Conta pezzi con Stop Macchina [progetto completo]

Un Conta pezzi in grado di eseguire un conteggio incrementale e di attivare l'uscita di un relè quando viene raggiunto il valore da contare in precedenza impostato. Impiegabile per il conteggio di oggetti su nastro trasportatore esso è in grado di fermare il nastro stesso, oppure attivare altri dispositivi, ad esempio braci espulsori che tolgono gli oggetti dal nastro trasportatore. Un altra applicazione in ambito civile è quella di conta persone per il controllo della qualità dell'aria negli ambienti commerciali in funzione dell'affollamento di gente.

Introduzione

Il Conta pezzi presentato in queste pagine permette di contare gli impulsi provenienti da un Sensore IR (vedi figura 2) o di un contatto pulito (ad esempio fine corsa). Il suo utilizzo può essere esteso in tante diverse applicazioni pratiche, hobbistiche oppure industriali.

Figura 1: foto del Conta pezzi

Il Conta pezzi dispone della funzione Stop Macchina, che permette di fermare mediante un relè, che si attiva per 500 ms, l’avanzamento di un nastro trasportatore o di attivare altri dispositivi per automazione. Attraverso dei pulsanti è possibile selezionare il totale degli impulsi per il quale il relè si deve attivare. Il totale impostato viene salvato in EEPROM . Il microcontrollore usato nel progetto è l'ATMEGA328P (Arduino UNO) che dispone 1 kilobyte di memoria EEPROM ossia 1024 celle di memoria più che sufficiente al salvataggio dei nostri dati. Il dispositivo, è dotato di un Display LCD alfanumerico (vedi figura 1) su cui vengono visualizzati tutti i valori impostati. Nei prossimi paragrafi approfondiremo in dettaglio il funzionamento del Conta pezzi ma prima descriveremo nella prossima sezione il Sensore IR dalla sigla E18-D80NK.

Figura 2: sensore IR E18-D80NK

Il sensore IR 18K-D80NK

Il sensore IR 18K-D80NK (vedi figura 2) si compone di un trasmettitore e di un ricevitore all’infrarosso. Per la trasmissione del segnale viene usata la luce infrarossa, in quanto questa radiazione difficilmente si confonde con i disturbi generati da fonti luminose ambientali ad esempio luce emessa dalle lampade a fluorescenza. Un fascio di luce infrarossa viene trasmessa (luce invisibile) dal trasmettitore verso un oggetto. Il ricevitore è in grado di captare il fascio infrarosso solo quando viene riflesso dall’oggetto che passa davanti al raggio infrarosso trasmesso, questo causa la chiusura di un contatto open collector verso GND, e inoltre provoca l’accensione di un led presente sul retro del Sensore IR a notificare il passaggio di un oggetto davanti al Sensore IR. l'uscità open collector (collettore aperto), è un tipo di porta logica avente come uscita fisica, il collettore di un BJT (dall'inglese bipolar junction transistor) costituente l'ultimo stadio di uscità del circuito del sensore. Questo tipo di porta viene utilizzato quando si ha la necessita di pilotare dei dispositivi che richiedono una corrente maggiore e valori di tensione di alimentazione diversa rispetto a quella del dispositivo logico di pilotaggio. Un trimmer posto dietro al Sensore IR permette di settare la distanza di intervento da 3 a 80 cm circa. Il sensore va alimentato con una tensione di 5 V, ed ha un assorbimento di circa 25 mA. Come si può vedere da figura 2 è costituito da tre cavetti: marrone 5 V, blu GND, nero uscita digitale (open collector). Il corpo del Sensore IR ha un diametro di 17,6 mm e può essere inserito in qualsiasi supporto che rispetti questa dimensione e fissato con le apposite ghiere in dotazione.

Figura 3: schema elettrico del Conta pezzi

Il circuito elettrico

In figura 3 vediamo il complessivo elettronico del Conta pezzi. Iniziamo la descrizione dal circuito di alimentazione, l’intero circuito funziona con una tensione di alimentazione di 12 V. Il circuito assorbe una corrente di circa 1 A, dunque è necessario che la sorgente di alimentazione sia in grado di fornire tale intensità di corrente. Per questo progetto è stato usato il consueto integrato stabilizzatore L7805CV (IC1), esso fornisce la tensione a 5 V necessaria ad alimentare il microcontrollore IC2 e il Display LCD 20x4, mentre la tensione per alimentare il Relè K1 viene prelevata direttamente dall’ingresso del connettore J3. Il microcontrollore IC2 (ATMEGA328P Arduino UNO) gestisce tutte le operazioni di comunicazione con il Display LCD 20x4. Il Display LCD 20x4 (collegato al connettore X4) è messo in comunicazione con il microcontrollore tramite un modulo d’interfaccia I²C, che consente al Display LCD 20x4 con sole 2 linee di comunicazione ( AD4 e AD5) di essere controllato tramite interfaccia I²C, quindi di ridurre il numero di I/O richiesti da questi Display LCD. L’I²C è un Bus bidirezionale di tipo seriale-Multi Master in cui più dispositivi possono assumere il controllo del Bus. La trasmissione dei dati avviene, come accennato, per mezzo di due sole linee denominate rispettivamente SDA (Serial Data pin AD4) e SCL (Serial Clock pin AD5). Sulla prima viaggiano effettivamente i Bit d’informazione che microcontrollore e Display si scambiano; sulla seconda linea viaggia il segnale di Clock, generato sempre ed esclusivamente da un Master (IC2), il cui scopo è quello di sincronizzare i dispositivi stabilendo la validità e il significato dei Bit presenti sulla linea dati. Al connettore X3 è collegato il Sensore IR che ci consente di compiere il conteggio dei nostri oggetti, come si può osservare dalla figura 3 l’ingresso IO2 (collegato al contatto open collector del Sensore IR) è connesso tramite una resistenza (R1) a +5 V questo permette al pin IO2 di commutare tra due stati certi che mutano tra 0 e +5 V, cosi da poter contare gli impulsi di discesa. Al connettore J4 è connessa una tastiera in policarbonato a quattro tasti (normalmente aperti) utilizzata per il settaggio del valore da contare e la cancellazione di esso stesso, il pin 1 di J4 non è stato utilizzato, quindi i pulsanti utilizzati sono: 1, 2, 3 (vedi figura 6). Il circuito di Stop Macchina è composto dal Relè K1 pilotato dal Transistor T1 la cui base è connessa al piedino IO7. Il Relè K1 è usato per arrestare qualsiasi macchina collegata al morsetto X2-3 e X2-4 alla fine del conteggio impostato. Nel prossimo paragrafo passeremo alla descrizione del Firmware e funzionamento del nostro Conta pezzi.

Figura 4: piano di montaggio del Conta pezzi

Firmware e funzionamento

Il Firmware per la gestione della scheda è stato scritto in linguaggio C per Arduino UNO ed è possibile scaricarlo al Link che troverete a fine articolo, completo della libreria per il modulo I²C per il Display LCD. Prima di passare alla compilazione bisogna installare la libreria nell’IDE di Arduino UNO 1.0.1 e alla fine si può proseguire con la compilazione. Eseguita la compilazione con l’IDE di Arduino UNO 1.0.1 si può programmare la scheda, se si dispone di un ATMEGA328P già con Bootloader caricato, si può passare al caricamento del Firmware tramite un convertitore seriale USB/TTL da collegare al connettore J2 presente sulla scheda, altrimenti prima bisogna caricare il Bootloader tramite un programmatore che va collegato, al connettore J1. Come è visibile dalla figura 7 il Display LCD è stato diviso in quattro righe: nella prima riga viene visualizzato il valore impostato da contare, nella seconda riga viene mostrato il valore istantaneo contato, nella terza riga per mezzo del quadratino pieno (acceso) o vuoto (spento) viene visualizzato l’attivazione dello Stop Macchina, mentre nella quarta riga sono indicate le “etichette” con i simboli delle funzioni dei tre pulsanti. Il funzionamento del Conta pezzi è molto elementare tramite il tasto 3 (Canc) del tastierino si può cancellare il valore impostato da contare, mentre con i tasti 1 (decrementa) e 2 (incrementa) si può modificare il valore di esso vedi figura 6. Avviando il conteggio [...]

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