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SOLERTE GIARDINIERE tipo: livello:
Approccio semiserio alla progettazione digitale
 
 



 

 

Solerte giardiniere


Ovvero Approccio semiserio alla progettazione digitale

Scopo di questo tutorial è mostrare ai principianti (spero che ce ne siano ancora) quanto sia facile progettare e realizzare un circuito funzionante, utile e divertente, senza fare uso di formule complesse e di calcoli astrusi.

Sono partito da una necessità: un temporizzatore per azionare una piccola pompa per innaffiare i fiori di casa durante le ferie (ecco spiegato il bizzarro nome) e ho proceduto per passi successivi.

 

1) Definizione delle specifiche: domandando alle interessate di casa quanto dovevano essere bagnati fiori e ogni quanto tempo, ho scoperto che bastavano due-tre minuti di attivazione del relè della pompa ogni tre ore, durante la notte, un giorno si e uno no.

 

2) Scelta della base dei tempi: scartato quella quarzata, non mi serve una precisione cronometrica e voglio risparmiare nei componenti e quella RC perché troppo critica nella messa a punto e nella regolazione dei trimmer, sono approdato a quella appoggiata alla rete: economica, facile da fare, garantisce una precisione più che buona. Vedremo nel seguito i dettagli

 

3) Studio della logica: anche qui bisogna aprire un discorso più lungo, vedremo i dettagli in seguito.

 

Vediamo ora come procedere per definire la logica di attivazione.

L’integrato 4040 dispone di 12 stadi divisori per due, le cui uscite sono indicate da Q1 a Q12, gli altri due pin sono l’ingresso e il reset.

Mettendo il pin del reset allo stato logico alto, tutte le uscite sono basse. Un apposito circuito formato da una resistenza verso massa e un condensatore verso il positivo di alimentazione, provvede a fare stare alto per pochi istanti il pin di reset all’accensione, fino alla carica completa del condensatore, dopodiché resterà sempre basso e permetterà il regolare conteggio.

Vediamo ora come adattare l’integrato alle nostre necessità.

Procedendo all’indietro nella logica di conteggio, cioè dai tempi più lunghi verso quelli più brevi, ho bisogno di una uscita che sia bassa per 24 ore e alta per 24 ore, per ottenere l’attivazione un giorno si e uno no. Questo sarà l’ultimo stadio Q12.

Lo stadio precedente Q11 avrà una uscita bassa per 12 ore e alta per 12 ore: questo indi­viduerà il giorno e la notte e permetterà l’attivazione solo di notte.

Lo stadio precedente Q10 avrà una uscita bassa per 6 ore e alta per 6 ore e quello ancora precedente Q9 avrà una uscita bassa per 3 ore e alta per 3 ore, mentre quello ancora precedente Q8 avrà una uscita bassa per 90 minuti (1,5 ore) e alta per 90 minuti: questa ci servirà perché rappresenta la distanza fra le due innaffiature, in quanto passa da alto a basso ogni 3 ore.

Adesso occorre preoccuparci della durata di attivazione della pompa. Continuando a dividere all’indietro, lo stadio precedente Q7 avrà una uscita bassa per 45 minuti, quello ancora precedente Q6 sarà bassa per 22,5 minuti pari a 1350 secondi, ancora troppi. Quello ancora precedente Q5 sarà bassa per 675 secondi (poco più di 10 minuti, ancora troppo); quello ancora precedente Q4 sarà bassa per 337 secondi ( circa 5 minuti), finalmente quello ancora precedente Q3 sarà bassa per 168,75 secondi (due minuti e mezzo), proprio quello che fa per noi.

La figura seguente mostra l’andamento dei segnali a cominciare da Q3 fino a Q12, limitata solo alle prime 24 ore, per motivi di spazio.

 

Secondo le convenzioni usate generalmente si comincia dalla condizione subito dopo il reset e cioè con tutte le uscite al livello basso (valore Ø)

Adesso possiamo ricapitolare il calcolo fin qui fatto: la prima uscita considerata era Q12 l’ultima, quella dei due minuti e mezzo, sarà Q3. Rapido controllo: da Q12 a Q3 ci sono 9 stadi divisori per due: quindi 2^9 fa 512 che moltiplicato 168,75 fa 86400 che sono proprio i secondi in due giorni, provare per credere.

Vediamo ora come usare i segnali così ottenuti.

Se prendiamo Q3 e Q4 e li sommiamo con un NOR otteniamo un segnale stretto come Q3 ma distanziato come Q4. Un rapido ripasso alla Tavole della Verità del NOR ci dirà che l’uscita è alta quando le entrate sono tutte basse.

Analogamente se sommiamo, sempre con un NOR, Q3, Q4 e Q5 otteniamo un segnale sempre stretto come Q3 ma distanziato come Q5.

Se invece sommiamo con un NOR, Q3 e Q5 escludendo Q4, otterremo un segnale in cui si susseguono due stati stretti come Q3 ma distanziati come Q5.

La figura 1 illustra meglio di tutte le parole.

 

Combinando questi due procedimenti si possono ottenere tutte le configurazioni possibili.

Portando avanti il procedimento con le uscite utili (Q12, Q11, Q8, Q7, Q6, Q5, Q4 e Q3) sommate con un 4078, NOR a 8 ingressi, avremo che quando sono tutte basse, l’uscita sarà alta e rimarrà in tale condizione fino a che Q3 cambia stato, il che avviene dopo 2,5 minuti.

L’uscita del NOR andrà alta per altri 2,5 minuti dopo 3 ore, sarà alta di nuovo, sempre per 2,5 minuti, dopo 6 ore, dopo 9 ore.

Alla 12^ ora l’uscita Q11 è andata alta per cui non ci saranno altre attivazioni per altre 12 ore. Il successivo stato basso di Q11 non produrrà attivazioni perché nel frattempo è andato alto Q12 che cambierà stato solo dopo 24 ore.

Alla 48^ ora tutte le uscite torneranno basse e il ciclo si ripeterà.

 

Abbiamo pienamente raggiunto la prima specifica.

L’unica accortezza è che bisogna mettere in funzione il dispositivo verso sera in modo che le quattro attivazioni avvengano di notte.

Quindi per i nostri scopi ci servono i divisori da Q3 a Q12, e ci restano disponibili Q1, e Q2 che ci permetteranno di entrare con una frequenza 4 volte maggiore di quella che corrisponde a 168,75 secondi; Q2 sarà alto per 84,375 secondi, Q1 sarà alto per 42,1875 secondi. Quindi il segnale in entrata al 4040 dovrà essere alto per 21,09375 secondi.

Giusto per divertirsi proviamo a calcolare a che frequenza corrisponde un segnale che sta alto per 21,09375 secondi: il periodo sarà il doppio, perché il duty cycle è 50% e cioè 42,1875 sec; la frequenza è l’inverso pari a 1/ 42,1875 e cioè 0,0237Hz.

La frequenza di rete, prelevata dopo il ponte raddrizzatore, è una tensione pulsante alla frequenza di 100Hz, dobbiamo solo dividerla per un numero opportuno per ottenere quella desiderata di 0,0237 Hz.

Un rapido calcolo ci dirà che 100/0,0237 è 4.218,75.

Occorrerà ora progettare la base dei tempi in modo da sottoporre la frequenza pulsante di rete ad una divisione per 4.218,75.

Va da se che è impossibile dividere per un numero decimale, quindi saremo costretti a trascurare il 75 dopo la virgola; l’errore che compiremo sarà di 0,75/4218 e cioè di 0,000177 poco più dell’uno per diecimila, ciò significa che il nostro temporizzatore accelererà di 43200*0,000177 = 7,6 secondi al giorno.

Vediamo ora come procedere per effettuare una divisione per 4218. Dividere per due è facile, ci pensa ogni stadio del solito divisore 4040; siccome ogni uscita è ingresso per lo stadio successivo, il secondo stadio dividerà per 4, poi per 8, poi 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048 e 4096.

Per dividere per un numero diverso da uno di questi, è sufficiente fermare il conteggio quando si arriva al numero scelto: ciò si ottiene sommando con un AND le varie uscite il cui valore sommato dia il numero che vogliamo.

Anche qui le Tavole della Verità dell’AND ci diranno che l’uscita è alta solo quando tutte le entrate sono alte.

Nel caso nostro 4218 è la somma di 4096 più 64 più 32 più 16 più 8 più 2. Passando ai pin del 4040, 4096 corrisponde a Q12, 64 a Q6, 32 a Q5, 16 a Q4, 8 a Q3 e 2 a Q1.

Se sommiamo con l’AND a 8 ingressi contenuto nel 4068 le uscite di cui sopra otterremo all’uscita uno stato alto ogni 4218 cicli di ingresso.

Questa uscita alta la mandiamo al pin di reset tramite un circuitino formato da due NOR di un 4001 che provvederà, tramite la solita resistenza verso massa e il condensatore verso il positivi, anche al primo reset all’accensione.

L’effetto sarà, contati 4218 cicli, di riportare tutto a zero e ricominciare il conteggio. Questa stessa uscita, che sta alta per un tempo brevissimo, comanderà anche un monostabile costituito dagli altri due NOR dello stesso 4001 che provvederà ad allungare il segnale prima di mandarlo al secondo 4040 di cui abbiamo parlato prima.

Possiamo ora dare un’occhiata allo schema.

 

La linea in alto è l’arrivo dei 100 Hz prelevati dal ponte ridotti dalle due resistenze a non più di 5V, IC1 è uno stabilizzatore a 12V per tranquillizzarci circa le variazione della tensione di alimentazione, il primo 4040 a sinistra insieme con l’AND a 8 ingressi contenuto nel 4068 costituiscono il divisore per 4218, i due NOR del 4001 a sinistra sono il circuito di primo reset e di reset a 4218 mentre i due a destra allungano l’impulso in uscita dal 4068 e lo inviano al secondo 4040.

Vediamo in dettaglio il loro funzionamento. All’accensione il condensatore da 0.2 uF è scarico e inizia a caricarsi. La corrente di carica provoca una differenza di potenziale sulla resistenza da 22K che porta al livello alto il pin 9 del 4001; mentre il pin 8 è basso perché tale è l’uscita 1 del 4068. Appena il condensatore si carica non conduce più e la presenza della resistenza porta a livello basso il pin 9; l’uscita 10 sarà alta e quindi l’uscita 11, essendo il NOR connesso a invertitore, sarà bassa: proprio quello che serviva per far funzionare il 4040.

Gli altri due NOR sono connessi a monostabile: in principio i pin 1 e 2 tramite la resistenza da 150K, sono al livello alto e quindi l’uscita 3 è bassa, le entrate dell’altro NOR, pin 5 e 6, sono entrambe basse e quindi l’uscita 4 è alta e il condensatore è connesso da entrambi i lati al positivo e non può caricarsi.

La presenza di un impulso positivo, anche breve, sul pin 6 porta bassa l’uscita 4 e il condensatore può iniziare a caricarsi. Durante la carica la corrente di carica provoca una caduta di tensione sulla resistenza da 150K che fa sì che i pin 1 e 2 vadano al livello basso e quindi l’uscita 3 si porterà al livello alto, mantenendo la condizione di uscita 4 bassa anche dopo la fine dell’impulso, fino a quando il condensatore è carico. A quel punto i pin 1 e 2 tornano alti e l’uscita 3 bassa; il tempo in cui l’uscita 3 è stata alta dipende solo dal valore del condensatore e della resistenza e non dalla durata dell’impulso.

Il 4078, NOR a otto ingressi, costituisce la logica di attivazione descritta prima. I pin non utilizzati non possono essere lasciati liberi e così, visto che servivano solo 7 ingressi i pin 4 e 5 sono stati collegati fra loro. La sua uscita comanda tramite un transistor PNP BC 547, il relè di attivazione.

Il led indicato con L connesso al pin 3 del primo 4040 è una finezza, con il suo lampeggio ci avverte che il circuito sta funzionando.

Il collaudo verrà eseguito applicando le giuste tensioni e osservando l’attivazione del relè, e cronometro alla mano, verificando che i tempi siano quelli calcolati.

Se la pazienza non ci basta per aspettare 48 ore, basta inserire, al posto dei 100Hz, una frequenza 60 volte più alta, cioè 6KHz, e le ore si trasformano in minuti e i minuti in secondi; sarà più facile vedere se le attivazioni si alternano alla giusta distanza.

 






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Questa pagina è stata creata da drino
il 21/05/2012 ore 15:27
ultima modifica del 03/06/2012 ore 10:34
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