TEMA D'ESAME DI MATURITÀ PROFESSIONALE 2010

Ministero dell’Istruzione dell’Università e della Ricerca 

M048 – ESAME DI STATO DI ISTITUTO PROFESSIONALE

POSSIBILE SOLUZIONE
© by Vittorio Crapella

IPOTESI AGGIUNTIVE 

Per la misura dell'umidità del terreno ipotizzo che il sensore, essendo interrato ad una certa profondità, sia formato da due elettrodi di acciaio inox posti ad una certa distanza tali da offrire  200 Ohm a 100 %RH (Relative humidity) e 20 Kohm a 1 %RH.  Ipotizzo che il grosso serbatoio sia ad una altezza sufficiente per distribuire l'acqua per caduta naturale e che si utilizzi una elettrovalvola per l'apertura e chiusura della portata d'acqua per l'irrigazione.  Per il prelievo dal pozzo, mediante pompa elettrica, o dal serbatoio avverrà attraverso una elettrovalvola a tre vie deviata sulla sorgente  in base alle disponibilità d'acqua.  Intendo inoltre gestire le varie funzioni di controllo mediante un microcontrollore interfacciato ad un computer con comunicazione seriale per l'acquisizione dei dati da mettere a video e/o memorizzare su H.D.
Le elettrovalvole sono del tipo a tre fili un comune, un apri e un chiudi ed ognuna è equipaggiata di fine corsa per staccare l'alimentazione a 24Vcc quanto è tutta aperta o tutta chiusa.
Per quanto concerne il sensore di livello sia per il serbatoio che per il pozzo intendo utilizzare dei galleggianti di minima e massima on/off (contatto chiuso = on quando il livello è minimo e viceversa).

Altre tipologie di galleggianti

IMPIANTO GENERALE

SCHEMA  A BLOCCHI

SENSORE
Il sensore si può rappresentare elettricamente con il seguente schema

Se si alimenta a 5V ne consegue che la Vout sarà  5 x R% / (R% + 4K) ma R% = 20KOhm / %RH pertanto al 5% di umidità relativa avremo R% = 20 / 5 = 4 KOhm e al 40%  R% = 20 / 40 = 0,5 KOhm ne consegue che

Vout a 5% di umidità sarà = 5 x 4 K / 8 K =2,5 V
e al 40% di umidità sarà = 5 x 0,5 K / 4,5 K = 0,5555 V

Questa tensione andrà condizionata con adeguato circuito affinché al micro arrivi come voluto un segnale compreso tra 0 e 5V con umidità compresa tra 5% e 40%.

MULTIPLRXER

Per acquisire il segnale di ogni sensore utilizzando un solo circuito di condizionamento si è ritenuto di utilizzare un multiplexer analogico a 8 canali tipo il CD4051 comandato sugli address inputs direttamente dal micro tramite un contatore binario a 3 bit interno.
Schema di principio del multiplexer

Il contatore binario a 3 bit tramite un decoder da binario a 1 to 7 interno al 4051 abilita il passaggio di un ingresso per volta, tramite uno switch a mosfet, verso l'uscita comune che andrà al circuito di condizionamento.

CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO

Dovendo condizionare il segnale che va da 2,5V a 0,5555V in uno che va da 0V a 5V e necessario interporre un amplificatore differenziale invertente. 

Tale amplificatore dovrà avere un guadagno di amplificazione

A = Vout / Vin   Vout = 5 V e Vin = 2,5 - 0,5555 = 1,9444 V pertanto A = 5 / 1,9444 = 2,571

Imponendo R1= 10K ne consegue che R2 =25,71 K
Nello schema definitivo la R2 verrà sostituita da una R fissa da 10K in serie a un trimmer multigiri pure da 10K così da poter regolare in sede di taratura. 

L'operazionale amplifica sempre la tensione differenza tra V+ e V- e più precisamente l'uscita si dovrà portare a quel valore che riportato in retroazione da R2 sul pin V- eguagli V+.

Nel caso di Vin = 2,5V è intuitivo che Vout deve andare a 0V (potenziale di massa) per eguagliare V+ e V- infatti solo in quelle condizioni V+ e V- provengono da due sorgenti identiche formate da due partitori uguali alimentati entrambi da 2,5V.

Nel caso di Vin = 0,5555V è intuitivo che V- tende ad essere meno di V+ fino a quando attraverso R2 riporto un valore di tensione sul V- pari a V+, ma affinché succeda questo Vout dovrà salire a +5V

schema definitivo:

La tensione di riferimento si ottiene con un LM336 nato per generare tensioni di riferimento del valore di 2,5V con ottima stabilità che migliora ai fini termici interponendo D1, D2 e il trimmer T2 che permette una precisa regolazione.

taratura:

Preregolare T1 e T2 a meta corsa, regolare T3 per avere Vref = 2,5V,
regolare T2 per V+ (pin 3 U1) di 1,7999 V

Con Vin = 2,5 V [ umidità 5% ] regolare T1 per Vout = 0V

Con Vin = 0,5555 V  [ umidità 40% ] ritoccare T2 per Vout = 5V

Eventualmente ripetere le ultime due tarature per una più precisa e raffinata taratura.

ATTUATORI

Gli attuatori in questo caso sono semplicemente dei normali relè a 12Vcc comandati ognuno da un transistore pilotato da un'uscita del micro. Infatti utilizzando delle elettrovalvole a 3 fili on/off è sufficiente  utilizzare un contatto a deviatore del relè per portare il positivo +24v o ad apri o chiudi dell'EV (Elettrovalvola).

Per la pompa pure si utilizza il contatto del relè per abilitare o meno l'alimentazione, in questo caso a 230Vac.  In base alla potenza della pompa sarà opportuno valutare di interporre un opportuno teleruttore sulla linea Vac con protezione termica ed utilizzare il relè del nostro controllo per pilotare la bobina del teleruttore.

ACQUISIZIONE MEDIANTE ADC DEL MICRO

Il micro prepara il valore binario da inviare al CD4051 per abilitare il passaggio del segnale del primo sensore, legge il valore di tensione con l'ADC a 8 bit interno e ne salva il valore in una variabile a due byte e continua a leggere in successione gli ingressi per 256 volte.
Cosi facendo al termine delle 256 letture il byte più significativo è il valore mediato di tutte le letture.

Ne valuta il valore e se minore del 10% di umidità andrà ad aprire l'elettovalvola di irrigazione decidendo in base al livello del pozzo come orientare la valvola a 3 vie e se attinge dal pozzo azionerà pure la pompa.

Se la media e superiore 25% di umidità spegnerà la pompa e chiuderà l'elettrovalvola di irrigazione tenendo sotto controllo anche i vari livelli per garantire la scorta nel serbatoio.

Per una umidità del 10% il sensore offrirà una resistenza di  R10% = 20K / 10 = 2 KOhm e darà una tensione Vout = 5 x 2 K / 6K = 1,6666V che dopo il condizionamento diventano
Vin ADC = A x (2.5V - 1,6666 ) =2,571 x  0,833 = 2,141 V che convertiti in numero dall'ADC diventa

Nr 10% =  2,141 / (5 / 256) = 109

Per una umidità del 25% il sensore offrirà una resistenza di  R25% = 20K / 25 = 0,8 KOhm e darà una tensione Vout = 5 x 0,8 K / 4,8K = 0,8333 V che dopo il condizionamento diventano
Vin ADC = A x (2.5V - 0,8333 ) =2,571 x  1,666 = 4,283 V che convertiti in numero dall'ADC diventa

Nr 25% =  4,283 / (5 / 256) = 219

Pertanto se la media sarà inferiore a 109 andrà irrigato se maggiore o uguale a 219 andrà spento l'irrigazione.

FLOW-CHART

SPIEGAZIONE FLOW-CHART
L'inizializzazione del micro consiste nella definizione delle port I/O, configurazione della porta seriale per la comunicazione con il PC, la definizione delle variabili da utilizzare come ad esempio FLAG che serve solo per ricordare se siamo nel caso di umidità rilevata mediamente sotto il 10% o uguale o superiore al 25%; oppure MIX che serve per generare i 3 bit da inviare al demultiplexer CD4051 per leggere un sensore alla volta od anche LSB e MSB che sono due variabili byte per sommare i valori letti durante il ciclo delle 256 conversioni con l'ADC (Analogic Digidital Converter).

A questo punto il micro indirizza il multiplexer con i 3 bit di MUX, verifica se ha superato l'indirizzo dell'ottavo ingresso in tal caso riparte con MUX=0 (primo ingresso), legge la tensione che arriva dal condizionamento all'ingresso dell'ADC lo somma nella variabile LSB (Leas Significate Byte) e tiene il riporto nella variabile MSB (Most Significate Byte) cosi all'uscita dalle 256 letture MSB sarà esattamente la media delle letture fatte.

Dopo la prima lettura incrementa la variabile contatore CONT= CONT+1 e se non sono 256 ripete la lettura di un successivo ingresso sino a completamento delle 256 letture.

Ne esce dal ciclo e mette in MEDIA il valore di MSB che invia poi anche al PC assieme anche alle indicazioni dello stato del pozzo e del serbatoio.

Si arriva ora al secondo flow-chart dove si esamina la situazione di FLAG che la prima volta sarà = a 0 e pertanto va ad esaminare se la MEDIA è minore di 109, se SI cambia stato al FLAG per ricordare che siamo in regime di irrigazione.   Pertanto la EV a 3 vie (3 V) non dovrà essere attivata lasciando il suo relè disattivato e cioè permane aperta verso il prelievo dal POZZO e predispone l'apertura della EV di irrigazione (EV2) aperta attivando a livello alto l'uscita del micro tale da polarizzare il transistore che ecciterà il relè cosi da deviare il contatto su apri.  Prima di attivare la pompa deve accertarsi se il pozzo ha un livello adeguato per poter prelevare acqua.  Questo avviene leggendo lo stato di ingresso del micro collegato al galleggiante del pozzo, se il suo contatto è aperto allora  è OK e attiva l'uscita del micro inerente il relè per l'abilitazione della pompa e in fine ritorna a inizio primo flow-chart per altro ciclo di acquisizione di dati di umidità e controllo.

Se invece il pozzo fosse sotto un livello sufficiente il galleggiante da uno stato chiuso e il micro disabilita eventualmente la pompa precedentemente attivata poi valuta se il serbatoio ha un livello adeguato per poter prelevare acqua. Se SI devia la EV 3 vie verso il serbatoio e prosegue con altre letture altrimenti se anche il serbatoio e sotto un livello minimo rimette la EV 3 vie sul pozzo e ritorna a inizio primo flow-chart per altro ciclo di acquisizione dati di umidità e controllo.

Invierà al PC nuova media e arriverà nuovamente ad inizio del 2° flow-chart dove valuta lo stato di FLAG che sarà 1 se la precedente media era sotto il valore 109 ed è nello stato di irrigazione, pertanto va a valutare se ha raggiunto o superato il 25% di umidità cioè MEDIA >= a 219 se NO torna al controllo del pozzo e del serbatoio come sopra descritto.  Se invece arriverà all'umidità richiesta di fine irrigazione mette il FLAG a 0 per ricordare che non serve irrigare, ferma la pompa diseccitando il relè relativo e chiude la EV di irrigazione (EV 2).    A questo punto dopo una irrigazione si deve controllare se il serbatoio ha il suo livello massimo di scorta oppure no, se è pieno allora ferma l'eventuale pompa accesa e chiude l'eventuale EV di riempimento serbatoio (EV 1) e ritorna a inizio primo flow-chart per altro ciclo di acquisizione di dati di umidità. 
Se invece il serbatoio andava riempito va prima verificato le condizioni del pozzo e se c'è acqua allora predispone la EV 3 vie su pozzo, apre la EV di riempimento serbatoio (EV1) mediante l'attivazione del suo relè, attiva pure la pompa e ritorna a inizio primo flow-chart per altro ciclo di acquisizione dati di umidità.   Se il pozzo non ha acqua anche se il serbatoio va riempito non si può fare altro che tornare all'acquisizione dati di umidità e controllo.  Qualora le condizioni del pozzo lo consentiranno si procederà al riempimento ai prossimi controlli.

LISTATO IN ASSEMBLER PER ST6260

ALIMENTATORE

Essendo i motori delle elettrovalvole opportunamente demoltiplicati, con apposite riduzioni meccaniche per movimenti relativamente lenti, sono di bassa potenza e assorbono correnti dell'ordine dei 250 mA, pertanto ipotizzando anche tutte e tre le EV in movimento l'assorbimento totale sulla alimentazione dei 24V è inferiore ad  1A e pertanto gestibile da un regolatore LM317 regolato con R1 e R2 per una uscita appunto di 24V.

Infatti la sua Vout, trascurando l'irrisoria Iaj, è = 1,2V x (1+R2 / R1)
Vout = 1,2V x [1 + (2700+150) / 150] = 1,2 x (1 + 19) = 1,2 x 20 =24V

Gli altri 3 regolatori sono a tensione fissa della serie LM78xx abbondantemente sovradimensionati come corrente prelevabile considerato che reggono nominalmente 1A e che, sia il micro che l'operazionale consumano correnti esigue al massimo di qualche decina di mA, come pure i relè a 12V ipotizzandoli attivi tutti e 4 non superano i 150 / 160 mA.

Ne consegue che la corrente massima nelle peggiori condizioni di tutto attivo nello stesso momento non supera gli 0,9 A e in ogni caso le valvole nel giro di qualche decina di secondi tornano nello stato OFF, la potenza del trasformatore T1 può rimanere di circa 20 VA o massimo 25 VA.    Il ponte di diodi basterebbe anche solo di 1A ma siccome la differenza di prezzo è minima conviene metterlo in grado di sopportare 2A.  

Per la scelta dell'elettrolitico di livellamento è consuetudine usare almeno 2000 uF per ogni ampere d'uscita pertanto 2200 uF / 50VL è più che sufficiente, considerato poi che ci sono ancora pure i 220 uF su ogni ramo.

I condensatori da 100 nF sono dei ceramici e vanno messi nelle vicinanze dei terminali dei regolatori e servono ad evitare auto oscillazioni dei regolatori stessi che si ripercuoterebbero sulla stabilità delle tensioni d'uscita.

I diodi 1N4007 sono stati messi per evitare che la tensione sulle uscite possa diventare più alta di quella di ingresso (ipotesi per altro inconsueta ma possibile) il che potrebbe danneggiare i regolatori di tensione.

Il LED alimentato dalla tensione dopo il ponte di diodi, indica se acceso, la presenza di tensione anche se non da la certezza dell'esistenza delle giuste tensioni d'uscita ma è una spia che indica alimentatore acceso.   La sua resistenza serie è stata dimensionata considerando che su C1, dove si preleva per l'alimentazione del led, ci sono 24Vac x 1,41 = circa 33V e considerando la caduta del led circa 2V con una corrente di circa 10 mA, ne restano circa 31V da far cadere sulla R in serie al led pertanto R=V/I = 31 / 10 mA = 3,1KOhm. Valore commerciale o 3,3K o 2,7K, si è optato per 2K7 considerato che la corrente diventa circa 11,5 mA.

CONSIDERAZIONI FINALI

Ai fini della sicurezza per le persone e le apparecchiature è d'obbligo prevedere una adeguata messa a terra di tutte le parti metalliche compreso tubi e serbatoio; ogni cavo da e per la centralina di controllo dovrà avere un filo di terra che si collegherà sui previsti morsetti delle elettrovalvole, pompa e galleggianti e nella centralina si uniranno verso il cavo del dispersore di terra.

APPROFONDIMENTI

LEZ_MAPI_8 Sensori e circuiti di condizionamento
http://www.vaisala.com/files/HMP60_datasheet_B210851EN-A.pdf
http://web.fi.ibimet.cnr.it/DB/stazioni/Cascine/cascine-note.htm
http://www.automation.siemens.com/w1/efiles/spmirror/2929/
http://www.gmrstrumenti.com/site/it/prodotti/studio-del-suolo/umidita.html
http://www.gestioneirrigazione.com/documenti/gro%20point.pdf

Altre soluzioni