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1 PIANTONI FEDERICO CANDIDATO: PIANTONI FEDERICO 5^D CLASSE: 5^D ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI INDIRIZZO: ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI 2004/05 ANNO.

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1 1 PIANTONI FEDERICO CANDIDATO: PIANTONI FEDERICO 5^D CLASSE: 5^D ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI INDIRIZZO: ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI 2004/05 ANNO SCOLASTICO: 2004/05 Istituto di Istruzione Superiore Cristoforo Marzoli Con sezioni associate ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE CRISTOFORO MARZOLI LICEO SCIENTIFICO DI STATO GALILEO GALILEI Via Levadello, Palazzolo s/O (BS) – C.F tel fax TESINA PER L ESAME DI STATO home

2 2 sommario SOMMARIO Introduzione Pag.3 Principio di funzionamento Pag.4 Componenti optoelettronici Pag.6 Flip-flop Pag.11 Microcontrollore HC08 Pag.12 Programmazione Pag.14 Amplificatore operazionale Pag.20 Convertitore A/D Pag.21 Driver display Pag.21 Display 7 segmenti led Pag.23 Schema circuitale autovelox Pag.24 Semaforo Pag.25 Alimentazione Pag.26 Schema circuitale semaforo e alimentazione Pag.27 Problemi riscontrati e osservazioni Pag.28

3 3 INTRODUZIONE Lobbiettivo del progetto è realizzare un modellino di autovelox che misuri la velocità di un oggetto e la visualizzi su un display. La velocità sarà determinata con la relazione: velocità=spazio/tempo, dove lo spazio è la distanza in mm tra i due sensori che rilevano il passaggio delloggetto mentre il tempo sono i secondi necessari alloggetto per andare da un sensore allaltro. SCHEMA A BLOCCHI RILEVAM. IR RILEVAM. IR MEMORIZZAZIONE MICRO CONTROLLORE CIRCUITO DI CONDIZIONAM. DAC ADC DRIVER DISPLAY 7 SEGM 7 SEGM 7 SEGM SOFTWARE CIRCUITO DI CONDIZIONAM. CIRCUITO DI CONDIZIONAM. intro_blocchi

4 4 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Vi sono due sensori, ognuna formata da un diodo emettitore di luce infrarossa a 930nm e da un fototransistor sensibile alla luce infrarossa (con sensibilità massima a 930nm, compatibile quindi con il diodo emettitore) messi uno di fronte allaltro. Il fototransistor si comporta da circuito aperto se non colpito dalla luce infrarossa mentre si comporta da cortocircuito in caso di massimo irraggiamento. Collegato ad ogni sensore cè un amplificatore operazionale utilizzato come trigger non invertente a soglie non simmetriche in modo da avere in uscita livelli di tensione stabili a seconda della ricezione infrarossa del fototransistor che potrebbe funzionare non regolarmente a causa di un cattivo allineamento con lemettitore o in caso di irraggiamento di luce solare che contiene raggi infrarossi che interferiscono con quelli dellemettitore. Loperazionale è seguito da un transistor in serie ad una resistenza collegata a 5v, che dà in uscita 5v in caso di visibilità tra emettitore e transistor, mentre 0v in caso di interruzione del raggio infrarosso, cioè in caso di passaggio dellauto; in uscita risultano esattamente i due livelli compatibili TTL, 5v come livello alto e 0v come livello basso. I due circuiti rilevatori sono collegati ad un flip-flop JK (TTL 7476) con J e K a massa, il primo sensore al preset e il secondo al clear, in modo da avere in uscita dal flip-flop un impulso di lunghezza pari al tempo necessario allauto per andare dal primo sensore al secondo. Questo impulso entra nel PTA1 del microcontrollore HC08 a 16pin. Il uC è programmato per dare in uscita (sugli 8bit del PTB) un numero tra 0 e 255 che rappresenta la velocità. Sul PTA3 il uC è collegato un pulsante normalmente aperto collegato a massa che, con la resistenza di pull-up allinterno dellintegrato attivata attraverso il software, serve da reset del uC. Gli 8bit del uC sono collegati agli 8bit in ingresso di un convertitore digitale-analogico (AD558) che converte il numero binario entrante (0-255) nei suoi ingressi, nella corrispondente tensione tra 0 e 2,55v. In successione vi sono poi due amplificatori operazionali in configurazione invertente, il primo con guadagno -0,39 e laltro di guadagno -1. funzionamento

5 5 In questo modo, il range di tensione in ingresso (0-2,55v) sarà attenuato; luscita varierà quindi tra 0v e 1v. Vista limpossibilità di avere precisamente un guadagno di 0,39 a causa dei limitati valori commerciali delle resistenze, il guadagno totale dei due operazionali in cascata sarà 0,37 e il range varierà tra 0v e 0,944v. Lo stadio finale, di visualizzazione della velocità, è composto da un particolare convertitore A/D (CA3162), un display driver (CA3161) e tre display sette segmenti ad anodo comune (H-) alimentati attraverso transistor BC328, questi ultimi pilotati dal convertitore A/D. LADC ha il compito principale di convertire in quattro bit una tensione compresa tra 0v e 1v e di inviarli al driver display che pilota i display sette segmenti. I display sono pilotati in sequenza: dal convertitore escono rapidamente in bit i tre numeri da visualizzare e contemporaneamente pilota i tre display attraverso i tre transistor. Il numero visualizzato corrisponde ai mV entranti nel conv. A/D. Anche se il range di tensione entrante ha un valore massimo di 944mV, sarà possibile visualizzare correttamente i valori agendo sui trimmer, modificando il valore di fondo scala e quindi, il guadagno. USCITE DI OGNI BLOCCO funzionamento2

6 6 EMETTITORE E FOTOTRANSISTOR A INFRAROSSI Il led emettitore di luce infrarossa utilizzato nel circuito è lOP165 della OPTEK. È un led di 3mm che emette luce infrarossa a 930nm, a breve distanza e con uno stretto angolo di trasmissione. Per un funzionamento ottimale necessita di una tensione di polarizzazione diretta di 1,6v e sopporta una corrente massima di 10mA. I tempi di accensione e spegnimento del led sono dellordine dei nanosecondi e sono quindi trascurabili ai fini del progetto. Il fototransistor scelto è invece lOP505 sempre della OPTEK, progettato appositamente per lavorare in accoppiata con lemettitore OP165, anchesso quindi sensibile ai raggi infrarossi a 930nm; questo teoricamente si comporta da circuito aperto se la base non è colpita da infrarossi mentre da cortocircuito (va in zona di saturazione) se la base è irradiata, e in questultimo caso la tensione tra collettore ed emettitore è di 400mV. ir

7 7 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN LED INFRAROSSO Un LED (light emitting diode) è un particolare tipo di diodo che emette una piccola quantità di luce se attraversato da una corrente elettrica. Esso è formato internamente da un chip di materiale semiconduttore ed esternamente da due terminali. La luce è una forma di energia che viene rilasciata da un atomo. Questa è composta da piccolissime particelle chiamate fotoni che rappresentano la singola unità di luce. In un atomo ci sono differenti elettroni che si muovo in un orbita intorno al nucleo. A seconda dell'orbita, un elettrone ha una certa quantità di energia. Più l'orbita è larga, più esso è carico. Quando un elettrone passa da un orbita larga ad una inferiore, esso perde un po della sua energia e lo fa sotto forma di un fotone. Più è alta l'energia rilasciata dall'elettrone, più il fotone è potente. Le cariche negative della regione N passano nella regione P per occupare le lacune con carica positiva. Visto che le lacune hanno un quantitativo di energia inferiore alle cariche negative, esse devono consumare della carica per poterli occupare e generano quindi fotoni (producendo la luce). Questo processo accade in tutti i diodi ma è visibile solo in quelli in cui la lunghezza donda dei fotoni prodotti è visibile dall'occhio umano. Usando materiali in cui gli elettroni hanno delle quantità inferiori di elettricità, la lunghezza donda dei fotoni sarà più alta della soglia visibile e non può essere percepita dal nostro occhio, formando un led a infrarossi. ir2

8 8 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN FOTOTRANSISTOR Come noto, un transistor è formato da una giunzione NPN o PNP. Un fototransistor è un particolare BJT (bipolare) che si presenta allesterno con soli 2 terminali, infatti la base non è più pilotata in corrente ma con la luce (fotoni). La giunzione attiva di un fototransistor è la giunzione base-collettore polarizzata inversamente. In una giunzione P-N polarizzata inversamente, se irradiata di luce, si verifica un aumento della corrente inversa dovuta ai portatori minoritari. Questo perché quando una radiazione colpisce un semiconduttore drogato produce coppie elettrone- lacuna con conseguente aumento dei portatori minoritari. ir3 N P N LUCE ZONA DI SVUOTAMENTO R VCC collettore emettitore

9 9 PROVA DEL CIRCUITO DI RILEVAMENTO DI PASSAGGIO A INFRAROSSI ir4 -FURMULA LED IR -FORMULE FOTOTRANSISTOR -FORMULE TRIGGER NON INVERTENTE Vop Vir Visto che la corrente massima sopportata dal led IR è di 50mA, scelgo una corrente di 40mA. La tensione del led acceso è di 1V. Scelgo una corrente Ic di 5mA. Per una forte saturazione del transistor, la corrente di base Ib devessere circa un decimo di Ic quindi sarà 0.5mA. DIMENSIONAMENTO SCHEMA CIRCUITALE Scelgo una Vtm (valore di soglia) di 4.16V e una Vh (isteresi) di 0.29V per non rischiare disturbi e malfunzionamenti. NOTE

10 10 ir5 VirVrefVtmVopVo On2.59V3.90V4.16V0.20V4.92V Off4.93V3.90V4.16V3.68V0.05V Collegando in uscita un led (in serie ad una resistenza) è stato possibile notare il passaggio di un oggetto attraverso il sensore a seconda del led acceso o spento. Il led è acceso quando non cè passaggio e si spegne nel momento in cui un oggetto interrompe il raggio luminoso infrarosso. Vista la poca potenza dei dispositivi ottici, tra emettitore e fototransistor si è scelta una distanza di circa 3cm per garantire un ottimo funzionamento anche con uno scarso allineamento. TABELLA VALORI GRAFICO LIVELLI TRIGGER NON INVERTENTE OSSERVAZIONI

11 11 FLIP FLOP Come componente memorizzatore si è scelto il flip-flop JK 7476 della serie TTL. Questo componente ha il compito di dare uscita alta per tutta la durata del passaggio delloggetto tra i due sensori. La configurazione del flip-flop, per svolgere questo compito, sarà quella con J e K a massa e i due circuiti rilevatori di passaggio collegati il primo al preset e il secondo al clear (entrambi attivi bassi). ff QCLRPRE USCITAINGRESSI SCHEMA CIRCUITALETABELLA VALORI PRIMO SENSORE SECONDO SENSORE N.B. Livelli TTL nel caso in cui gli ingressi J e K siano a massa. Per verificare praticamente il corretto funzionamento del circuito memorizzatore, in uscita si è collegato un led. Questo led si accende quando loggetto attraversa il primo sensore e si spegne quando attraversa il secondo. Il led acceso corrisponde al livello alto TTL cioè 5V. OSSERVAZIONI PIEDINATURA

12 12 MICROCONTROLLORE HC08 Il microcontrollore è utilizzato per generare in uscita un valore che opportunamente amplificato corrisponderà alla velocità delloggetto. Il microcontrollore scelto è il Motorola HC08 a 16pin (QY), il software per programmarlo è il Codewarrior della Metrowerks, la scheda di programmazione utilizzata è la PK-HC08QT per lHC08 a 8pin (QT). Questultima è stata opportunamente modificata per poter programmare anche lHC08 a 16pin (QY). Luscita binaria che darà la velocità corrisponderà agli 8bit del PORT B. Lingresso del micro è invece il PTA1 ed è collegato alluscita del flip-flop. Luscita del flip-flop può essere collegata direttamente nel micro, essendo questultima compatibile con i livelli TTL. Il programma è stato scritto in linguaggio ASSEMBLER (linguaggio più vicino al linguaggio macchina), per la scarsa conoscenza del linguaggio C (linguaggio più vicino al linguaggio umano) da parte del candidato e per motivi di scarsa memoria del componente (un programma scritto in C richiede molta più memoria di un programma di pari utilità scritto in ASM). La piedinatura del micro è la seguente: hc08 PIEDINATURA

13 13 hc08 SCHEMA INTERNO DELLHC08 I principali componenti del microcontrollore sono: -ALU (aritmetic logic unit): è il circuito che svolge calcoli aritmetici e logici, il cervello del microcontrollore -RAM (memoria volatile di lettura e scrittura): memoria di lettura e scrittura necessaria per lelaborazione dei dati da parte della ALU -FLASH (memoria non volatile in tecnologia FLASH) e ROM (memoria non volatile): contiene tutto il programma e tutti i dati -A (accumulatore) e X (index register): registri dappoggio per depositare temporaneamente i dati da elaborare -PC (program counter): contiene lindirizzo della cella di memoria in cui è presente il codice operativo dellistruzione da eseguire -UC (control unit) o CPU Control: è il circuito che invia le sequenze di comandi agli altri dispositivi per eseguire le istruzioni richieste -DDR (data direction register): contengono una sequenza di bit dalla quale decidono se un pin è ingresso o uscita (8 bit corrispondono a 8 pin) -PT (port): registri contenenti una sequenza di bit ognuno dei quali corrisponde al livello letto sul pin (se è un ingresso) o al livello generato sul pin (se è unuscita) -CCR (control code register): collegato alla ALU è un registro 8 bit con 6 bit attivi, ognuno dei quali indica un certo evento di calcolo (N=risultato negativo, Z=risultato zero, C=riporto, I=interrupt, H=mezzo riporto, ecc…)

14 14 XDEF main, irq_isr Include 'HC08QT.inc' DEFAULT_ROMSECTION init: bset 0, CONFIG1 ;Disables COP mov #$00, DDRA;PTA tutte entrate mov #$FF, DDRB;PTB tutte uscite mov #$00, PTB;PTB forzato a zero mov #% ,PTAPUE;Pull- Up sul PTA disattivato ;tranne sul pin di reset (PTA3) mov #% ,PTBPUE;Pull- Up sul PTB disattivato mov #$49, CONFIG2 ;Enables external oscillator and IRQ pin mov #$02, OSCSTAT ;Enables external clock generator rts main: cli ;Enables global interrupts bsrinit main_loop: mov #$FF, $80 ;metti $FF nella cella $80 mov #$80, $81 ;metti $80 nella cella $81 brset 1,PTA,conta;salta a conta se sul PTA1 c'è 1 bra main_loop;salta (salto corto) in ogni caso a main_loop conta: ;1000 dbnz $80,conta ;decrementa di 1 il contenuto della cella ;$80 e salta se è = a 0 dbnz $81,conta ;come sopra...in totale passa circa 100ms mov #$FF, $80 ;metti $FF in $80 mov #$80, $81 ;metti $80 in $81 mov #$FF, $83 ;metti $FF in $83 brset 1,PTA,ca;salta a ca se sul PTA1 c'è 1 mov $83,PTB ;metti sul PTB il contenuto della cella $83 jmp fine;salta (salto lungo) a fine ca: ;500 dbnz $80,ca dbnz $81,ca mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$7f, $83 brset 1,PTA,b mov $83,PTB jmp fine b: ;333 dbnz $80,b dbnz $81,b mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$54, $83 brset 1,PTA,b1 mov $83,PTB jmp fine hc08 b1: ;313 dbnz $80,b1 dbnz $81,b1 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$4f, $83 brset 1,PTA,b2 mov $83,PTB jmp fine b2: ;294 dbnz $80,b2 dbnz $81,b2 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$4a, $83 brset 1,PTA,b3 mov $83,PTB jmp fine b3: ;278 dbnz $80,b3 dbnz $81,b3 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$46, $83 brset 1,PTA,b4 mov $83,PTB jmp fine b4: ;263 dbnz $80,b4 dbnz $81,b4 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$42, $83 brset 1,PTA,c mov $83,PTB jmp fine c: ;250 dbnz $80,c dbnz $81,c mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$3f, $83 brset 1,PTA,c1 mov $83,PTB jmp fine c1: ;238 dbnz $80,c1 dbnz $81,c1 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$3b, $83 brset 1,PTA,c2 mov $83,PTB jmp fine c2: ;227 dbnz $80,c2 dbnz $81,c2 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$39, $83 brset 1,PTA,c3 mov $83,PTB jmp fine PROGRAMMA

15 15 c3: ;217 dbnz $80,c3 dbnz $81,c3 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$36, $83 brset 1,PTA,c4 mov $83,PTB jmp fine c4: ;208 dbnz $80,c4 dbnz $81,c4 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$34, $83 brset 1,PTA,d mov $83,PTB jmp fine d: ;200 dbnz $80,d dbnz $81,d mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$32, $83 brset 1,PTA,dd1 mov $83,PTB jmp fine dd1: ;192 dbnz $80,dd1 dbnz $81,dd1 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$30, $83 brset 1,PTA,dd2 mov $83,PTB jmp fine dd2: ;185 dbnz $80,dd2 dbnz $81,dd2 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$2e, $83 brset 1,PTA,dd3 mov $83,PTB jmp fine dd3: ;179 dbnz $80,dd3 dbnz $81,dd3 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$2c, $83 brset 1,PTA,dd4 mov $83,PTB jmp fine dd4: ;172 dbnz $80,dd4 dbnz $81,dd4 mov #$FF, $80 mov #$20, $81 mov #$2b, $83 brset 1,PTA,d1 mov $83,PTB jmp fine d1: ;167 dbnz $80,d1 dbnz $81,d1 mov #$FF, $80 hc08 mov #$40, $81 mov #$29, $83 brset 1,PTA,d1a mov $83,PTB jmp fine d1a: ;154 dbnz $80,d1a dbnz $81,d1a mov #$FF, $80 mov #$40, $81 mov #$26, $83 brset 1,PTA,d2 mov $83,PTB jmp fine d2: ;143 dbnz $80,d2 dbnz $81,d2 mov #$FF, $80 mov #$40, $81 mov #$23, $83 brset 1,PTA,d2a mov $83,PTB jmp fine d2a: ;133 dbnz $80,d2a dbnz $81,d2a mov #$FF, $80 mov #$40, $81 mov #$21, $83 brset 1,PTA,d3 mov $83,PTB jmp fine d3: ;125 dbnz $80,d3 dbnz $81,d3 mov #$FF, $80 mov #$40, $81 mov #$1f, $83 brset 1,PTA,d3a mov $83,PTB jmp fine d3a: ;118 dbnz $80,d3a dbnz $81,d3a mov #$FF, $80 mov #$40, $81 mov #$1d, $83 brset 1,PTA,d4 mov $83,PTB jmp fine d4: ;111 dbnz $80,d4 dbnz $81,d4 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$1b, $83 brset 1,PTA,e mov $83,PTB jmp fine e: ;100 dbnz $80,e dbnz $81,e mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$18, $83 brset 1,PTA,ea mov $83,PTB jmp fine

16 16 ea: ;91 dbnz $80,ea dbnz $81,ea mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$16, $83 brset 1,PTA,e1 mov $83,PTB jmp fine e1: ;83 dbnz $80,e1 dbnz $81,e1 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$14, $83 brset 1,PTA,e1a mov $83,PTB jmp fine e1a: ;77 dbnz $80,e1a dbnz $81,e1a mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$12, $83 brset 1,PTA,e2 mov $83,PTB jmp fine e2: ;71 dbnz $80,e2 dbnz $81,e2 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$11, $83 brset 1,PTA,e3 mov $83,PTB jmp fine e3: ;63 dbnz $80,e3 dbnz $81,e3 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$f, $83 brset 1,PTA,e4 mov $83,PTB jmp fine e4: ;56 dbnz $80,e4 dbnz $81,e4 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$0d, $83 brset 1,PTA,f mov $83,PTB jmp fine f: ;50 dbnz $80,f dbnz $81,f dbnz $82,f mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$0b, $83 brset 1,PTA,f1 mov $83,PTB jmp fine hc08 f1: ;45 dbnz $80,f1 dbnz $81,f1 dbnz $82,f1 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$0a, $83 brset 1,PTA,f2 mov $83,PTB jmp fine f2: ;42 dbnz $80,f2 dbnz $81,f2 dbnz $82,f2 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$09, $83 brset 1,PTA,f3 mov $83,PTB jmp fine f3: ;38 dbnz $80,f3 dbnz $81,f3 dbnz $82,f3 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$02, $82 mov #$08, $83 brset 1,PTA,f4 mov $83,PTB jmp fine f4: ;36 dbnz $80,f4 dbnz $81,f4 dbnz $82,f4 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$05, $82 mov #$08, $83 brset 1,PTA,g mov $83,PTB jmp fine g: ;33 dbnz $80,g dbnz $81,g dbnz $82,g mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$05, $82 mov #$07, $83 brset 1,PTA,g1 mov $83,PTB jmp fine g1: ;29 dbnz $80,g1 dbnz $81,g1 dbnz $82,g1 mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$05, $82 mov #$06, $83 brset 1,PTA,ha mov $83,PTB jmp fine

17 17 ha: ;25 dbnz $80,ha dbnz $81,ha dbnz $82,ha mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$0a, $82 mov #$05, $83 brset 1,PTA,i mov $83,PTB jmp fine i: ;20 dbnz $80,i dbnz $81,i dbnz $82,i mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$0a, $82 mov #$04, $83 brset 1,PTA,l mov $83,PTB jmp fine l: ;17 dbnz $80,l dbnz $81,l dbnz $82,l mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$0a, $82 mov #$03, $83 brset 1,PTA,m mov $83,PTB jmp fine m: ;14 dbnz $80,m dbnz $81,m dbnz $82,m mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$0a, $82 mov #$03, $83 brset 1,PTA,p mov $83,PTB jmp fine p: ;13 dbnz $80,p dbnz $81,p dbnz $82,p mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$0a, $82 mov #$02, $83 brset 1,PTA,q mov $83,PTB jmp fine q: ;11 dbnz $80,q dbnz $81,q dbnz $82,q mov #$FF, $80 mov #$80, $81 mov #$0a, $82 mov #$02, $83 r: ;10 dbnz $80,r dbnz $81,r dbnz $82,r mov #$02, $83 hc08 fine: mov $83,PTB;metti numero contenuto in$83 su PTB jmp main_loop irq_isr: bilirq_isr ; Waits for the IRQ signal to go high jmp$FE1A ; Jumps to monitor code END NOTE: Per calcolare il ritardo esatto tra gli intervalli di tempo necessari nel programma ci si basa sulla frequenza di clock del microcontrollore che è di circa 2.4MHz. Ogni istruzione per essere svolta necessita di più cicli. Un ciclo corrisponde al tempo di clock, calcolato come linverso della frequenza. Se la frequenza è di 2.4MHz il tempo sarà: t ck =1/F ck =500ns. Listruzione DBNZ occupa 5 cicli, quindi ogni decremento della cella occuperà: t dbnz =5 t ck =2,5us. Di conseguenza se, ad esempio, si necessità di un ritardo di 100ms, il numero di decrementi sarà circa: N= 100ms/t dbnz = Visto che il numero massimo che una cella di 8bit può contenere è 256, si utilizzano 2 celle. Il numero di decrementi corrisponderà così al prodotto tra i due numeri nella cella: 40000=256*156. Nella prima cella si memorizzerà FF (256 in decimale) e nella seconda 9C (156 in decimale). Considerando lesistenza di altre istruzioni che, anche se svolte in qualche us, aumentano il tempo totale di svolgimento del programma, dopo diverse prove pratiche il ritardo è stato lievemente diminuito memorizzando nella seconda cella il numero 80 (128 in decimale). Per verificare il corretto funzionamento del microcontrollore si è provato a cronometrare il ciclo totale del micro ed effettivamente la durata totale del ciclo è stata di 10s.

18 18 hc082 TABELLA VALORI GRAFICO ANDAMENTO VELOCITA

19 19 hc083 ANALISI DEL PROGRAMMA Allaccensione del circuito il microcontrollore svolge automaticamente le istruzioni necessarie per poter funzionare correttamente (fase di inizializzazione) e configura i registri (tra cui i DataDirectionRegister e i registri per il PULL-UP) a seconda della configurazione decisa dallutente. Dopo questa brevissima fase il micro passa al programma vero e proprio scritto dallutente. Il programma svolge queste funzioni in sequenza: -scrive sulluscita (PTB) tutti 0 -controlla il livello del PTA1 e, se alto, passa al ciclo di conteggio mentre in caso contrario ripete il controllo -inizia il conteggio -dopo ogni intervallo di tempo, prestabiliti nel programma, controlla che il PTA1 sia a livello alto per continuare il conteggio mentre, se così non fosse, il micro dà in uscita un valore binario che corrisponderà, una volta amplificato, alla velocità delloggetto -fatto ciò torna al controllo del PTA1 iniziale -se il PTA1, dopo essere andato a livello alto, non torna basso entro 10s (la durata del conteggio) il micro dà in uscita 0 e torna al controllo iniziale START (RESET) PTB=0 CONTA 100ms PTA1=1? PTA1=0? PTB=1000 CONTA 100ms PTA1=0? PTB=500 CONTA 100ms PTA1=0? PTB=333 PASSATI 10s PTA1=0? PTB=10 PTB=0 SI NO

20 20 AMPLIF. OPERAZIONALE E DAC Come convertitore digitale/analogico è stato scelto lAD558 perché il progetto vedeva la necessità di un DAC con 5V di alimentazione e 8 bit paralleli in ingresso. Luscita di questo varierà tra 0 e 2,55V. Gli amplificatori operazionali sono stati invece usati nel circuito per due diverse funzioni: - nei sensori in configurazione di trigger non invertenti per pilotare il transistor - alluscita del convertitore DAC per attenuare a 1V il segnale di 2,55V Nel primo caso occorre un amplificatore operazionale che funzioni bene anche in single supply e in grado di dare in uscita una tensione vicina a zero o vicina a 5V. Inoltre è consigliabile, vista la necessità di usarne 2, sceglierlo in circuito integrato che ne contenga due o più ma allo stesso tempo che sia economico e facilmente reperibile. La scelta è caduta sullLM 324, circuito integrato contenente 4 operazionali in grado di funzionare in single supply. ao Per attenuare il segnale da 2.55V a 1V si è scelto di utilizzare due amplificatori operazionali in configurazione invertente (con la configurazione non invertente ne sarebbe bastato uno ma non è possibile praticamente avere un guadagno minore di 1). Il primo invertente attenua il segnale e lo rende negativo; il secondo ha il compito di riportare positivo il segnale. Quindi occorre utilizzare amplificatori dual supply (visto luscita negativa del primo stadio) e pienamente operativi e lineari tra il range da –2.55V a +2.55V. La soluzione più economica è utilizzare due comunissimi uA741. PIEDINATURA LM324PIEDINATURA uA741 PIEDINATURA AD558

21 21 CONVERTITORE A/D CA3162 E DRIVER 7 SEGMENTI CA3161 Il circuito visualizzatore della velocità è formato principalmente da due componenti principali: il CA3161 e il CA3162. Il CA3161 è un decoder BCD/7 segmenti per display ad anodo comune ed è generalmente accoppiato al convertitore A/D con uscita BCD per tre bit multiplexati, permettendo il pilotaggio di tre display a 7 segmenti contemporaneamente. Il convertitore legge lingresso (che devessere compreso tra 0V e 1V) invia in sequenza al decoder prima la cifra delle unità, poi quella delle decine e infine quella delle centinaia, ripetendo poi questo ciclo. Il decoder applica la cifra decodificata ai 3 display, ma di essi si accende solo quello abilitato dal multiplexer interno al convertitore. Quindi, ad esempio, quando il convertitore invia la cifra delle unità il decoder la decodifica in codice 7 segmenti e la applica ai 3 display. Nel frattempo il convertitore pone basso il pin 5 provocando la saturazione del transistor che abilita la cifra delle unità. Durante questa fase i pin 4 e 3 sono alti e quindi i transistor che abilitano le altre due cifre sono interdetti e quindi gli altri due display sono spenti. Dopo un breve intervallo di tempo il convertitore invia la cifra delle decine e si ripete il processo per il quale il display delle decine si accende e si spengono gli altri 2, poi la stessa cosa con la cifra delle centinaia dopo di che il ciclo si ripete. In questo modo ogni cifra si accende e si spegne in sequenza visualizzando la propria cifra. La rapidità di accensione e spegnimento dei 3 display è tale da permettere allocchio umano di vedere tutte e tre le cifre sempre accese. a/d PIEDINATURA CA3162PIEDINATURA CA3161

22 22 driver SCHEMA CIRCUITALE NOTE E OSSERVAZIONI Il convertitore è del tipo a integrazione ed è quindi necessaria la presenza del condensatore poliestere da 220nF per tale scopo. Lintegratore interno viene alimentato da un generatore di corrente che va tarato agendo sul pot collegato al pin 13: la taratura va fatta dando in ingresso 1V preciso; i display dovranno visualizzare 999. Lingresso è di tipo differenziale e la differenza di tensione massima tra gli ingressi (pin 11 e pin 10) è di 1V; collegato il pin 10 a massa, la tensione differenziale corrisponderà a quella del pin 11. Tra il pin 8 e il pin 9 va collegato un potenziometro per tarare lo zero (valore iniziale): la taratura va fatta mettendo a massa il pin 11 e variando il pot fino a quando sui display verrà visualizzato lo zero.

23 23 DISPLAY 7 SEGMENTI Un display 7 segmenti è un semplice dispositivo formato da 7 piccoli led disposti a 8, ognuno dei quali illumina un segmento di questo 8, riuscendo a rappresentare tutte le cifre esadecimali da 0 a F. Un ottavo led rappresenta il punto (o virgola) separatore delle cifre e si utilizza quindi nel caso di più display per visualizzare altrettante cifre, se il numero da rappresentare è con la virgola. Esistono 2 diversi tipi di display: a catodo comune(G+) e ad anodo comune(H-). Nei primi i catodi di tutti i led sono uniti internamente in un unico pin che va collegato a massa, quindi per laccensione dei segmenti si da tensione ai singoli anodi; viceversa quelli ad anodo comune hanno lanodo in comune collegato alla tensione di alimentazione e laccensione avviene nel mandare a massa i catodi. Nel progetto sono stati scelti i secondi per essere compatibili con le uscite del CA3161 attive basse. 7segm STRUTTURA INTERNA DISPLAY ANODO COMUNE PIEDINATURA gfacab ed cpt g d a e f b c ac abcdefgpt

24 24 SEMAFORO Per completare il progetto si è deciso di creare un piccolo semaforo a led da aggiungere alla strada dove sono istallati i sensori. Vi sono molte soluzioni per creare un semaforo: -con le porte logiche, utilizzando un contatore con un clock molto basso -con il microcontrollore HC08 a 8pin Si è scelta la seconda soluzione per diversi motivi: la semplicità circuitale, il numero davvero ridotto di componenti e la facilità realizzativa. Infatti utilizzando il micro basta collegare 3 led dei tre colori del semaforo (rosso, giallo, verde) a tre pin a scelta tra quelli possibili da utilizzare come uscite e, dal programma, scegliere quale led accendere e per quanto tempo. La logica del programma è basata sulla falsariga del programma dellautovelox: il micro fa accendere un led e nel frattempo conta per un certo tempo, poi quando arriva ad un certo numero di secondi spegne il led e ne accende un altro, e così via. Il programma è il seguente: XDEF main, irq_isr, inizio, rosso, verde, inizio2, inizio3, aranc Include 'HC08QT.inc' DEFAULT_ROMSECTION init: bset 0, CONFIG1 mov #% , DDRA;pta0(giallo),pta1(rosso),pta4(verde) uscite mov #% , PTAPUE;pull-up su pta3(reset) mov #% , PTA;pta tutto a zero mov #$49, CONFIG2 mov #$02, OSCSTAT mov #$FF, $80 mov #$FF, $81 rts main: cli bsrinit mov #% ,PTA ;giallo inizio: mov #$FF,$f0 mov #$FF,$f1 mov #$30,$f2 rosso: dbnz $f0,rosso dbnz $f1,rosso dbnz $f2,rosso mov #% ,PTA ;rosso inizio2: mov #$FF,$f0 mov #$FF,$f1 mov #$80,$f2 verde: dbnz $f0,verde dbnz $f1,verde dbnz $f2,verde mov #% ,PTA ;verde inizio3: mov #$FF,$f0 mov #$FF,$f1 mov #$60,$f2 aranc: dbnz $f0,aranc dbnz $f1,aranc dbnz $f2,aranc mov #% ,PTA ;giallo bra inizio irq_isr: bilirq_isr jmp$FE1A END semaf START (RESET) GIALLO ROSSO 4sec? SI NO VERDE 14sec? SI NO GIALLO 10sec? SI NO SCHEMA A BLOCCHI

25 25 ALIMENTAZIONE Vista la necessità di utilizzare operazionali con alimentazione duale +15V/- 15V il progetto si completa con un alimentatore duale stabilizzato da +15V/- 15V. Visto che la maggior parte dei componenti circuitali sono però alimentati a 5V, in ogni circuito è presente un regolatore di tensione 7805 la cui uscita è collegata a tutte le alimentazioni dei componenti funzionanti a 5V; allingresso arrivano i 15V dellalimentatore stabilizzato. Lalimentatore stabilizzato è in grado di generare una corrente massima continua di 1.2A da ognuna delle due uscite, con picchi massimi di 2.4A. Per il semaforo è invece stata scelta una batteria transistor 9V ricaricabile, vista la poca potenza necessaria al suo funzionamento. Con una batteria di 150mAh la durata del semaforo è di circa 8ore, assorbendo circa 20mA totali. Anche sul semaforo, per alimentare il micro a 5V, cè un regolatore Lalimentatore è suddivisibile in alcuni blocchi principali: alim Trasformatore 220Va.c./+-18Va.c. Ponte di Graetz CondensatoreRegolatore CondensatoreRegolatore 220V a.c. 15V d.c. -15V d.c. SCHEMA A BLOCCHI E FORME DONDA Hz

26 26 PROBLEMI RISCONTRATI E OSSERVAZIONI Durante la costruzione non si sono riscontrati particolari problemi. Si è scelto di costruire su millefori la parte inerente il microcontrollore, flip-flop e operazionali per poter eventualmente fare modifiche al circuito. Su basetta stampata è stata invece realizzata la parte di visualizzazione della velocità, dove non era necessario apportare modifiche visto che la configurazione dei componenti è obbligatoria. Osservazioni importanti vanno fatte sullaccensione: -vista la presenza di microcontrollori, occorre schiacciare i pulsanti di reset dellautovelox e del semaforo per un corretto funzionamento; -visto che il flip-flop allaccensione da unuscita alta e non bassa come il progetto necessita, il primo passaggio dellauto tra i due sensori non verrà considerato e servirà solamente a portare il flip-flop con uscita bassa. Questultima osservazione è stata analizzata e una possibile soluzione poteva essere un condensatore in parallelo allingresso clear del flip- flop che teoricamente ritarderebbe il livello alto in ingresso per la durata della carica; la soluzione è stata però scartata visto che durante il normale funzionamento dellautovelox il condensatore rimaneva carico (a livello basso arrivava comunque qualche millivolt e non si scaricava mai) e quindi lingresso clear non andava mai a livello basso. Unaltra soluzione per il problema del flip-flop poteva essere quella di far considerare al micro solo fronti di salita e fronti di discesa in ingresso per far partire o fermare il conteggio ma anche in questo caso una misura sarebbe andata persa. Piccoli problemi sono sorti a causa di saldature che si staccavano dalla basetta causando malfunzionamenti, problema però risolto con unaccurato controllo. altro

27 27 IN ALLEGATO IL MASTER DEL CIRCUITO VISUALIZZATORE


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