Oggetto: Parcheggio per autovetture

Studio del problema:

Un’industria elettronica ha richiesto la progettazione, sviluppo e messa in punto nonché la fornitura di un “indicatore di posti per un parcheggio adibito alle autovetture” che permetta la visualizzazione del numero di posti auto occupati all’interno di un’autorimessa con un numero limitato a 9 posti auto disponibili in totale.

Il problema è quello di tenere un conteggio sempre aggiornato dei veicoli presenti all’interno del garage fornendo contemporaneamente una opportuna segnalazione visiva all’ingresso tramite il comando di un semaforo.

Si considerino i seguenti punti per dimensionare il progetto:

1.      si utilizzi il microcontrollore 80C31 con una EPROM 27C256 e una RAM 62256

sfruttando il minor numero di componenti con la tecnologia TTL-HC alimentata a       VCC=+5V

2.      minimizzare il costo totale del progetto, tenendo presente che il circuito stampato sarà inscatolato in un contenitore di plastica

3.      non si richiede la progettazione  della sezione di alimentazione in quanto si

presuppone di averla già disponibile come lo schema di Fig.1 ma un riduttore di

tensione da 12V a 5V in corrente continua (FIGURA)

4.      il numero massimo di posti auto che l’autorimessa può contenere è limitato a 9 quindi si richiede l’utilizzo di un solo display per visualizzare il numero di posti occup 828e41i ati

5.      i due sensori ottici di rilevamento del passaggio sono delle fotoresistenze che rilevano interruzioni del fascio di luce proiettato da due piccoli faretti orientabili sul rispettivo sensore disposti a una distanza di 20¸50 cm tra loro. In Fig.2 è possibile vedere una piantina con la disposizione corretta delle lampadine, dei sensori e delle lampade di segnalazione. Si ricordi che l’automobile in entrata del garage deve percorrere uno stretto corridoio

6.      dove risultano posizionati i 2 sensori determinando in tal modo l’interruzione del fascio luminoso prima quello del sensore A poi quello del sensore B. è importante per un

corretto funzionamento del discriminatore di movimento mantenere la distanza dei 2 sensori non superiore alla lunghezze della vettura, nel nostro caso si è scelto una

larghezza compresa tra i 20 e i 50 cm. Le uscite dei 2 sensori confluiranno nel circuito denominato “discriminatore di movimento”, in quanto stabilisce se il conteggio è

visualizzato sul display deve essere incrementato di un’unità a seconda della

direzione di movimento dell’autovettura

7.      le 2 lampadine utilizzate per i foto sensori sono del tipo 12V/1W uno di colore verde per indicare la disponibilità di posti auto ancora liberi ed un’altra di colore rosso per

      indicare che il parcheggio è esaurito

8.      all’accensione del circuito si deve azzerare automaticamente.

Analisi del sistema

Ricerca del materiale e componenti

FOTORESISTENZE.

La sigla LDR, significa Light Dependent Resistor (Resistenza che dipende dalla luce, viene utilizzata per identificare un dispositivo che modifica il suo valore resistivo in funzione della quantità di luce incidente. Queste resistenze sono costituite da un materiale semiconduttore di tipo N composto, quali il solfuro di cadmio (cd); oppure di materiali fotosensibili.(ossido di selenio o di zinco).

La resistenza del dispositivo dipende dalla superficie dell'elemento foto sensibile, dalla quantità di flusso L (lux) incidente sull'unità d’area, nonché da una costante adimensionale a, e da una costante K ( ohm/lux) caratteristiche d’ogni materiale e della tecnica costruttiva adottata (per una fotoresistenza al CdS la costante a è compresa tra 0,7 e 0,9).

La relazione che esprime tale legame è la seguente:

dove:

K è la resistenza presentata dalla fotoresistenza quando su di essa incide una quantità di flusso luminoso unitaria.

La resistenza varia da oltre 1Mohm (fino a 10M) in condizioni di oscurità a poche decine di ohm con un'illuminazione di 1000 lux ( per esempio, luce emessa da una lampada a incandescenza da 100W a 30cm).Le fotoresistenze possono essere alimentate sia in corrente continua, sia in corrente alternata. Le fotoresistenze presentano alcuni difetti quali la limitatissima banda passante, dovuta all'alto tempo di ricombinazione delle coppie elettrone - lacuna. Una fotoresistenza che viene oscurata dopo essere stata illuminata può impiegare anche qualche secondo per riassumere il valore resistivo posseduto in condizioni di oscurità. Il dispositivo non è quindi adatto per tutte quelle applicazioni, quali la trasmissione dati, ove è richiesta un'elevata velocità di commutazione. Le caratteristiche dinamiche della fotoresistenza utilizzata in commutazione sono definite tramite due parametri: il tempo di salita (rise time) e il tempo di discesa (fall time). Questi tempi sono misurati rilevando come varia la corrente che scorre nel circuito di prova in risposta a un impulso luminoso. I valori tipici dei due tempi sono compresi fra 15ms e 200ms.

APPLICAZIONI

Le fotoresistenze sono utilizzate per realizzare apparecchiature per il controllo della fiamma nei bruciatori a gas, come elementi rivelatori di presenza di allarmi antintrusione e per la misura della temperatura a distanza e dell'intensità luminosa. In questo caso specifico, questi dispositivi si è servito per la progettazione di un indicatore di posti per un parcheggio adibito alle autovetture.

SPECIFICHE TECNICHE

- Reazione spettrale di picco     530nm

- Resistenza di cella: -a 10 lux 9KW -a 1000 lux 400W

-Resistenza di oscurità (min.)   1MW

-Tensione max di picco circa     320V

-Dissipazione max. a 25°C        250mW

-Tempo di salita nominale        18ms

-Tempo di caduta nominale        120ms

CONDENSATORI CERAMICI

Si è utilizzato dei condensatori con un valore o capacità di 33pF.

Questi sono una serie di condensatori ceramici a disco con K basso medio e alto, indicati per applicazioni su schede a circuito stampato ad alta densità. Le applicazioni includono filtri, circuiti, sintonizzatori, termocompensati, accoppiamenti e disaccoppiamenti in circuiti di frequenza medio-bassa.

GENERALITA SUL CONDENSATORE CERAMICO

I condensatori ceramici possiedono buone caratteristiche elettriche, sono caratterizzati da un basso angolo di perdita e, grazie all'elevato valore della costante dielettrica del

materiale utilizzato, possono essere realizzati di piccole dimensioni;presentano, inoltre, un basso valore dell'impedenza parassita, per cui si rivelano particolarmente adatti per tutti i circuiti elettronici che operano in radiofrequenza. I condensatori ceramici non presentano notevoli caratteristiche di stabilità, per cui si utilizzano solo nelle applicazioni che prevedono campi di variazione della temperatura e della frequenza limitati. Il campo di valori della capacità varia a 1pF a 470pF. In base a questa caratteristica i condensatori ceramici sono suddivisi in due classi: quelli della II classe sono caratterizzati da un coefficiente di temperatura non controllato, manifestando una scarsa stabilità delle caratteristiche e presentano perdite non  trascurabili.

I condensatori della I classe sono caratterizzati da un coefficiente di temperatura controllato.

Il valore del coefficiente di temperatura viene indicato con una sigla alfanumerica o con un codice a colori. Il codice alfanumerico è composto da una lettera (P o N, che indicano rispettivamente se il coefficiente di temperatura è positivo o negativo) e dal valore del coefficiente compreso tra +100p.p.m./°C e 1500p.p.m./°C. Il condensatore di tipo NP0, che presenta un coefficiente di temperatura nullo, risulta  quindi estremamente stabile.

SPECIFICHE TECNICHE

TEMPERATURA DI FUNZIONAMENTO da -25°C a +85°C

RESISTENZA DI ISOLAMENTO     maggiore di 1000MW

RIGIDITA' DIELETTRICA        2,5V di lavoro (1sec)

TENSIONE NOMINALE            50V

MEMORIA EPROM

La memoria EPROM è una particolare memoria ROM programmabile dall’utente più volte. La programmazione della EPROM avviene cancellando il precedente contenuto esponendo il chip, dotato di una finestrella al quarzo trasparente per un tempo di circa venticinque minuti a raggi ultravioletti, mentre la scrittura delle nuove informazioni viene applicando tensioni di valore elevato nella cella selezionata dalle linee di indirizzo. La carica elettrica intrappolata nella cella di memoria rappresenta lo 0 logico; tale carica staziona finchè non si applica una sorgente di luce ultravioletta che permette la dispersione delle cariche. La cancellazione con tali raggi porta tutte le celle di memoria a 1.

IL MICROPROCESSORE

Un microprocessore è un sistema elettronico complesso, integrato in un unico chip governato da un automa esecutore, che nel caso specifico prende il nome di Unità di Controllo (o anche Sequencer). Intorno all'Unità di Controllo sono essenzialmente presenti una ALU, per l'esecuzione delle operazioni logico‑matematiche, ed alcuni registri con funzioni di memorizzazione temporanea dei dati. Un microprocessore ha bisogno di essere collegato anche a dispositivi esterni di supporto, fra i quali le memorie. Nella memoria esterna deve essere scritta la successione di istruzioni che il microprocessore deve interpretare, una di seguito all'altra, per adempiere anche a funzioni molto complesse desiderate, così come nella memoria saranno posti eventuali dati su cui deve lavorare. Cambiando la serie di istruzioni, ovvero quello che è denominato il programma, in memoria, si possono ottenere da tutto il sistema, funzioni di calcolo o di controllo di processo molto sofisticate con una flessibilità estrema.

L’Unità di Controllo deve interpretare le istruzioni, come si è detto, e governare con le sue uscite, che assumono il ruolo di segnali di controllo, sia i dispositivi interni che quelli esterni, in modo da realizzare il compito richiesto. Per assolvere nel modo migliore a questa funzione è necessario che alcuni segnali emessi dai dispositivi controllati ritornino alla Unità di Controllo.

SISTEMI A MICROPROCESSORE

Un microprocessore insieme con i suoi dispositivi di supporto esterni costituisce quello che viene definito un sistema a microprocessore. Un calcolatore è un tipico sistema a

microprocessore. Dall'analisi sin qui fatta, dovrebbe risultare evidente che un sistema a microprocessore non è altro che un grosso automa a stati finiti programmabile; più di stati veri e propri dovremmo però parlare di fasi, ovvero di sequenze di transizioni fra stati che, generando opportuni segnali di comando, attuano particolari operazioni.

Le fasi principali del funzionamento dell'automa calcolatore, più propriamente del suo «cuore», il microprocessore, sono:

Ø             una fase di reperimento e lettura dell'istruzione in memoria;

Ø             una fase di decodifica dell'istruzione;

Ø             una fase di esecuzione dell'istruzione.

Al termine di queste operazioni il microprocessore torna a leggere una nuova istruzione.

Mentre le prime due fasi sono compiute sempre in identico modo, quella di esecuzione

dell'istruzione dà luogo ad azioni diverse che dipendono dal particolare tipo di istruzione decodificata.

Caratteristiche dell’8051

·         la CPU è ottimizzata per le operazioni di controllo a 8 bit

·         la rom ha una capacità di 4Kbyte di memoria interna.

·         La RAM ha una capacità di 128byte per dati.

·         Ha la capacità di avere una memoria indirizzabile al massimo di 64Kbyte

·         Ci sono 4 porte di ingresso e di uscita ognuna di queste è composta da 8 linee. In tutto avremmo 32 linee tra I/O

·         Ci sono 5 linee di interruzione 3 interne e 2 esterne.

All’interno della struttura c’è ALU e il program counter, l’Accumulatore., stack pointer, registro di stato che sono dei registri fondamentali esterni.

 

PORT1

Serve a ricevere anche la parte bassa dell’indirizzo durante la programmazione della EPROM interna e durante la verifica della ROM

PORT2

Contiene le funzione secondarie, i piedini 10 e 11 che ricevono e trasmettono alla porta seriale;

12 e 13 sono le 2 linee di interruzione esterna;

14 e 15 sono gli ingressi per il timer contatore 0 e contatore 1

16 e 17 sono i PIN di scrittura e di lettura per la memoria RAM esterna

18 e 19 sono gli ingressi dell’invertente dell’oscillatore;

20Vss= 0V

PORT2

Ingresso di dati bidirezionali a 8 bit che serve a emettere la parte alta dell’indirizzo durante le operazioni su memoria esterna

PSEN (29) à Program Store Enable (livello basso) è il segnale di lettura per la memoria ROM esterna

ALE (30) à Address Latch Enable, segnale di abilitazione attivo alto quando su PORT0 e PORT2 è disponibile un indirizzo valido durante un accesso alla memoria esterna sia ROM che RAM

EA (31) à External Access se viene portato a 0 permette di utilizzare la sola memoria esterna ROM escludendo i 4Byter di ROM interna. Se viene forzato a livello alto permette di indirizzare la ROM anche interna fino a 64kbye

PORT0

Serve come BUS multiplo per trasferire la parte bassa dell’indirizzo e i dati durante un accesso alla memoria esterna

40àVcc= alimentazione

Resetà per effettuare il reset bisogna tenere per circa 2 secondi il tasto peremuto (2 colpi di ck) l’azione del reset porta a livello alto il PORT 1 2 3.

ISTRUZIONI dell’ 8051

Riga di testo:

pippo: mov A, 10    ; carica nel registro A il valore 10

  

A                     B                     C        D

a)   pippo: è l’etichetta o nome va da 1 a 6 caratteri, si inizia con una lettera e sono seguite dai due punti (:).

b)   mov è una operazione o istruzione di trasferimento dati che contiene il codice mnemonico dell’istruzione

c)   A,10 sono gli operandi. Il campo operandi contiene i dati su cui opera l’istruzione, possono essere contenuti in registri, celle di memoria o costituiti da dati inunediati.

d)                                          “ ;carica nel registro A il valore 10” è il commento per ogni riga di testo che deve essere preceduto dal “;“

Non c’è una distinzione tra lettere maiuscole o minuscole, tranne le parole chiave che devono essere in Maiuscolo.

nop è un istruzione che non fa nessuna operazione, è usato per ritardare di 1 microsecondo.

Le istrnzioni vengono compiute uil o al massimo 2 cicli macchina, fanno eccezione però, MUL e D]L che hanno bisogno di 4 cicli macchina.

Registri deII’8051

Registri SFR

I)ACCUMULATORE [A,ACC]: è un registro generale che serve per accumulare dati risultanti da un gran numero di istruzioni. è un registro a 8-Bit.

2)   B Register [Bl: viene utilizzato soprattutto per MUL e DIV; viene utilizzato anche come 90 registro temporaneo; è a 8-Bit.

3)   DATA POINTER [DPTRJ: è a 16-Bit; questo registro è possibile suddividerlo in 2 registri da 8-Bit ciascuno chiamati DPH e DPL. Come dice il nome è usato a puntare (indirizzare) i dati. È utilizzabile soprattutto per indirizzare i dati nella memoria esterna.

4)   PROGRAM COUNTER [PC 1: è composto da 2byte. È un indirizzo a 2byte che punta alla locazione di

memoria dove 8051 va a leggere la istruzione da eseguire prossima, e poi si incrementa.

5)   STACK POINTER (SPI: è a 8-Bit punta all’inizio della catasta. Lo stack cresce verso gli indirizzi alti della memoria RAM.

6)  PSW(registro di stato) [PSW]: è a 8-Bit disposti come in figura;

Indirizzamento

I metodi di indirizamento consentono di acceder in maniera più o meno sofisticata all’operando sul quale esguire un istruzione. La potenza di un microprocessore non dipende esclusivamente dalla ricchezza del set di istruzioni ma anche dalle molteplici modalità di indirizzamento dei dati. Un indirizzaemntedo si dice immediato quando l’operando contiente il dato; si dice diretto se l’operando contiene l’indirizzo del dato, si dice indiretto se l’operando contiene l’indirizzo del dato; si dice indicizzato quando l’indirizzo del dato è la somma tra l’operando e il contenuto del registro indice di indirizzamento più o meno potenti.

Subroutine

Quando in un programma si deve ripetere più volte un certo gruppo di istruzioni come in questa esperienza, è conveniente definire a parte un sottoprogramma chiamato subroutine costituito da un gruppo di istruzioni da eseguire ogni volta che il programma principale ne fa richiesta. Si ottengono in questo modo due vantaggi: una migliore leggibilità del programma principale ed un risparmio di memoria.

Realizzazione del prototipo con relative misure

Per realizzare il circuito si è dovuto procurare il materiale da usare, calcolando i valori delle resistenze, da utilizzare nel nostro progetto:

Per calcolare la resistenza sul LED rosso si è dovuto usare la seguente formula:

Per calcolare la resistenza sul LED verde si è usato la seguente formula:

Siccome si è ottenuto un valore di resistenza che non esiste in commercio si è dovuto normalizzare questo valore a quello esistente più vicino e quindi siamo passati da un valore di 960W ad un valore di 1KW.

Successivamente si è dovuto calcolare le resistenze di base dei transistor.

Per fare questo si è utilizzato la seguente formula:

Anche in questo caso si è dovuto normalizzare il valore della resistenza, portandolo da un valore di 1645W ad un valore di 1.5KW

Analisi dei costi

Dopo aver realizzato lo schema elettrico completo, si è dovuto documentare sui componenti  utilizzati.

N°	Denominazione	Sigla	Tipo	Codice	Costo
1	U1	80C31	MICROCONTROLLORE	249-7248
1	U2	74AHCT573	DREGISTER CMOS	300-754
1	U3	27C256	MEMORIA EPROM	322-3739
1	U4	62256	SRAM	267-7836
1	U5	74HC00	INTEGRATO AND CMOS	642-749
1	U6	74HC14	TRIGGER DI SCHMITT	332-9001
1	U7	7447	DECODER TTL SCHOTTY	305-406
1	U8	MAX232
2	C2..C3		CONDENSATORI 33pF +-5%	829-277
1	C1		CONDENSATORE 10mF +-5%	228-6947
1	Y1		CRISTALLO 11.0592Mhz (CMAC)	130-8850

Collaudo finale con inizio della produzione