un elenco dei componenti impiegati con motivazione e difficoltà

di scelta.

* PIC 18F2685

Tra le molte centinaia di PIC di casa Microchip ho scelto questo per le sue eccezionali

caratteristiche in fatto di prestazioni, costo, durata e praticità di utilizzo del package SMD. Ecco un

riassunto delle sue principali caratteristiche. 2

- Oscillatore interno da 31 KHz a 8 MHz - Modulo I C master/slave

- Fino a 1.000.000 di riscrittura sulla - Modulo ECAN (Enhanced Controller Area

EEPROM Network)

- Moltiplicatore hardware interno - NanoWatt Technology

- 10 canali ADC (via multiplexer) a 10 bit - 96 Kbytes di Memoria di programma

- Modulo CCP (Capture/Compare/PWM)

Durante tutta la fase di progettazione questo componente non ha mai dato problemi di alcun genere;

si è anzi dimostrato al di sopra delle aspettative in più occasioni per la sua affidabilità, praticità e

potenza.

* IRLR 2705

Ho scelto questo MOS-FET perché ha ottime qualità di conduzione in saturazione. In questa

condizione infatti la sua resistenza interna è nell’ordine di pochi milli-ohm, il che comporta una

ridottissima dissipazione di potenza. Un’altra caratteristica fondamentale di questo componente è

che il gate segue la logica TTL. Questo lo porta a operare solo da interruttore ON/OFF senza

bisogno di un driver a BJT, e unitamente alla sua alta velocità di switching, lo rende adatto alle

applicazioni con segnali impulsivi.

Dovendo controllare in PWM il sistema di

illuminazione e di riscaldamento, il MOSFET

IRLR 2705 si presta perfettamente a funzionare da

amplificatore del segnale digitale in ingresso al

Gate. Il costruttore inoltre raccomanda di porre una

resistenza di pull-down sul Gate.

* Transistor NPN BC-817

Per la gestione del buzzer a 5V (non in PWM)

ho scelto questo transistor perché ha un costo

molto contenuto, e nonostante le ridottissime

dimensioni del suo package SMD (SOT-23)

riesce a sopportare correnti di collettore fino a

1 A.

* Sensore di temperatura LM35DZ

Ho scelto questo sensore di temperatura per

via del costo ridotto, del fatto che è calibrato

in gradi Celsius e non necessita di alcuna

conversione (al contrario di altri). Ha una

buona precisione, assorbe solo qualche decina

di micro-ampere e opera tra 4 e 30 Volt;

inoltre fornisce in uscita un segnale analogico

lineare secondo la legge Vo = 0+10 mV/°C.

Range: 2-150°C

* Tastierino numerico 3x4

Si basa su un intreccio di righe e colonne

come in figura. A ogni tasto premuto

corrisponde una diversa combinazione di una

colonna e una riga cortocircuitate. Tramite

un’adeguata routine di gestione è quindi

possibile stabilire quale sia il tasto premuto.

Garantisce inoltre una durata molto lunga.

* Resistenze SMD

Viste le ridottissime dimensioni del package

1206 scelto per queste resistenze (comunque

possibili da saldare a mano) e il basso costo,

sono ovviamente migliori delle resistenze

tradizionali. Sono inoltre caratterizzate da una

tolleranza molto più ristretta.

* Buzzer 5V DC

È un semplice buzzer a 5V di basso costo.

* Resistenza di potenza

Per il sistema di riscaldamento ho scelto una

resistenza di potenza (10Ω – 25W) con buone

capacità di dissipazione grazie al suo case in

lega termo-conduttiva.

* Fotoresistenza NORPS-12

Per l’acquisizione del livello di luce ambientale ho

scelto questa fotoresistenza. Ecco un estratto del

datasheet contenete le principali caratteristiche.

* Display LCD 20x2 standard Hitachi con logica integrata

Grazie alla sua logica integrata un display LCD a standard Hitachi consente un interfacciamento

completo con soli 16 piedini, di cui 4 di alimentazione, 1 per la regolazione del contrasto, 3 di

controllo e 8 di dati. Nel datasheet del componente sono elencate tutte le procedure e le

combinazioni necessarie a un corretto funzionamento del display, tuttavia in fase di

programmazione si utilizzerà un’apposita routine di gestione che ne semplifica estremamente

l’utilizzo.

* Led tricolore verde-rosso-arancione

Per supportare la gestione del tastierino numerico ho scelto

di usare questo led tricolore a catodo comune centrale.

Alimentando uno dei due pin laterali si ottiene un colore

rosso o verde. Alimentandoli contemporaneamente i due

colori si sommano, ottenendo così un colore arancione.

Circuito stampato

Dopo la realizzazione dello schema elettrico del progetto e la scelta dei componenti adeguati, si

associa ad ognuno di essi un “footprint” (impronta), ovvero la forma di un’adeguata piazzola di

rame che ne permetta la saldatura alla scheda. Inserendo quindi questi footprint in un’apposita

libreria e, associandoli ai rispettivi componenti, si procede alla creazione di una “netlist” che ne

elenchi tutte le connessioni. Il passo successivo consiste nel creare un nuovo disegno importando la

netlist con il software OrCad Layout (sempre appartenente al pacchetto OrCad 9.0); a questo punto i

vari footprint dei componenti scelti vengono disposti nel il disegno, unendoli però tra di loro

secondo le connessioni stabilite nello schema elettrico (linee blu).

Ecco quello che vediamo una volta importata la netlist del progetto:

Resta ancora molto lavoro da fare. Occorre scegliere un’adeguata disposizione dei componenti e

collegarli disegnando le piste di rame che porteranno il collegamento elettrico. Qui entrano in gioco

le linee blu in figura, che danno un’idea dei collegamenti da fare. È necessario trovare un

compromesso tra la realizzazione di una scheda di dimensioni ridotte e il disegno di piste

possibilmente brevi, dirette e disposte su un numero ridotto di “layer” (piani). Si deve anche tenere

conto del flusso di corrente che attraversa ogni pista, che dovrà essere quindi dimensionato di

conseguenza. Nello specifico, a parte le piste di alimentazione, le correnti in gioco sono di pochi

milli-ampere, e quindi si possono tranquillamente realizzare piste di 0,7mm di larghezza.

Si procede quindi come detto in precedenza a “sbrogliare” il circuito, ossia a effettuare tutti i

collegamenti necessari senza incrociare mai due piste che non debbano essere collegate tra loro da

progetto, e questo tramite numerose prove al fine di scegliere la soluzione ottimale. Dopo numerosi

tentativi si ottiene lo sbrogliato riportato di seguito. Utilizzando occasionalmente delle resistenze da

0Ω come ponticelli, è possibile completare il lavoro su un solo “layer” (piano), abbassando

notevolmente i costi di produzione rispetto ad uno sbrogliato su doppia faccia. Ho previsto anche