creazione di sistema di controllo forni - germinario guglielminotti

Politecnico di Torino

III Facolt di Ingegneria

CORSO DI LAUREA IN

INGEGNERIA ELETTRONICA

Monografia

Progettazione, realizzazione e analisi di circuiti elettronici

specifici per il controllo di temperatura nella metrologia

termica primaria

Relatore:

Prof. Ing. Pierluigi Civera

Correlatore:

Dott. Andrea Merlone

ANNO ACCADEMICO 2010 2011

Candidati:

Andrea Germinario

Giulio Guglielminotti

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Indice

Introduzione................................................................................................................................... 3

Capitolo 1 Contesto di partenza ............................................................................................. 4

1.1 La temperatura termodinamica ....................................................................................... 4

1.2 INRiM ................................................................................................................................... 5

1.3 Il sistema di controllo Euroterm ....................................................................................... 7

1.4 I vantaggi di un controllore dedicato ............................................................................... 8

Capitolo 2 Acquisizione dati .................................................................................................... 9

2.1 Introduzione al problema .................................................................................................. 9

2.2 Scelta dei componenti ...................................................................................................... 9

2.3 Realizzazione dei circuiti ................................................................................................ 13

Sezione 1 - Microcontrollore Atmega32 ......................................................................... 14

Sezione 2 ADC ................................................................................................................ 15

2.4 Firmware ATMEGA32 ADC ........................................................................................... 16

Capitolo 3 Controllo ................................................................................................................ 23

3.1 Introduzione al problema ................................................................................................ 23

3.2 Scelta dei componenti .................................................................................................... 23

3.3 Realizzazione dei circuiti ................................................................................................ 24

3.4 Firmware ATMEGA32 di Controllo ............................................................................... 25

Capitolo 4 Chiusura anello di controllo ................................................................................ 27

4.1 Software di controllo su PC ........................................................................................ 27

Capitolo 5 Conclusioni ........................................................................................................... 33

5.1 Collaudo del sistema ....................................................................................................... 33

5.2 Problemi riscontrati .......................................................................................................... 37

5.3 Possibilit di sviluppo e migliorie .................................................................................. 37

Bibliografia ................................................................................................................................... 38

Sitografia ...................................................................................................................................... 38

3

Introduzione La temperatura, una delle sette grandezze fondamentali del Sistema Internazionale, ricopre un

ruolo fondamentale in tutte le funzioni, i cicli, i processi e le applicazioni del quotidiano vivere.

In ambito scientifico poi, riveste un ruolo fondamentale data la stretta dipendenza che intercorre

fra variazioni di temperatura e perturbazione dei sistemi in esame.

Il riferimento primario di temperatura in Italia conservato e mantenuto dalla Divisione

Termodinamica dellIstituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.Ri.M.). Il presente lavoro il

sunto dellesperienza di tirocinio svoltasi presso il laboratorio di termometria per contatto della

Divisione.

Data la necessit di operare una regolazione di temperatura strettamente mirata alle esigenze

proprie dei processi attuati nel contesto delle medie temperature, lo staff di ricercatori di tale

laboratorio, impegnato, fra le altre attivit, nella progettazione di un regolatore embedded di

temperatura per sensori a termocoppia.

Questo tipo di controllore finalizzato al mantenere costante la temperatura allinterno di forni

che ospitano metalli in stato di transizione costituenti i punti fissi della scala di temperatura.

Lattivit di progetto stata incentrata su due sezioni dellimpianto. La prima ha portato alla

realizzazione di un sistema di interfacciamento tra il segnale analogico, gi amplificato, della

termocoppia e il computer. La seconda consistita nel realizzare un sistema di controllo dei

forni interfacciando i segnali digitali forniti dal software di gestione, con componenti di potenza

in grado di pilotare tale tipo di carico. Da precisare il fatto che in questo lavoro di tirocinio non

ci si occupati della parte di amplificazione del segnale da termocoppia, gi realizzata in

precedenza da un altro studente tirocinante. Viene di seguito riportato lo schema di

funzionamento dellimpianto:

4

Capitolo 1 Contesto di partenza

1.1 La temperatura termodinamica

La temperatura un indice dellagitazione termica media delle particelle che costituiscono la

materia; in definitiva possiamo dire che la temperatura di un corpo lenergia cinetica delle sue

molecole. Questa definita attraverso il grado Celsius o il kelvin. Il kelvin (K) la frazione

1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dellacqua [1].

Il punto triplo dellacqua corrisponde allunico stato termodinamico in cui le fasi liquida, solida

e gassosa sono in equilibrio fra loro. Fintanto che le tre fasi coesistono, la temperatura e la

pressione rimangono costanti e sono indipendenti dalla quantit delle singole fasi.

Il punto triplo dellacqua e lo zero assoluto risultante dalla legge naturale definiscono la scala

termodinamica della temperatura (ITS-90) come linsieme dei punti fissi di transizione di fase

solido-liquido, o viceversa, di elementi puri, a temperature diverse.

E facile rendersi conto che lunicit della scala di temperatura un requisito fondamentale per

gli scambi di carattere scientifico, tecnico e commerciale.

La definizione della temperatura termodinamica, basata sul teorema di Carnot e sulle leggi dei

gas perfetti, offre al metrologo la possibilit di definire lunit di temperatura indipendentemente

da qualsiasi sostanza, a condizione che si stabilisca il valore della temperatura da attribuire ad

uno stato termico di riferimento.

Nel 1954 la X CGPM decise di scegliere il punto triplo dellacqua come stato termico di

riferimento e di attribuirgli la temperatura di 273,16 K. La XIII CGPM nel 1967 adott quindi la

seguente definizione:

Il kelvin, unit di temperatura termodinamica, la frazione 1/273,16 della temperatura

termodinamica del punto triplo dellacqua.

Figura 1 Cella punto triplo dellacqua

Il punto triplo dellacqua si ottiene in celle di borosilicato (Pyrex) sigillate, contenenti acqua di

elevata purezza e composizione isotopica nota (Figura 1). La riproducibilit del punto triplo

dellacqua dellordine di 0,03 mK.

5

La temperatura termodinamica, oltre che in kelvin (simbolo K), pu essere espressa anche

ricorrendo allunit grado Celsius (simbolo C). La relazione tra la temperatura espressa in gradi

Celsius (simbolo t) e la temperatura espressa in kelvin (simbolo T) :

t / C = T / K 273,15.

Da questa relazione discende che la temperatura in gradi Celsius del punto triplo dellacqua

0,01 C. Si noti infine che il valore del kelvin e del grado Celsius sono uguali. La scelta di

termometri termodinamici obbligatoria per principio ma scomoda nella pratica. Essi sono

innanzitutto molto complessi. Questo fa s che pochi laboratori ne possono disporre. In secondo

luogo, la loro accuratezza e riproducibilit inferiore a quelle di alcuni termometri pratici.

1.2 INRiM

LIstituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.Ri.M.) un ente pubblico nazionale, afferente

al Ministero dellUniversit e della Ricerca, con il compito di svolgere e promuovere attivit di

ricerca scientifica nei campi della metrologia, composto di quattro divisioni: Termodinamica,

Elettromagnetismo, Meccanica e Ottica.

LIstituto svolge attivit di ricerca, di valorizzazione e trasferimento tecnologico e di formazione

nei seguenti settori scientifici e relativamente alle seguenti tematiche:

Metrologia scientifica (costanti fondamentali e campioni di misura inclusi alcuni

materiali di riferimento).

Metrologia industriale, incluso il supporto alla metrologia legale.

Lattivit in Termometria si inquadra nel contesto internazionale che ha come suo punto di

riferimento il CCT (Comit Consultatif de Thermomtrie) del CIPM.

I campi di attivit della divisione sono le misure di temperatura ed umidit, di propriet termiche

e termodinamiche dei materiali, di grandezze dipendenti dalla temperatura, e le misure termiche

in generale. La divisione sviluppa e mantiene, attraverso la realizzazione della Scala di

Temperatura Internazionale del 1990 (STI-90), il campione nazionale di temperatura.

La divisione svolge anche unattivit costante di ricerca su nuovi sensori e nuovi metodi di

misura, finalizzata sia alle misure di precisione sia alle misure di immediato interesse

applicativo.

Lattivit della divisione ha tradizionalmente una forte connotazione internazionale che si

manifesta, oltre che nella partecipazione alle attivit riguardanti la metrologia internazionale

(confronti chiave e confronti su base volontaria, progetti di ricerca in ambito EURAMET,

partecipazioni a gruppi di lavoro e commissioni) anche attraverso la partecipazione a progetti di

ricerca europei ed internazionali. La divisione anche impegnata in contratti di ricerca e di

consulenza con varie istituzioni scientifiche, ed in particolare con istituti metrologici ed

organizzazioni internazionali stranieri, per la fornitura di apparecchiature e di tecniche di misura.

Le attivit svolte dal gruppo di ricerca di termometria per contatto, sono riassumibili in:

Sviluppo, mantenimento e miglioramento del campione nazionale di temperatura tra -

190C e 962C.

Sviluppo di punti fissi secondari.

6

Sviluppo di tubi di calore a controllo di pressione per la realizzazione di scale di tensione

di vapore.

I punti fissi stabiliscono dei riferimenti discreti lungo la scala e non sono facilmente trasferibili

ai campioni di lavoro, e cio ai termometri di vario genere utilizzati nella ricerca, nella tecnica e

nelle applicazioni e misure.

E pertanto necessario realizzare i termometri interpolatori (termometri campione) come il

termometro a resistenza di platino (tra 24,6 K e 1235 K) ed il termometro a radiazione (tra

1235 K e 2500 K) con cui si possono misurare con continuit temperature in tutta la scala.

Le celle dei punti fissi (Figura 2) sono dei contenitori in vetro riempiti di sostanza caratteristica

prevista dalla STI-90, dotati di una cavit centrale, denominata pozzetto di misura. Tali celle

sono poste in forni dedicati, adeguatamente isolati dallambiente esterno sia per facilitare il

controllo della temperatura che per motivi di sicurezza.

Figura 2 Cella del punto fisso sollevata dal forno e struttura esterna del forno

La potenza fornita dellordine di qualche centinaio di watt totali e varia in funzione della

temperatura di esercizio impostata. Alcune celle prevedono un circuito dedicato per il controllo

di pressione.

Una regolazione manuale della potenza pu mostrarsi particolarmente inadeguata al fine di

stabilizzare la temperatura interna delle celle. Per tale motivo lalimentazione dei forni regolata

attraverso un controllore commerciale di marca EUROTERM, collegato alla rete elettrica, in

modo da poter dosare la potenza dissipata dal forno e trasferita alle celle dei punti fissi.

7

1.3 Il sistema di controllo Euroterm

Il controllore pu essere programmato in modo da scegliere tra due diversi algoritmi di

regolazione: la regolazione on / off o la regolazione PID (Proporzionale Integrativa Derivativa).

Nel primo caso il controllore disattiva semplicemente lalimentazione quando la temperatura

superiore alla soglia impostata e la attiva quando inferiore. Questo metodo per non tiene

conto delle inerzie e delle costanti di tempo del sistema fisico e ci si traduce in delle

oscillazioni di qualche decina di gradi Celsius. E per questo motivo che risulta pi appropriato

utilizzare la regolazione PID: essa infatti tiene conto non solo del valore in uscita al trasduttore

(contributo proporzionale), ma anche della sua storia passata (contributo integrativo) e del suo

presumibile comportamento futuro (contributo derivativo). Il controllore rileva la temperatura

impostata dal forno alla cella, attraverso il segnale, opportunamente amplificato, proveniente da

una termocoppia. La temperatura di esercizio, viene inizialmente impostata a qualche grado

sopra la temperatura di liquefazione dellelemento contenuto allinterno della cella. Raggiunto lo

stato liquido dellelemento, la temperatura di esercizio ridotta in prossimit del valore di

solidificazione. A questo punto, attraverso opportune tecniche, prodotta una nucleazione

controllata, ovvero si induce la solidificazione dellelemento contenuto nella cella del punto

fisso, a partire dal pozzetto di misura. Attraverso le operazioni appena descritte si raggiunge la

situazione di coesistenza solido-liquido, denominata plateau, nella quale la temperatura del

punto fisso stabile e fissa con riproducibilit dellordine del centimillesimo di k.

In tale fase possibile effettuare la taratura dei termometri campione.

La durata del plateau dipende, sostanzialmente, dalla banda di regolazione intorno alla

temperatura di esercizio della cella, caratteristica del controllore. Se la banda di regolazione

risulta eccessivamente dispersa intorno alla temperatura del plateau della cella, tale fase avr una

durata inesorabilmente ridotta.

Lattuale sistema consente regolazioni intorno al grado k, rispetto al valore di set-point

impostato sul controllore.

Il problema fondamentale riscontrato nel sistema, risiede proprio nel regolatore. Essendo, infatti,

questultimo di tipo commerciale non consente regolazioni dedicate al processo in esame. Il

controllo parziale delle operazioni svolte dal controllore EUROTERM, rende incomprensibili

comportamenti anomali del processo. Ci ha prodotto nel passato guasti dei forni e, in un caso,

la distruzione delle celle dei punti fissi. Inoltre, lelettronica utilizzata per il condizionamento del

segnale proveniente da termocoppia, risulta obsoleta e di difficile manutenzione, data la difficile

reperibilit di componentistica ormai fuori produzione.

8

1.4 I vantaggi di un controllore dedicato

Un tipo di controllore dedicato porterebbe alleliminazione dei principali problemi riscontrati

nellutilizzo di controllori commerciali: si potrebbe disporre infatti una regolazione ad hoc, di

cui si conosce la logica di funzionamento sia a livello hardware che software, pi semplice della

PID, ma altrettanto efficace, la cui descrizione dettagliata verr affrontata in seguito. Si

otterrebbe inoltre un sistema molto pi flessibile rispetto a quello attuale: in caso di sostituzione

dei singoli riscaldatori, degli interi forni o delle termocoppie, sarebbe sufficiente agire, in

maniera peraltro non troppo invasiva, sul codice del software di gestione e sul firmware dei

microcontrollori per adeguarsi al nuovo componente, soluzione assolutamente non pensabile sul

sistema EUROTERM. Anche dal punto di vista dimensionale, si giungerebbe a un gruppo

controllore molto pi compatto rispetto allattuale, in quanto i componenti impiegati

consisterebbero in un PC collegato ad alcune parti elettroniche di dimensioni pi compatte.

Infine, misure utili al controllo, parametri di controllo, tempi di alimentazione, potrebbero essere

cos registrati e visualizzati su PC, facilitando analisi e migliorie di rampe e stabilit di controllo.

9

Capitolo 2 Acquisizione dati

2.1 Introduzione al problema

Il primo problema da risolvere consiste nella realizzazione di uninterfaccia analogico-digitale

che permetta lacquisizione su PC delle informazioni provenienti dalle termocoppie poste

allinterno dei forni. Come gi detto nel capitolo introduttivo, lo stadio dellamplificazione dei

segnali puri in uscita dalle termocoppie, nellordine delle centinaia di microvolt, era gi stato

trattato da un altro studente tirocinante. I segnali forniti in uscita dallamplificatore sono disposti

allinterno di un intervallo di 0V, +5V. Ci si trova dunque ad affrontare il problema della

conversione in digitale dei segnali amplificati e del loro indirizzamento al computer. Ci che

prevede questa prima parte di progetto la realizzazione di due circuiti PCB (Printed Circuit

Board) ospitanti rispettivamente microcontrollore e convertitore A/D (Analog to Digital), e la

programmazione del microcontrollore al fine di permettere una lettura su richiesta dellutente, la

conseguente esecuzione della conversione e linvio dei dati via seriale o USB.

2.2 Scelta dei componenti Per quanto riguarda il microcontrollore si scelto un ATMEGA 32 (Figura 3), in quanto era gi

stato utilizzato dagli scriventi nellambito di un precedente progetto e si disponeva quindi delle

conoscenze necessarie alla programmazione del firmware.

La scelta del convertitore A/D non stata altrettanto semplice, in quanto esso doveva presentare

particolari caratteristiche tecniche.

Loperazione di conversione analogico-digitale produce infatti il cosiddetto rumore di

quantizzazione. Lingresso del convertitore A/D costituito da un segnale continuo con un

numero di possibili stati infinito, mentre luscita digitale una funzione discreta in cui il numero

di stati determinato dalla risoluzione del convertitore (LSB Last Significant Bit). La

Figura 3 Atmega 32

10

conversione da analogico a digitale comporta quindi una perdita dinformazione e lintroduzione

di distorsione sul segnale. Lampiezza di questo errore casuale e ha un valore massimo di 1/2

LSB, dove

, con VFS e N, rispettivamente, il valore di fondo scala e il numero di bit

dellADC.

Il campo di temperatura in cui dovrebbe teoricamente operare il controllore varia in relazione al

punto fisso cui si intende associare il sistema, in un intervallo di almeno 50 k attorno alla

temperatura dello stesso punto fisso, fino a circa 1000 C . Per ottenere risoluzioni di lettura

della temperatura inferiori a 0,05 K (corrispondente a 250 V nellipotesi di una amplificazione

in tensione di 500):

L ADC da usare dovr avere un numero di bit superiore 14,28. Prevedendo un numero inferiore

di bit effettivamente utilizzabili per la misurazione inviati dal dispositivo, la scelta ricaduta su

un ADC a 24 bit.

Eseguendo una ricerca tra vari fornitori, ci si imbattuti in un convertitore sigma-delta a 24 bit,

dotato di amplificatore differenziale ultra-low noise (12 nV/Hz in tensione e 0,4 pA/Hz in

corrente, alla frequenza di 0,1 Hz), specificatamente indicato per applicazioni industriali su

segnali a bassa frequenza. In genere i convertitori trovati, aventi la risoluzione cercata, erano

specifici per applicazioni audio a frequenze medio-alte. In particolare lintegrato presenta una

reiezione di rumore di alimentazione intorno ai 115 dB, un errore di linearit dello 0,0015%

della tensione di riferimento (a fondo scala), una risoluzione libera da rumore variabile da 13 a

19 bit a seconda del word-rate selezionato e un drift di 10 nV/C. La casa produttrice la Cirrus

Logic e il modello in questione il CS5530 (Figura 4) .

Analizzando nel dettaglio le componenti interne del convertitore, si individuano quelli che sono i

principali attori della conversione. Il convertitore sigma-delta un dispositivo non lineare

utilizzato per effettuare conversioni analogico-digitale con alta risoluzione ed elevato rapporto

Figura 4 CS5530 ADC

11

segnale/rumore. Questo convertitore composto, fondamentalmente, da un modulatore e un

filtro in cascata.

Il modulatore il cuore di un convertitore sigma-delta e ha il compito di realizzare le tecniche di

oversampling e di noise shaping al fine di raggiungere le prestazioni desiderate. Loversampling

consiste nellaumentare la frequenza di campionamento al di sopra del limite di Nyquist,

corrispondente a due volte la banda del segnale. Questo accorgimento avr un effetto positivo

sul processo di conversione. Infatti esso consente di distribuire la potenza dovuta al rumore di

quantizzazione su tutta la banda delle frequenze, riducendola nella frequenza specifica del

segnale analogico preso in considerazione. Il noise shaping consiste invece nel modellare

mediante filtraggio lo spettro di densit di potenza del rumore di quantizzazione riducendone

lentit in banda base e cercando di concentrarlo alle alte frequenze, sempre allo scopo di

abbassarne il livello in corrispondenza delle frequenze significative del segnale.

Il filtro passa basso posto in uscita al modulatore ha infine il compito di isolare la banda base del

segnale, eliminando i contributi a frequenze pi alte, e ha il compito di riportare la frequenza di

campionamento al limite di Nyquist.

Per quanto riguarda il riferimento di tensione necessario allADC per effettuare la conversione,

si scelto lintegrato MAX6250 (Figura 5).

Laccuratezza di un ADC dipende molto dallaccuratezza del riferimento di tensione usato in

quanto da esso si ricava il valore della conversione. Inoltre, avendo usato un convertitore ad alta

risoluzione da 24 bit, lerrore di quantizzazione molto piccolo (pari a 0,15 V ) e quindi la

fonte di maggiore rumore risulta essere quella del riferimento di tensione. Si tratta di un

riferimento in tensione di estrema precisione, a basso rumore, con coefficiente di temperatura di

1 ppm/C e accuratezza iniziale di . Tale integrato espressamente studiato, date le

caratteristiche elettriche di interfacciamento, per sistemi di acquisizione a pi di 16 bit. Il

riferimento di tensione fornito di 5,000 V. Nella banda 0,1-10 Hz il rumore caratteristico

dellintegrato di 1,5 Vpp, la stabilit del riferimento di 20 ppm/1000 ore, per qualsiasi tipo

di carico capacitivo.

Figura 5 MAX6250

12

Per l interfacciamento con la porta seriale, non essendoci richieste particolati riguardanti le

caratteristiche di questo integrato, si potuto scegliere il convertitore USART-RS-232 MAX

232 gi disponibile presso il nostro laboratorio (Figura 6).

Figura 6 MAX232

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2.3 Realizzazione dei circuiti La circuiteria stata suddivisa in tre circuiti PCB differenti: il primo ospitante il

microcontrollore, il secondo il convertitore e lintegrato per il riferimento di tensione e il terzo il

convertitore seriale MAX232. Tale scelta stata fatta in ottica di una maggiore flessibilit in

fase di sviluppo: un eventuale collegamento errato sulle piste di un unico PCB, avrebbe

comportato il rifacimento dello stesso. S preferito dunque dotare le sezioni di connettori per

fili esterni. Per quanto riguarda la realizzazione dei master PCB si proceduto alla

schematizzazione tramite il software di disegno CAD Eagle. Gli schematici sono poi stati

stampati su fogli lucidi e impressionati su basette di rame presensibilizzate tramite bromografo.

Dopo varie prove, si ritenuta ottimale unesposizione ai raggi ultravioletti di 70 secondi. Il

bromografo dotato di 4 lampade Philips TL/15 W disposte a 2 cm circa dal vetro di appoggio

lastra. Si poi rimosso lo strato di vernice fotosensibile tramite bagno in soluzione di soda

caustica con concentrazione di 7 mg/l. In seguito si immersa la basetta in soluzione di acido

ferrico e acqua in rapporto 1 a 3; le piste sono poi state ripulite con acetone e si sono praticati i

fori nelle piazzole tramite trapano a colonna e punta da 1mm. Viene di suguito riportato lo

schema di collegamento delle varie sezioni (Figura 7).

Figura 7 Schema di principio

La comunicazione tra microcontrollore e ADC avviene tramite interfaccia SPI (Serial Peripherial

Interface) che si basa sullutilizzo di quattro fili corrispondenti a Chip Select (CS), segnale di

output (MOSI), segnale di input (MISO) e segnale di Clock (CLK). Tali pin, secondo quanto

riportato sul datasheet dellATMEGA32, sono rispettivamente PB4 PB5 PB6 PB7.

Per quanto riguarda la connessione tra Microcontrollore e MAX232 si sfruttano invece i pin di

trasmissione e ricezione UART costituiti da TXD e RXD (PD1 e PD0).

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Sezione 1 - Microcontrollore Atmega32 Il circuito deve provvedere ad alimentare il microcontrollore, rendere usufruibili i pin di

programmazione e le porte del dispositivo tramite pin header, come mostrato nel circuito in

Figura 8. Il circuito richiede linserimento di un condensatore di bypass da 100 F, per filtrare la

tensione di alimentazione da eventuali disturbi, e di una resistenza da 100 K per disabilitare il

reset del microcontrollore, in quanto non necessaria una circuiteria di reset dedicata.

Figura 8 Schema ATMEGA32

Figura 9 Master e disposizione componenti ATMEGA32

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Sezione 2 ADC

Basandoci sempre sulle indicazioni fornite dal datasheet del CS5530, si elaborato il seguente

circuito:

Figura 10 Circuito di collegamento CS5530

Figura 11 Master e disposizione componenti CS5530

16

2.4 Firmware ATMEGA32 ADC

Il firmware dellATMEGA32 deve in prima fase inizializzare e configurare lADC. Ci avviene inviando su SPI i bit necessari a resettare e inizializzare il convertitore e in seguito quelli

necessari a personalizzare il registro di configurazione secondo le necessit. Terminata questa

fase, attende istruzioni dalla porta seriale. Si dovuta rivolgere particolare attenzione alla

sequenza binaria da inviare per configurare lADC. Basandoci su quanto indicato sul datasheet del CS5530, riportiamo di seguito la configurazione scelta, evidenziando i valori scelti per il

registro):

PSS (Power Save Select)[31] 0 Standby Mode (Oscillator active, allows quick power-up). 1 Sleep Mode (Oscillator inactive).

Non si utilizza sleep mode

PDW (Power Down Mode)[30] 0 Normal Mode 1 Activate the power save select mode.

Non si utilizza il power save mode RS (Reset System)[29] 0 Normal Operation. 1 Activate a Reset cycle. See System Reset Sequence in the datasheet text.

Bit attivato solamente in fase di Reset allavvio dellADC RV (Reset Valid)[28] 0 Normal Operation 1 System was reset. This bit is read only. Bit is cleared to logic zero after the configuration register is read.

Pin di sola lettura funzionante da flag per la procedura di reset. Deve essere inizializzato a 0.

IS (Input Short)[27] 0 Normal Input 1 All signal input pairs for each channel are disconnected from the pins and shorted internally.

Segnale di input standard

NU (Not Used)[26] 0 Must always be logic 0. Reserved for future upgrades.

VRS (Voltage Reference Select)[25] 0 2.5 V < VREF [(VA+) - (VA-)]

1 1 V VREF

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Filter Rate Select, FRS[19] 0 Use the default output word rates. 1 Scale all output word rates and their corresponding filter characteristics by a factor of 5/6.

Scelto uguale a 1 per selezionare un word rate di 1600 Sps (Sample Per Second) NU (Not Used)[18:15] 0 Must always be logic 0. Reserved for future upgrades.

WR3-WR0 (Word Rate) [14:11] The listed Word Rates are for continuous conversion mode using a 4.9152 MHz clock. All word rates will scale linearly with the clock frequency used. The very first conversion using continuous conversion mode will last longer, as will conversions done with the single conversion mode.

Configuration Bit WR (FRS = 0) WR (FRS = 1)

0000 120 Sps 100 Sps

0001 60 Sps 50 Sps 0010 30 Sps 25 Sps

0011 15 Sps 12.5 Sps

0100 7.5 Sps 6.25 Sps

1000 3840 Sps 3200 Sps

1001 1920 Sps 1600 Sps

1010 960 Sps 800 Sps

1011 480 Sps 400 Sps

1100 240 Sps 200 Sps

All other combinations are not used.

Si optato per un Word Rate di 1600 Sps in quanto, dopo varie prove, si osservato che con tale

valore non si ottenevano conflitti nella comunicazione seriale. U/B (Unipolar / Bipolar) [10] 0 Select Bipolar mode. 1 Select Unipolar mode.

In ingresso al convertitore si avr un segnale che andr da 0 V a 5 V. Il segnale differenziale da

termocoppia strettamente positivo. OCD (Open Circuit Detect Bit) [9] When set, this bit activates a 300 nA current source on the input channel (AIN+) selected by the channel select bits. Note that the 300 nA current source is rated at 25C. This feature is particularly useful in thermocouple applications when the user wants to drive a suspected open thermocouple lead to a supply rail. 0 Normal mode. 1 Activate current source.

Si scelto di non attivare questa funzionalit in quanto la termocoppia collegata al convertitore

ADC tramite un amplificatore esterno. Questa corrente di 300 nA in uscita dal canale di input

potrebbe danneggiare lamplificatore. NU (Not Used) [8:0] 0 Must always be logic 0. Reserved for future upgrades.

Il registro di configurazione scelto composto quindi dei seguenti gruppi di Byte:

D31 D30 D29 D28 D27 D26 D25 D24 D23 D22 D21 D20 D19 D18 D17 D16

PSS PDW RS RV IS NU VRS A1 A0 NU NU NU FRS NU NU NU

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

Primo Byte 0x00 Secondo Byte 0x08

D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

NU WR3 WR2 WR1 WR0 UP/BP OCD NU NU NU NU NU NU NU NU NU

0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Terzo Byte 0x4C Quarto Byte 0x00

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Riportiamo di seguito il flow chart e lo script del firmware elaborato:

Figura 12 Flow chart del firmware acquisizione dati

#include #include

#include

#define EVER (;;)

#define time 60

#define time1 100

unsigned char dummy,a,b,c,d; //VARIABILI GLOBALI

void wait(void)

{

unsigned char i,j,k;

PORTC=0xFF; //Accende Led Wait

for (i=0; i

19

PORTC=0x00; //Spegne led wait

}

}

}

PORTC=0xFF;//Accende Led Wait

return;

}

void wait1(void)

{

unsigned char i,j;

PORTC=0xFF;

for (i=0; i

20

while(!(SPSR & (1

21

{

// Attende che il dato sia disponibile

while(!(UCSRA & (1

22

void leggireg() //Funzione per leggere su registro

{

PORTB &= ~(1

23

Capitolo 3 Controllo

3.1 Introduzione al problema La parte di progetto corrispondente allazione di controllo presenta diversi aspetti. Il PC, dopo

aver acquisito il dato dalla termocoppia, manda un comando di accensione o di spegnimento del

forno. Saranno quindi necessari un interfacciamento seriale, un microcontrollore e un dispositivo

di potenza che comandi il forno.

3.2 Scelta dei componenti Per quanto riguarda linterfacciamento seriale la scelta del componente gi stata fatta nella

parte precedente, in quanto il MAX232 in grado di gestire due comunicazioni seriali distinte.

Come microcontrollore, per comodit, stato nuovamente scelto un ATEMGA32.

Laccensione del riscaldatore del forno stata affidata ad un triac e non ad un rel. I vantaggi di

tale componente sono:

1- Assenza di parti meccaniche in movimento, infatti anche chiamato interruttore a stato

solido;

2- Eliminazione di tutti i problemi di contatto (rimbalzo) e di interferenze

elettromagnetiche;

3- Velocit di commutazione minore di 10 s. Questo permette una migliore

sincronizzazione con landamento della tensione alternata, spegnendosi solo nel

momento in cui la tensione attraversa lo zero. Ci aumenta il tempo di vita di componenti

delicati (come lampade a filamento);

4- Alta resistenza a vibrazioni e colpi;

5- Assenza di rumore in fase di commutazione;

Presenta anche alcuni svantaggi:

1- Valori di tensione di lavoro definite, ovvero non pu lavorare a tensioni arbitrarie di

carico;

2- Deve essere protetto da sovraccarichi di tensione tramite apposite reti, dette di

Snubbing. Tali sovraccarichi possono essere generati da reti anche solo parzialmente

induttive . Se non protetto opportunamente, il triac potrebbe danneggiarsi in modo

irreversibile;

3- Presenta una tensione di drop out di circa 1 V e una temperatura di funzionamento

massima pari a 125 C: ci comporta lutilizzo di dissipatori di calore per evitare danni al

dispositivo;

4- Quando un rel spento al suo interno non passa alcuna corrente, invece il triac non ha

uno stato di spegnimento ben definito. C sempre una piccola corrente che scorre al suo

interno di circa 1-10 mA RMS.

Lutilizzo di reti di Snubbing fortemente indicato nel caso un cui si debbano comandare carichi fortemente induttivi; il calcolo dei valori dei componenti per tali reti tuttavia empirico e

molto complesso. I riscaldatori che si dovranno comandare sono progettati in modo da essere

anti-induttivi, per evitare di disturbare le accurate misurazioni effettuate mediante termometri a

24

resistenza di platino nei punti fissi della scala di temperatura. Si pu cos assumere che i

riscaldatori siano carichi quasi totalmente resistivi, che quindi non necessitino di reti di

Snubbing. Per sicurezza si scelto comunque di utilizzare triac detti Snubberlessche integrano gi al loro interno la rete filtrante sopra citata.

Si dovuto tener conto della necessit di separare la rete in corrente continua (ATMEGA) da

quella in alternata dei forni. Tale compito affidato a opto-isolatori MOC.

Il microcontrollore alimenta un diodo led contenuto allinterno del MOC, che a sua volta eccita un foto-transistor. Questultimo permette lo scorrimento della corrente alternata necessaria ad attivare il gate del triac, con conseguente accensione del riscaldatore.

Nel dettaglio si sono utilizzati un triac BTA06-600BW, che pu gestire in tensione fino a 600 V

e 6A e un MOC3021 in grado di fornire una corrente di gate fino a 50 mA.

3.3 Realizzazione dei circuiti

Per quanto riguarda la comunicazione seriale e il microprocessore, ci si basati sulla circuiteria

gi realizzata nella parte di acquisizione dati. Il circuito di elettronica di potenza stato

realizzato su breadboard SK10 per flessibilit in fase di collaudo (le prove sono state fatte su un

riscaldatore provvisorio meno potente rispetto ai forni realmente utilizzati). Viene di seguito

riportato lo schema di principio:

Figura 13 Circuito di pilotaggio del forno

25

3.4 Firmware ATMEGA32 di Controllo La struttura del firmware abbastanza semplice. Oltre a prevedere le inzializzazioni di USART

e microcontrollore, legge da seriale un comando e gestisce il MOC tramite un pin della PORTA. #include

#include

#include

#include "atmega32_port_config.h"

#define EVER (;;)

#define time 150

unsigned char dummy; //VARIABILI GLOBALI

void wait(void)

{

unsigned char i,j;

for (i=0; i8);

/* Formato parola

>> Asynchronous mode

>> No Parity

>> 1 StopBit

>> char size 8

*/

UCSRC=(1

26

// Il dato disponibile nel buffer quindi restituisce il valore di UDR

return UDR;

}

int main()

{

unsigned char riscaldatore;

PORTB = 0x00;

PORTA = 0x00;

PORTC = 0x00;

PORTD = 0x00;

DDRB = 0xFF;

DDRA = 0xFF;

DDRC = 0xFF;

DDRD = 0xFF;

USARTInit(12);

for EVER

{

riscaldatore=USARTReadChar();

if(riscaldatore=='1'){

PORTA=0xFF;//acceso

}

if (riscaldatore=='2'){

PORTA=0x00;//spento

}

}

}

27

Capitolo 4 Chiusura anello di controllo 4.1 Software di controllo su PC

Per chiudere la retroazione dellintero sistema, si realizzata uninterfaccia grafica in linguaggio Visual Basic 6, scelto in quanto precedenti applicazioni gi operanti presso i laboratori di misure

termiche sono stati sviluppati con tale linguaggio. Si prevede infatti, in futuro, di implementare

questo controllo in sistemi di livello superiore gi sviluppati in VB, finalizzati alla taratura dei

termometri campione nazionali. Linterfaccia permette sia di automatizzare il processo decisionale in base alle letture trasmesse dallADC, che agire direttamente su diversi parametri di controllo.

Pi nel dettaglio, quello che si fatto, una volta trascorso il transitorio di riscaldamento, stato

calcolare un tempo variabile di accensione del forno, in base alla distanza tra la temperatura

istantanea letta dall ADC e quella impostata (denominata Set Point). Dal punto di vista teorico, una regolazione di questo tipo non prevede mai il raggiungimento del set point, ma solamente un

avvicinamento dal basso. Per questo motivo stata introdotta la possibilit di agire anche

manualmente tramite una costante moltiplicativa (Reg. Fine), in grado di avvicinare la curva a

un valore desiderato. La versione definitiva del controllo sostituir questa azione manuale con

una automatizzata mediante controllo PID.

Vengono di seguito riportati il layout del software e la descrizione delle funzioni legate ai

pulsanti e alle caselle di testo (per le voci in parentesi fare riferimento al codice del programma):

Figura 14 Layout dellinterfaccia software

28

- APRI PORTE: settaggio porte COM (vedere Private Sub Apri_Click);

- START ACQ: avvia lacquisizione automatica con intervallo di tempo tra una lettura e laltra definibile da utente (vedere Private Sub Command6_Click);

- LEGGI REGISTRO: consente la verifica della corretta scrittura sul registro di configurazione dellADC (vedere Private Sub Command2_Click). Il pulsante SCRIVI DATI REGISTRO riporta il tutto sullinterfaccia grafica (vedere Private Sub Command4_Click);

- CONVERSIONE MANUALE: permette lesecuzione di unacquisizione manuale (vedere Private Sub Command1_Click);

- CASELLA ERRORE: viene riportato il codice 04 in caso di errore durante lacquisizione (overflow o tensione differenziale negativa in ingresso), 00 altrimenti.

- RISOLUZIONE: calcola la risoluzione digitale in volt, dividendo per 224 (ADC a 24 bit) il valore contenuto nella casella FONDO SCALA (vedere Private Sub

MSComm1_OnComm);

- ATTENUAZIONE Val/Att: essendo la calibrazione delloffset dellADC unoperazione eseguibile solamente agendo via firmware, si preferito rendere possibile un

riadattamento dei dati via software, in modo da avere un controllo pi flessibile e

semplice da mettere in atto.

- RICALCOLA: divide il valore contenuto nella casella VALORE PURO per quello contenuto nella casella ATTENUAZIONE e riporta il risultato nella casella VALORE

FINALE . (vedere Private Sub Ricalc_Click);

- FORNO ON/OFF: permette accensione/spegnimento manuale (vedere Private Sub Command3_Click e Command5_Click);

- DELTA V / DELTA T: in questa casella si riporta il rapporto tra differenza di potenziale indicata dalla termocoppia e tempo ricavato empiricamente durante il transitorio di

riscaldamento, con unapprossimazione lineare della caratteristica.

- SET POINT: viene inserito il valore di tensione differenziale desiderato (in Volt) e quindi la corrispondente temperatura.

- T SETPOINT: viene riportato il tempo di accensione del forno calcolato in base alla distanza dal set point.

- REG FINE: permette linserimento di un valore percentuale. Tale valore costituisce una costante moltiplicativa che permette un avvicinamento pi preciso al set point, dato che il

deltaV/deltaT un valore ricavato tramite approssimazione. Tale valore viene

moltiplicato per il Tsetpoint in modo da regolare la percentuale di tempo di accensione forno.

29

Si specifica che le funzioni DELTA V/DELTA T e REG.FINE sono provvisorie e finalizzate

alla sola valutazione del corretto funzionamento del sistema di elettronica e interfacciamento;

verranno sostituite con degli algoritmi di controllo specifico.

Le istruzioni per il funzionamento generale del programma sono contenute allinterno della Private Sub MSComm1_OnComm. Un tipico ciclo di funzionamento si pu descrivere con:

1. Avvio acquisizione automatica dopo aver impostato lintervallo di lettura (con valore minimo di 5 s, al di sotto dei quali si possono riscontrare conflitti nell invio/ricezione dei dati).

2. Scrittura allinterno della casella Esadecimale del dato puro ricevuto dall ADC e conversione nel valore decimale, riportato nellomonima casella.

3. Divisione del dato in decimale per la risoluzione e scrittura del risultato in Valore Puro 4. Rielaborazione del dato secondo l attenuazione imposta. 5. Calcolo del tempo di accensione del forno (T set point), in millisecondi, tramite la

seguente equazione:

Segue un processo decisionale in base al valore di Tsetpoint ottenuto: se maggiore

dell intervallo di acquisizione, si impone Tsetpoint=intervallo acquisizione, in modo da non avere un eccesso nel tempo di accensione del forno, che sar quindi al massimo

uguale al tempo trascorso tra una lettura e laltra. Se Tsetpoint risulta invece minore dell intervallo di acquisizione, si passa al punto successivo.

6. Leffettiva durata dellaccensione del forno regolata da un loop (a vuoto). Esso necessita di un momento iniziale e un momento finale, ricavati tramite la funzione

timeGetTime. Essa restituisce lora macchina in millisecondi dalla mezzanotte precedente. La durata del loop sar quindi data dalla somma tra lora macchina attuale e il Tsetpoint precedentemente calcolato. Riportiamo un esempio in pseudocodice per

chiarire:

tattuale =timeGetTime

tspegnimentoforno=tattuale + Tsetpoint

loop tra (tattuale et tspegnimentoforno)

7. Nuova acquisizione e reiterazione del ciclo.

30

Riportiamo di seguito lo script del programma:

Private Sub Apri_Click()

MSComm1.RThreshold = 0


MSComm1.PortOpen = False

MSComm2.PortOpen = False

MSComm1.CommPort = Com1.Text ' Seleziona la COM1

MSComm1.Settings = "4800,n,8,1" ' Impostazioni della seriale

MSComm1.RThreshold = 1 'Controllo corretta ricezione dei dati

MSComm1.PortOpen = True

If Err Then

MsgBox("Non possibile aprire la porta. Premere prima chiudi")

End If

Com1.Text = MSComm1.CommPort

MSComm2.CommPort = Com2.Text

MSComm2.Settings = "4800,n,8,1"



If Err Then


End If


End Sub

Private Sub Command1_Click()

'Manda 1 per fare conversione

MSComm1.Output = "1"

Text1.Text = "" 'Cancella tutte le caselle di testo

Errore.Text = ""

Deci.Text = ""

ValoreFin.Text = ""

Fin.Text = ""


End Sub


'Manda 2 per leggere Registro


End Sub


MSComm2.Output = "1" 'Accende forno e cambia indicatore

Me.Command7.BackColor = &H8000& 'verde

Me.Command7.Caption = "ON"

End Sub


' Legge Dati registro mandando "e"

MSComm1.Output = "e"

Text1.Text = ""

Errore.Text = ""

Deci.Text = ""

ValoreFin.Text = ""

Fin.Text = ""


End Sub


MSComm2.Output = "2" 'Spegne forno e cambia indicatore

Me.Command7.BackColor = &HC0& 'rosso

Me.Command7.Caption = "OFF"

End Sub

31


If Command6.Caption = "Start Acq" Then 'Abilita l'acquisizione con intervallo

stabilito

Timer1.Interval = Intervallo.Text

Timer1.Enabled = True

Command6.Caption = "Stop Acq"

Else

Timer1.Enabled = False 'Disattiva acquisizione

Command6.Caption = "Start Acq"

End If

End Sub

Private Sub Form_Load()

'All'apertura del programma inizializza porte COM

MSComm1.CommPort = 1 ' Selezionia la COM1

MSComm1.Settings = "4800,n,8,1" ' Impostazioni della seriale

MSComm1.RThreshold = 1 'Controllo corretta ricezione dei dati


If Err Then


End If


MSComm2.CommPort = 2

MSComm2.Settings = "4800,n,8,1"



If Err Then


End If


End Sub

Private Sub MSComm1_OnComm()

Dim Rx$

Rx$ = Hex(Asc(MSComm1.Input)) ' Legge il contenuto del buffer di ricezione

If Len(Rx$) Then ' Se stato ricevuto qualcosa, scrive nella TextBox

If Len(Rx$) = 1 Then 'Se vi un dato composto solamente da un carattere

Rx$ = "0" & Rx$ 'Aggiunge uno '0' davanti per avere il dato su due

byte

End If

If Len(Text1.Text) = 6 Then 'Se riceve il dato intero e anche i byte

d'errore

Errore.Text = Rx$ 'Nella casella errore mette gli ultimi due byte

ricevuti

Res.Text = (Val(Volt.Text)) / 16777216 ' 2^24 'Calcola la risoluzione

Deci.Text = Val("&h" & Text1.Text) 'Trasforma il valore in decimale

ValoreFin.Text = (Val(Deci.Text)) * Res.Text 'Calcola il valore in

Volt

Fin.Text = ValoreFin.Text / Ampl.Text 'Calcola il valore in base

all'attenuazione imposta

Open App.Path & "ora.txt" For Append As #1 'apri file contentente l'ora di

acquisizione

Open App.Path & "valore.txt" For Append As #2 'apri file contenente il

valore di acquisizione

Print #1, Time

Print #2, Fin.Text

Close #1

Close #2

Tsetpoint.Text = (((SetPoint.Text - ValoreFin.Text) / delta.Text) *

1000) 'Calcola il tempo di Set Point

32

If Val(Tsetpoint.Text) > Val(Intervallo.Text) Then 'Se il valore

calcolato superiore all'intervallo di acq.

Tsetpoint.Text = Val(Intervallo.Text) 'Impone tale valore uguale

all'intervallo di acq.

End If

If Tsetpoint.Text > 0 Then 'Se il tempo di set point positivo

accende il forno per il Tsetpoint


Me.Command7.BackColor = &H8000&

Me.Command7.Caption = "ON"

k = val(regfine.text) / 100 'Calcolo della costante

moltiplicativa

Inittime = timeGetTime 'Ricava orario in millisecondi

tb = Inittime

Tacc = Inittime + k * Val(Tsetpoint.Text) 'Calcolo dell'ora a cui

spegnere il forno

Do While tb < Tacc 'Finch non si raggiunge l'ora di spegnimento

attende ed esegue in loop

tb = timeGetTime

Loop

MSComm2.Output = "2" 'Spegne il forno al raggiungimento dellora

corretta

Me.Command7.BackColor = &HC0&

Me.Command7.Caption = "OFF"

End If

Else ' Se non viene ricevuto il dato intero

Text1.Text = Text1.Text & Rx$ 'Compone il dato ricevuto nella casella

di testo

End If

End If

Text2.Text = Rx$ 'Scrive ultimo dato ricevuto.

End Sub

Private Sub Ricalc_Click() ' Impone attenuazione con comando manuale

Fin.Text = ValoreFin.Text / Ampl.Text

End Sub

Private Sub Timer1_Timer() 'Timer di acquisizione


Text1.Text = ""

Errore.Text = ""

Deci.Text = ""

ValoreFin.Text = ""

Fin.Text = ""


End Sub

33

Capitolo 5 Conclusioni

5.1 Collaudo del sistema Si voluta ora verificare lefficacia del sistema, anche se ancora a livello di prototipo iniziale. Tutte le parti elettroniche prima descritte sono state collegate opportunamente tra loro. Si

utilizzato in questa fase di collaudo un riscaldatore rudimentale costituito da una maglia di rame

avvolta attorno ad un cilindro in alluminio (per aumentare linerzia termica) isolato con neoprene (Figura 215).

Figura 15 Riscaldatore

Figura 16 Sistema di controllo collegato

34

Tramite questo sistema si lavorato attorno a temperature prossime ai

25 C 35 C, range di temperatura che include il punto fisso del gallio, il cui stato di transizione solido-liquido si trova a 29,7646 C, pari a

302,9146 k. Non si proceduto al collaudo sui forni realmente utilizzati

dallistituto per i punti fissi ad alte temperature. Ci dovuto a una scelta concordata con i ricercatori, sia per questioni di sicurezza derivanti dalle

temperature in gioco, sia in quanto non si conosceva leffettiva funzionalit del sistema di controllo in fase cos embrionale.

La termocoppia utilizzata di tipo J costituita da giunzione Ferro-

Constantana. Secondo le specifiche commerciali, esse permettono misure

corrette allinterno di in un intervallo che va dai -40 C ai 760 C, al di fuori del quale risentono di effetti magnetici che ne compromettono la

calibrazione. E in realt dimostrato che, in ambiente non privo di ossigeno, al di sopra dei 540 C, il ferro della giunzione tende ad ossidarsi,

compromettendo gi parzialmente la precisione di acquisizione. La loro

accuratezza gi stata verificata in precedenza all interno dellistituto, misurando le differenze di potenziale (tramite nano-voltmetri) restituendo

una risoluzione di 51,7 V/C. Particolarit della termocoppia da noi

utilizzata, la presenza di due terminali, uno per effettuare la misurazione e

uno costituente il riferimento inserito in un bagno di acqua e ghiaccio in

fusione. Nella gran parte delle termocoppie commerciali a un puntale, il

riferimento viene invece creato artificialmente dallo strumento di misurazione tramite una corrente inversa.

Figura 18 Schema di principio della termocoppia con riferimento separato

Figura 17 Scala

termometrica dei punti

fissi

35

Si dunque avviato il programma di acquisizione e lasciato in esecuzione per circa 40 minuti,

ottenendo i seguenti dati:

Ora Valore (mV)

15:35:30 1,1689258693

15:35:50 1,1722068904

15:36:10 1,1872989000

15:36:30 1,2668736489

15:36:50 1,3089606590

15:37:10 1,3529665426

15:37:30 1,4224474148

15:37:50 1,5119531569

15:38:10 1,5280015658

15:38:30 1,5311949944

15:38:50 1,5357743373

15:39:10 1,5370450555

15:39:30 1,5353812828

15:39:50 1,5368540531

15:40:10 1,5360221668

15:40:30 1,5374239032

15:40:50 1,5373355054

15:41:10 1,5386946214

15:41:30 1,5382082151

15:41:50 1,5378627351

15:42:10 1,5386404172

15:42:30 1,5386804146

15:42:50 1,5383299805

15:43:10 1,5381705488

15:43:30 1,5379157738

15:43:50 1,5378854404

15:44:10 1,5376946214

15:44:30 1,5372928850

15:44:50 1,5372557895

15:45:10 1,5375920168

15:45:30 1,5376493965

15:45:50 1,5377433191

15:46:10 1,5376070918

15:46:30 1,5377230350

15:46:50 1,5378192466

15:47:10 1,5380656553

15:47:30 1,5383850713

15:47:50 1,5381726009

15:48:10 1,5383363736

15:48:30 1,5379734691

15:48:50 1,5379018826

15:49:10 1,5377175102

15:49:30 1,5376804146

15:49:50 1,5375752590

15:50:10 1,5377389781

15:50:30 1,5374514485

15:50:50 1,5378941224

15:51:10 1,5381912809

15:51:30 1,5383899648

15:51:50 1,5381760737

15:52:10 1,5385507126

15:52:30 1,5387998306

15:52:50 1,5387614906

15:53:10 1,5381673917

15:53:30 1,5378554739

15:53:50 1,5380114328

15:54:10 1,5376707606

15:54:30 1,5379726009

15:54:50 1,5377123010

15:55:10 1,5375298410

15:55:30 1,5376062236

15:55:50 1,5373833349

15:56:10 1,5378548961

15:56:30 1,5376871417

15:56:50 1,5375265078

15:57:10 1,5378506776

15:57:30 1,5381062236

15:57:50 1,5382030849

15:58:10 1,5385432585

15:58:30 1,5387498094

15:58:50 1,5386269996

15:59:10 1,5386890966

15:59:30 1,5385656553

15:59:50 1,5383424509

16:00:10 1,5383255790

16:00:30 1,5382731534

16:00:50 1,5383299648

16:01:10 1,5382920168

16:01:30 1,5381842031

16:01:50 1,5379175102

16:02:10 1,5380557895

16:02:30 1,5381549213

16:02:50 1,5378893736

16:03:10 1,5379027508

16:03:30 1,5378299805

16:03:50 1,5377171693

16:04:10 1,5374183784

16:04:30 1,5375067762

16:04:50 1,5376490833

16:05:10 1,5374418378

16:05:30 1,5375936926

16:05:50 1,5377256396

16:06:10 1,5379466523

16:06:30 1,5378059080

16:06:50 1,5379230350

16:07:10 1,5381734691

16:07:30 1,5383033034

16:07:50 1,5382476601

16:08:10 1,5384653397

16:08:30 1,5383731534

16:08:50 1,5385786782

16:09:10 1,5386988228

16:09:30 1,5386349712

16:09:50 1,5387617055

16:10:10 1,5387282441

16:10:30 1,5387975259

16:10:50 1,5387855474

16:11:10 1,5381105646

16:11:30 1,5383212986

16:11:50 1,5385114328

16:12:10 1,5382256396

16:12:30 1,5382601305

16:12:50 1,5381894122

16:13:10 1,5382114328

16:13:30 1,5381812828

16:13:50 1,5380984098

16:14:10 1,5380404172

16:14:30 1,5379396497

16:14:50 1,5380609987

16:15:10 1,5379349712

16:15:30 1,5378834322

16:15:50 1,5376942451

16:16:10 1,5377016642

16:16:30 1,5373750398

16:16:50 1,5374204304

16:17:10 1,5376988228

16:17:30 1,5375796642

16:17:50 1,5378717327

16:18:10 1,5378532033

16:18:30 1,5380330338

16:18:50 1,5381007960

36

Figura 19 Grafico dellandamento di tensione differenziale nel tempo

Analizzando landamento dei dati registrati (Figura 19) si evince come, dopo un periodo di riscaldamento transitorio (parzialmente nascosto nel grafico per migliorare la vista in dettaglio a

regime), il sistema raggiunga valori prossimi al set point, senza mai raggiungerlo. In base alla

risoluzione dellelettronica sviluppata e in considerazione della termocoppia utilizzata, si calcolato un valore in tensione corrispondente al punto fisso del gallio pari a 1,53882982 mV. Il

set point stato impostato a 1,539 mV, facendo in modo che la temperatura realmente raggiunta,

fosse in prossimit al valore del plateau del metallo. Andando ad analizzare la precisione del sistema, si tuttavia notato come esso non sia in grado di rispettare le specifiche: i valori in

tensione infatti oscillano in un intervallo compreso tra 1,537 mV e 1,538mV, raggiungendo

quindi risoluzione minima di 1 V. Come obiettivo iniziale si era calcolata una risoluzione di

250 V nellipotesi di un amplificazione in tensione di 500, che purtroppo non viene rispettata,

essendo quella reale pari a 1 V 500 = 500 V.

Tra le cause che si sono ipotizzate:

- Imprecisione nella pendenza della caratteristica V/t, necessaria al calcolo del tempo di accensione forno. Questo dato calcolato empiricamente e dipende da molti fattori (tipo

di riscaldatore, isolamento del sistema, tipo di metallo da riscaldare, non linearit della

deriva termica del materiale). Non si tuttavia voluta introdurre linfluenza della funzione Regolazione Fine, precedentemente descritta, al fine di non influenzare manualmente, almeno in questa fase, la campionatura effettivamente eseguita dall ADC.

- Lentezza di acquisizione: Il sistema da noi realizzato impiega in media 3 secondi per fornire il dato al PC. Di questo ritardo bisognerebbe tenerne conto nel momento in cui si

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calcola il tempo di accensione del forno riducendo tale dato del ritardo di acquisizione.

Unaltra soluzione potrebbe essere quella di aumentare il baud rate di comunicazione seriale.

- Mancata calibrazione dellADC via firmware, tramite lutilizzo del registro di offset e di gain. Questo potrebbe rendere lacquisizione pi precisa rispetto ad una regolazione via software.

Nell ambito della durata complessiva dellesperienza di tirocinio, non si sono potute sviluppare le precedenti supposizioni; si confida tuttavia che esse possano essere daiuto come punto di partenza per lintroduzione delle migliorie necessarie.

5.2 Problemi riscontrati

Analizzando da un punto di vista cronologico le fasi che hanno portato a qualche problema di

realizzazione del progetto, si possono sicuramente citare in primo luogo una difficolt nello

stabilire il corretto tempo di esposizione al bromografo delle basette di rame necessarie alla

fotoincisione dei PCB.

Altra fase che ha causato non pochi ritardi, stata la saldatura dell ADC. Tale componente infatti a montaggio superficiale (SMD), presenta 10 piedini distribuiti su un lato di 5 mm e si

pu quindi immaginare la complessit nel saldarlo alle piazzole con saldatori tradizionali (in

luogo, ad esempio, di saldatori ad aria calda). E stato necessario ripetere questa operazione pi volte prima di giungere ad una corretta sistemazione del componente.

Si sono infine riscontrati problemi nella comunicazione SPI tra il microcontrollore e lADC, causati da un conflitto nella procedura di hand shaking, risolto poi agendo sul numero di colpi

di clock che regolano la comunicazione tra microcontrollore e ADC.

5.3 Possibilit di sviluppo e migliorie

I risultati ottenuti non possono ancora definirsi soddisfacenti per le applicazioni di metrologia

primaria, ma hanno costituito un significativo passo in avanti per la progettazione di controlli ad

elevate prestazioni in termini di stabilit termica. Si potr procedere, una volta raggiunta una

miglior stabilit e precisione del sistema, ad un collaudo sui forni reali.

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Bibliografia

- G.Biondo, E. Sacchi, Manuale di elettronica e telecomunicazioni(quinta ed.),HOEPLI

Sitografia

- http://programmazione.html.it/guide/leggi/43/guida-visual-basic/: guida introduttiva al linguaggio di Visual Basic

- http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/1657 : datasheet Voltage Reference MAX 6250

- http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/1798 : datasheet Serial Interface MAX232

- http://www.atmel.com/dyn/products/tools_docs.asp?category_id=163&family_id=607&subfamily_id=760&tool_id=3808 : user guide programmatore Atmel AVRISP mkII

- http://www.cirrus.com/en/products/cs5530.html : datasheet ADC CS5530 - http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf : datasheet

microcontrollore Atmel ATMEGA32

- http://www.liceoagnoletti.it/attivita/attivita_professori/fisicafacile/Calore%20e%20Temperatura/punti%20fissi%20termometrici.htm : immagine scala termometrica dei punti fissi

- http://people.ucalgary.ca/~kmuldrew/cryo_course/cryo_chap14_2.html : immagine termocoppia a doppio puntale in bagno di ghiaccio

creazione di sistema di controllo forni - germinario guglielminotti

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