Progetto di un parcheggio con l'utilizzo di fotoresistenze

Materie:	Tesina
Categoria:	Tdp
Voto:	1 (3)
Download:	676
Data:	17.05.2005
Numero di pagine:	7
Formato di file:	.doc (Microsoft Word)

LABORATORIO DI
T.D.P.
RELAZIONE
N. 2
DATA
05\03\2005
CLASSE
4B EN
PROFESSORI
prof. Lazzarini
prof. Arduini
COMPONENTI DEL GRUPPO
Ciampiconi Stefano, Saudelli Alessandro, Fabbretti Andrea.
DATA DI CONSEGNA
Sabato 5 Marzo 2005
OBIETTIVO
Progettare un dispositivo in grado di visualizzare il numero di posti liberi in un parcheggio. Si supponga che il massimo numero di posti nel parcheggio sia 99 e che il parcheggio sia dotato di vie d’accesso e d’uscita separate. Si usi come sensore una fotoresistenza.
COMPONENTI E APPARECCHIATURE UTILIZZATI
➢ 1 pulsante.
➢ 2 contatori 74LS90.
➢ 2 decoder 74LS192.
➢ 1 integrato 74LS14.
➢ 2 Condensatori ceramici da 100 nF.
➢ 2 display ad anodo comune.
➢ 2 fotoresistenze LDR.
➢ 2 resistenze da 10 K.
➢ 2 resistenze da 180 .
➢ Torretta di alimentazione.
➢ Multimetro digitale.
PREMESSE TEORICHE
➢ Fotoresistenza LDR
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL SENSORE LDR
Un sensore trasforma la grandezza fisica in un’elettrica, che nel nostro caso è l’intensità di luce in resistenza elettrica. Adesso possiamo descrivere meglio la fotoresistenza. La sigla LDR è l’acronimo di Light Dependent Resistor. La resistenza elettrica di questi dispositivi dipende dall’intensità della luce che ricevono sulla loro superficie sensibile. Le resistenze sensibili alla luce visibile sono costruite con solfuro di cadmio. Questo materiale, una volta sottoposto ad alcuni trattamenti particolari, in una situazione di buio completo ha pochissimi elettroni liberi e i suoi elettroni si mantengono fortemente uniti alla sua struttura cristallina e pertanto presenta una resistenza elevata. Quando però il materiale viene illuminato, l’energia portata dalla luce eccita gli elettroni e la sua resistenza diminuisce. Questo tipo di materiale riceve il nome di fotoconduttore, e per ottenere che le resistenze LDR abbiano le caratteristiche desiderate, si aggiungono al solfuro di cadmio, piccole quantità di materiali particolari, come argento o gallio, che attivano la conduzione in presenza di luce. Questi materiali si depositano negli spazi liberi che ci sono fra due elettroni a forma di pettine. Si possono anche costruire LDR sensibili alle radiazioni infrarosse, in questo caso si cambia il materiale in solfuro di piombo.
APPLICAZIONE DELLE LDR
Queste resistenze sono montate in contenitori di vetro o resina ben sigillati, dato che il cadmio non deve essere toccato. Alcuni anni fa il loro uso era molto diffuso, attualmente devono competere con i fototransistor. Possono essere utilizzate per l’apertura e la chiusura di porte, rivelatori di movimento, arresto di nastri trasportatori, ascensori, contatori, allarmi ecc…, noi le abbiamo utilizzate come controllo di un parcheggio.
CIRCUITI INTEGRATI TTL E CMOS: si tratta di chip alimentati da una tensione costante di 5V ± 2,5 e da corrente continua. Oltre alla famiglia dei TTL esiste quella dei circuiti integrati CMOS (possono funzionare con una tensione variabile tra i 3V e i 18V), che consumano meno energia dei TTL e quindi dissipano meno calore però sono più lenti. Inoltre bisogna dire che la famiglia TTL viene classificata contrassegnandola con la sigla 74 per i componenti di uso commerciale, mentre con la sigla 54 per i componenti di uso militare. Esiste anche un eccezione: il 74HC. Quest’ultimo infatti è un CMOS che funziona ad un alta frequenza.
DESCRIZIONE DEGLI INTEGRATI
➢ 74LS192
Questo dispositivo è un contatore asincrono UP\DOWN di modulo 10 che presenta 4 pin di pre-settaggio (A,B,C,D) e 4 uscite (QA,QB,QC,QD). Il pre-settaggio si effettua con il pin 11 LOAD, attivo basso, e con il CLEAR, attivo basso anch’esso azzera tutte le uscite.
➢ 74LS47
Questo dispositivo è un decoder e per vedere le sue caratteristiche prima analizziamo i decoder dal punto di vista generale.
CIRCUITI DI DECODIFICA: i circuiti di decodifica o decoder sono caratterizzati da n ingressi e m uscite. Ad ogni combinazione dei livelli degli ingressi corrisponde l’attivazione di una e una sola linea d’uscita.
Il numero m delle linee di uscita è al massimo 2n; generalmente si hanno 4, 8, 16, uscite.
I circuiti di decodifica sono realizzati utilizzando porte AND o NAND; generalmente sono presenti ingressi di abilitazione, indicati con G o E ( enable ) o S ( strobe ).
Esempi di applicazione dei decoder sono:
• Decodifica o conversione di codici. Ad esempio, un circuito di decodifica consente di effettuare la conversione BCD/decimale.
• Decodifica per display. Ad esempio, un tipo di display diffuso per la visualizzazione dei numeri decimali e del tipo a sette segmenti. I circuiti di decodifica permettono di visualizzare sul display i numeri decimali corrispondenti ai numeri BCD.
• Generazione di funzioni. I decoder permettono di generare funzioni come una rete di circuiti combinatori.
Il decoder 74LS47 viene utilizzato per display ad anodo comune. Presenta ovviamente 7 uscite quanti sono, i segmenti del display, 4 ingressi ( che si collegano alle 4 uscite del contatore) e tre pin: BI/RBO, LT e RBI, attivi bassi, che nel nostro caso vanno tutti e tre disattivati, in quanto servono a funzioni di prova (Lamp Test) oppure ad altre funzioni non utili nel nostro caso.
➢ 74LS14
Questo dispositivo, contiene sei trigger di Schmidt, necessari a rettificare ed negare il segnale in ingresso. In questo caso si sono rivelati adatti perché le fotoresistenze non fornivano un’onda sufficientemente quadra, che non presentava fronti, ma variazioni lievi. Il trigger consente quindi di interpretare queste variazioni non solo tollerandone i punti estremi ( alto o basso), ma permette di fornire un’onda sufficientemente quadrata per l’utilizzo di essa in contatori che agiscono sul fronte di una variazione logica ( +5;-5).
CURVA DI VARIAZIONE DELLA TENSIONE DELLE FOTORESISTENZE E CON IL TRIGGER DI SCHMIDT
Nel primo grafico si può notare come esce la tensione dalle fotoresistenze: l’onda non è abbastanza quadra è molto “morbida”.
Mentre nel secondo grafico notiamo l’onda quadra che esce utilizzando il trigger di Schmidt, che è caratterizzata da valori ben precisi che si possono utilizzare nella logica digitale.
Successivamente la tensione viene negata ( si noti la porta NOT che segue il trigger, e lo rende invertente) ed otteniamo questa variazione:
RELAZIONE
Per la realizzazione di questo progetto non abbiamo svolto calcoli per il dimensionamento dei componenti: i valori delle resistenze sono stati concordati con gli insegnanti rispettando gli standard.
La parte più difficile è stata la progettazione del circuito.
Il circuito doveva visualizzare il numero di posti liberi in un parcheggio. Ovviamente la situazione è immaginaria, quindi dal punto di vista didattico e per l’impossibilità di altri dispositivi abbiamo utilizzato due fotoresistenze come sensori d’ingresso e d’uscita della macchina, anche se nei parcheggi reali non ci sono.
Durante la fase di progettazione è sorto un dubbio, ossia quello di negare o no il segnale in uscita dal trigger di Schmitt. Noi non abbiamo effettuato la negazione, in quanto la fotoresistenza, alzando il suo valore resistivo al la luce, forniva un fronte di salita del segnale che creava quando era oscurata ( diminuendo la resistenza aumenta la tensione). Entrando nel trigger di Schmitt il suo segnale, oltre che “digitalizzato” veniva invertito, fornendo così senza l’ausilio di porte NOT un fronte di discesa quando era oscurata. Ne deriva che tanto basta, infatti i pin che dovevano attivare il conteggio nei contatori, ed al quale l’uscita del trigger di Schmitt è collegata, sono attivi bassi.
La prima fotoresistenza, quello d’ingresso (fotoresistenza1), se oscurata, causa la diminuzione di una unità dei posti liberi, e viceversa per quella d’uscita.
La visualizzazione avviene tramite due display 7 segmenti catodo comune, uno per le unità, uno per le decine.
Dopo aver studiato attentamente il comportamento delle fotoresistenze abbiamo capito che, nell’ambito della conducibilità elettrica, sono assimilabili ad interruttori on-off: aperti quando la fotoresistenza è al buio, chiusi quando è illuminata. Questo interruttore immaginario è messo in parallelo ad un condensatore che quindi si carica al buio ( res. alta quindi interruttore aperto) e si scarica in presenza di luce.
Scaricandosi il trigger interpreta il segnale basso, lo inverte ed abbiamo di conseguenza un fronte alto ( ricordiamo che ha anche una funzione invertente). Quando la fotoresistenza sarà di nuovo al buio il condensatore potrà caricarsi fornendo un valore logico H. Il trigger invertente dal fronte positivo crea un fronte negativo e porta quindi il segnale a livello logico basso, opportunamente quadrato nel complesso. Ma il trigger non serve solo ad invertire: esso ha un’importante funzione, rende il segnale, nelle sue lente variazioni, quadrato, con dei fronti. La tensione fornita dal C ha infatti tali sembianze nella commutazione:
Ne deriva che si ottiene una tensione variabile, in modo continuo, non lineare, senza fronti ben definiti, tra valori che si è visto prossimi allo 0 e 1 logico. Il dilemma è che i nostri integrati, per avvertire la variazione, un po’ come se fosse un segnale di clock non discreto, devono avere dei fronti, o in salita o in discesa. Capiremo poi di seguito il fine dell’utilizzo degli integrati al momento non specificati. Per ora basti sapere che dal segnale grezzo si deve ottenere la seguente onda:
Questo è possibile, grazie all’utilizzazione dei trigger di Schmidt. L’integrato che li contiene, 7414, però, è costituito da trigger invertenti, quindi l’onda in uscita sarà la negata di quella sopra riportata. Questo particolare però come visto precedentemente
e un nostro vantaggio.
Questo perché, il segnale, dovrà stabilire se togliere una unità al numero di posti liberi ( la macchina entra), oppure aggiungerne una ( la macchina esce). Il discorso si ricollega al contatore 74192, contatore di modulo 10 UP\DOWN. Le fotoresistenze, essendo due, ci saranno anche due segnali di abilitazione del conteggio UP o DOWN: in particolare la fotocellula di ingresso andrà collegata al DOWN ( se una macchina entra la fotoresistenza s’oscura, la tensione sul C aumenta e, grazie al trigger di schmidt, abbiamo un fronte negativo, il segnale attiva un conteggio di una unità in negativo, perché il pin DOWN è attivo basso ), quella di uscita all’UP ( il ragionamento è totalmente l’opposto).
I contatori decadici invece, sono collegati in cascata. Al contatore delle unità vanno i due segnali ( conta UP e conta DOWN). Ogni volta che il suo conteggio arriva a nove, grazie al pin di CARRY, all’incremento successivo esso diventa 0 ed il contatore delle decine 1, e si continua così: il contatore delle decine varia ogni 10 variazioni di quello delle unità. È per questo che esso è collegato in cascata con BORROW e CARRY. BORROW consente il conteggio in decremento, invece che in incremento. Quindi esso è il prestito.
Oltre a ciò per i due contatori è fondamentale il pre-settaggio a 9 nella condizione iniziale: è per questo abbiamo collegato i pin di pre-settaggio in modo da avere il numero 9 in condizione iniziale ( ma volendo anche in qualsiasi condizione sia reputato utile) e si è collegato il LOAD ( il pin che consente di pre-settare il conteggio) ad un pulsante, previa connessione di questo a GND ( si ricordi infatti che il LOAD è attivo basso). Ne deriva che quando schiacciamo il pulsante pre-settiamo entrambi i contatori a 9.
Il conteggio e di conseguenza le uscite, sono infine decodificati tramite un decoder 7447 ciascuno. Il decoder visualizza il numero in sistema decimale tramite due display ad anodo comune ( un display per decoder).
La realizzazione pratica, è stata svolta mediante una basetta a doppia faccia; questo perché il circuito era abbastanza complesso e non riusciva a starci in un'unica faccia.
Comunque si è preferito mettere la maggior parte delle piste nel lato inferiore e il resto in quello superiore, questo per rendere il dispositivo esteticamente migliore.
Durante la fase di sviluppo la basetta è stata stampata due volte a causa di un problema sorto nello schema elettrico iniziale per un uso sbagliato del programma Eagle 4.11.
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