Upload
others
View
41
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Woord vooraf
De geïntegreerde proef is een praktische test ter afsluiting van het secundaire onderwijs.
De leerkrachten van het Provinciaal Technisch Instituut in Kortrijk ondersteunen mij met
raad en daad .
Om te beginnen wil ik enkele leerkrachten bedanken: Dannick Durnez als GIP-mentor,
Krist Dewaele en Vincent Benoit als ondersteunende leerkrachten elektriciteit/elektronica.
Uit de afdeling Fabric Inovation wil ik Jan Nuyttens en Emmely Vantomme bedanken.
Daarnaast zeker niet te vergeten Geert Neirynck, Samira Windels, Marc Delesie en Noel
Vanhaverbeke voor hun taalkundige inbreng. Dankzij deze mensen heb ik mijn GIP tot
een goed einde kunnen brengen en is mijn kennis en interesse in techniek nog verder
gegroeid. Ook wil ik oud-leerling Kenny Tanghe bedanken voor de maquette en Laurens
Van Goubergen voor de hulp bij het mechanische gedeelte (lasersnijden en 3D-
tekeningen).
Daarnaast wil ik mijn volledige gezin, voornamelijk mijn ouders bedanken omdat ze mij
altijd gesteund hebben in mijn interesses, studierichting, keuzes en projecten. Voor de
sponsoring van al het materiaal voor mijn GIP wil ik enkele bedrijven bedanken,
waaronder het bedrijf van mijn ouders Nell.com en Flanders Color. Ook wil ik Bart
Verhelst van D’tron bedanken omdat hij mij altijd goede raad gaf bij de keuze van de
componenten.
Tot slot wil ik alle leerkrachten en mijn klasgenoten bedanken voor de steun en hulp
doorheen mijn volledige schoolcarrière in het PTI.
Inhoudsopgave
Woord vooraf ....................................................................................................................... 1
Inleiding ................................................................................................................................ 1
Hoofdstuk 1 .......................................................................................................................... 2
De algemene opbouw ........................................................................................................ 2
Hoofdstuk 2 .......................................................................................................................... 3
De microcontroller ............................................................................................................. 3
2.1 Wat is een microcontroller? ..................................................................................... 3
2.2 Algemeen blokschema ............................................................................................. 3
2.2.1 Input of Output Unit ......................................................................................... 3
2.2.2 CPU .................................................................................................................. 4
2.2.3 Programmageheugen ........................................................................................ 4
2.2.4 Datageheugen ................................................................................................... 4
2.2.5 Klok en voeding ............................................................................................... 4
2.3 Waarom deze microcontroller? ............................................................................... 5
2.3.1 Belangrijke gegevens ........................................................................................ 6
2.4 Software ................................................................................................................... 6
Hoofdstuk 3 .......................................................................................................................... 7
De I²C-bus ......................................................................................................................... 7
3.1 Wat? ......................................................................................................................... 7
3.2 Toepassing in mijn GIP ........................................................................................... 7
3.3 Basisschakeling ....................................................................................................... 8
3.4 De communicatie ..................................................................................................... 9
3.4.1 Start ................................................................................................................... 9
3.4.2 Controlebyte ..................................................................................................... 9
3.4.3 Acknowledge-bit .............................................................................................. 9
3.4.4 Data ................................................................................................................... 9
3.4.5 Stop ................................................................................................................. 10
3.4.6 Voorbeeld bericht ........................................................................................... 10
3.4.7 Programma I²C (Arduino) .............................................................................. 11
Hoofdstuk 4 ........................................................................................................................ 12
De invoereenheden .......................................................................................................... 12
B e w a k i n g s s y s t e e m | 3
4.1 Drukknoppen ............................................................................................................. 12
4.2 PIR-sensor ............................................................................................................. 12
4.3 Reed-contact .......................................................................................................... 13
4.4 I²C-ingangskaart .................................................................................................... 13
4.5 Matrix keypad ........................................................................................................ 13
Hoofdstuk 5 ........................................................................................................................ 14
De uitvoereenheden ......................................................................................................... 14
5.1 Relaiskaart ............................................................................................................. 14
5.2 Rolluik ................................................................................................................... 14
5.3 Verlichting ............................................................................................................. 15
5.4 LCD-display .......................................................................................................... 15
5.5 Alarm sirene .......................................................................................................... 15
Hoofdstuk 6 ........................................................................................................................ 16
Software ........................................................................................................................... 16
6.1 Wat is Arduino? ..................................................................................................... 16
6.2 Opbouw ................................................................................................................. 16
Hoofdstuk 7 ........................................................................................................................ 18
Camerabewaking ............................................................................................................. 18
Algemeen besluit ................................................................................................................ 19
Bijlagen ............................................................................................................................... 20
Bijlage1: Curriculim Vitae .......................................................................................... 21
Bijlage 2: Lijst afbeeldingen........................................................................................ 23
Bijlage 3: Schematische opbouw ................................................................................. 26
Bijlage 4: Datasheet PCF8574 (I²C IO-expander)....................................................... 27
Bijlage 5: Datasheet CNY74-4 (Optocoupler) ............................................................ 28
Bijlage 6: Datasheet weerstandnetwerk ....................................................................... 28
Bijlage 7: Schema I²C Ingangskaart ............................................................................ 29
Bijlage 8: Printontwerp I²C Ingangskaart .................................................................... 30
Bijlage 9: PIR-sensor ................................................................................................... 31
Bijlage 10: Datasheet REED-contact .......................................................................... 32
Bijlage 11: Schema Drukknopdoos ............................................................................. 33
Bijlage 12: Schema Matrix keypad ............................................................................ 34
Bijlage 13: Datasheet matrix keypad ........................................................................... 35
Bijlage 14:Relaiskaart.................................................................................................. 36
B e w a k i n g s s y s t e e m | 4
Bijlage 15: Somfy LS40 Mercure (rolluikmotor) ........................................................ 37
Bijlage 16: schema LEDs ............................................................................................ 38
Bijlage 17: LM7812 (spanningsregelaar) .................................................................... 39
Bijlage 19: Schema I²C LCD ....................................................................................... 42
Bijlage 20: Printontwerp I²C LCD .............................................................................. 43
Bijlage 21: WERMA 580 152 68 SIGNAALLAMP/HOORN ................................... 43
Bijlage 22: CAD-tekening ........................................................................................... 44
Bijlage 23: Grondplan maquette .................................................................................. 45
Bijlage 24: GIP opdrachten TV EL ............................................................................. 46
GIP opdracht september .......................................................................................... 47
GIP opdracht november ........................................................................................... 48
GIP opdracht december ........................................................................................... 49
GIP opdracht januari ................................................................................................ 50
GIP opdracht februari .............................................................................................. 52
Bijlage 25: I²C LCD .................................................................................................... 57
Bijlage 26: I²C ingangskaart inlezen ........................................................................... 58
Bijlage 27: Uitgangen aansturen.................................................................................. 59
Bronvermelding ................................................................................................................. 60
B e w a k i n g s s y s t e e m | 1
Inleiding
Als eindwerk maak ik een volledig bewakings- en domoticasysteem voor de zaak van mijn
ouders. Het idee komt van mijn papa. De IP-camerabewaking is een van de belangrijkste
elementen, want zo kunnen we van overal een oogje in het zeil houden.
Mijn idee was om een bewakings- en domoticasysteem met Arduino te maken. Ik wou op een
maquette de volledige installatie bouwen. In mijn GIP is terug te vinden: bewegingsdetectie,
raam- en deurdetectie, aansturing via drukknoppen, rolluiksturing, alarmsysteem met keypad,
I²C lcd-display en IP-camera-bewaking met dataserver.
Veel ervaring met Arduino had ik nog niet, dus het programmeren heb ik mezelf gaandeweg
aangeleerd. In het begin programmeerde ik de verschillende elementen afzonderlijk, dit was
niet altijd even gemakkelijk. In april kon ik aan de werkelijke uitvoering beginnen: printplaten
ontwerpen, ontwikkelen en programmeren en alles op de maquette installeren.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 2
Hoofdstuk 1 De algemene opbouw
Het bovenstaand blokschema toont de opbouw van het eindwerk. Alles is opgebouwd rond de
Arduino, dit is ook de centrale verwerkingseenheid maar daarover meer in hoofdstuk 2. De
aansturing van de verschillende onderdelen gebeurt via I²C-bus of via I²C-I/O-expanders. De
andere onderdelen worden rechtstreeks op de I/O-pinnen van de Arduino aangestuurd. De
Arduino leest het programma sequentieel, en afhankelijk van de ingangen zal hij de uitgangen
aansturen. Op het LCD-display kan de status van het alarmsysteem, en andere nuttige
informatie aflezen. Het bewakingssysteem werkt met een matrix numeriek toetsenbord, zodat
het alarm in- en uitgeschakeld kan worden. De PIR-sensoren en REED-contacten moeten
beweging en open ramen en deuren detecteren. Eenmaal er detectie is moeten de lampen en
sirene ingeschakeld worden en de rolluiken geopend worden, tot de juiste code wordt
ingevoerd. De lampen groepen kunnen afzonderlijk aangestuurd worden door drukknoppen,
er is ook een alles aan/uit knop. Het rolluik wordt ook door een relais aangestuurd, die dan op
zijn beurt door de Arduino gestuurd wordt.
FIGUUR 1: BLOKSCHEMA BEWAKINGSSYSTEEM
B e w a k i n g s s y s t e e m | 3
Hoofdstuk 2 De microcontroller
2.1 Wat is een microcontroller?
Deze micro Programmable Logic Controller (PLC) is een soort processor. Je kan die op zo’n
manier programmeren dat hij volgens een bepaald ingangssignaal, een uitgang aanstuurt.
Deze zijn meestal in IC-vorm uitgevoerd. Wat de microcontroller doet, wordt bepaald door
een programma dat een sequentiële lijst is van instructies die stap voor stap worden
uitgevoerd.
2.2 Algemeen blokschema
FIGUUR 2: ALGEMEEN BLOKSCHEMA MICROCONTROLLER
Eenvoudig gezegd is dit een black box met in- en uitgangen. Bovenstaand blokschema is de
minimale configuratie van een microcontroller. De meeste controllers bevatten nog extra
functies.
2.2.1 Input of Output Unit
Het interne en het externe van de microcontroller zijn gescheiden. Dit gebeurt doormiddel van
een Input of Output Unit. Dit zijn de zogenaamde poorten van de microcontroller. Die kunnen
worden ingesteld als in- of uitgang. Dit zijn I/O-pinnen.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 4
2.2.2 CPU
De kern of “core” van het systeem is de central processing unit (CPU). Dit is de centrale
verwerkingseenheid, die inkomende signalen verwerkt tot de gewenste resultaten. Deze
resultaten worden bepaald door de instructies in het programma. De CPU van een
microcontroller is meestal een RISC-processor (=Reduced Instruction Set Controller). Dit
betekent dat de CPU werkt met een beperkte instructieset, die bestaat uit de belangrijkste
functies. Het voordeel hiervan is dat CPU goedkoper en eenvoudiger geproduceerd kan
worden. Het nadeel is wel dat het programma daardoor mogelijk langer wordt.
2.2.3 Programmageheugen
Dit is het gedeelte waarin het programma wordt opgeslagen. Het is altijd van het ROM-type.
Hierin kan de CPU enkel het programma lezen, dit wordt opgeslagen in een EEPROM-
geheugen (=Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Dit is een type
geheugen dat enkel geschreven kan worden door een speciaal toestel of speciale software, in
mijn geval door de Arduino Bootloader.
2.2.4 Datageheugen
Het inwendige geheugen van de microcontroller slaat data op. Wat deze data zijn, is
afhankelijk van het programma. Maar voor de microcontroller is dit binaire informatie (nullen
en enen). Dit geheugen is altijd beperkt. Bij de Arduino Mega is dat 8kB. Dit is een vluchtig
geheugen, RAM (Random Acces Memory). Er kan in gelezen worden maar ook geschreven.
Deze informatie is wel weg als de voedingsspanning wegvalt.
2.2.5 Klok en voeding
Klok en voeding zijn natuurlijk essentieel. De CPU werkt op TTL-niveau. Dat betekent dat hij
een voedingsspanning van 5V vereist. Bij de ATmega is er ook een inwendige klok. Dit is
nodig om alle processen synchroon te laten verlopen.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 5
2.3 Waarom deze microcontroller?
Ik koos voor de ATmega2560, omdat hij bij de Arduino Mega hoort. De keuze voor deze
verwerkingseenheid was snel gemaakt. Een Arduino is immers zeer gebruiksvriendelijk en
ruim en er zijn weinig beperkingen aan de hardware. Maar waarom de Arduino Mega, en geen
kleiner model? De Arduino Mega biedt 54 I/O-pinnen, 16 analoge pinnen, 4 UARTs en I²C-
ondersteuning. De microcontroller zelf is geplaatst op een kleine print die al deze pinnen
gemakkelijk toegankelijk maakt. Hierop bevinden zich ook nog andere kleine
hulpschakelingen, waaronder een klok (16MHz), I/O-beveiliging en een USB-ingang die
gebruikt kan worden om het programma in te laden. De kostprijs van een Arduino (€42,35) is
zeer laag voor alle geboden toepassingen. Er zijn eveneens ontelbaar veel
uitbreidingsmodules op de markt, die je altijd kunnen bijstaan.
FIGUUR 3:BLOKSCHEMA ATMEGA2560
B e w a k i n g s s y s t e e m | 6
Op bovenstaand blokschema van de Arduino Mega zijn enkele belangrijke delen aangeduid.
Waaronder TWI (I²C-controller) en de verschillende geheugens die de Arduino gebruikt. En
natuurlijk is er ook nog de AVR (CPU) zelf.
2.3.1 Belangrijke gegevens
Ingangsspanning 7-12V
Digitale I/O-pinnen 54 (waarvan 15 PWM)
Analoge ingangen 16
DC-stroom per I/O pin 20 mA
DC-stroom 3,3V-pin 50 mA
Flashgeheugen 256 kB
SRAM 8 kB
EEPROM 4 kB
Kloksnelheid (Kristal oscillator) 16 MHz
Serial data 4 USARTs
Interrupt pinnen 6
2.4 Software
Alles wordt geprogrammeerd in de software van Arduino (C-taal). Dat biedt zeer veel
mogelijkheden en je kan er snel en overzichtelijk in programmeren. Dit is geen grafische
programmeertaal, alles wordt in tekst geprogrammeerd. Hoe groot mijn programma zal
worden weet ik nu in de beginfase niet. Maar dit vormt zeker geen probleem, omdat de
Arduino Mega een groot programma-geheugen heeft.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 7
Hoofdstuk 3 De I²C-bus
3.1 Wat?
I²C is een veelgebruikte databus in de elektronica. De afkorting staat voor Inter Integrated
Circuit (IIC = I²C = I2C). De I²C-bus staat in voor de seriële, synchrone communicatie tussen
randapparatuur zoals: sensoren, I/O expanders, Lcd-displays, geheugen-IC’s. Synchroon
betekent dat de data gelijk verzonden worden met de klokpulsen. De afstand tussen de
apparaten is wel beperkt, de bedoeling is dat alle componenten zich op dezelfde print
bevinden. Dat de I²C-bus slechts 2 geleiders nodig heeft, beperkt ook het aantal baantjes op de
print. Deze databus is uitgevonden door Philips en wordt tot op heden nog toegepast in
minder complexe schakelingen, zoals een koffiezetapparaat, waterkoker, broodrooster.
3.2 Toepassing in mijn GIP
In de GIP gebruik ik I²C voor verschillende doeleinden, o.a. om : matrix keypad van 8
geleiders naar 2 geleiders te brengen, om mijn LCD-displays en om I/O-expanders (PCF8574)
aan te sturen. Er moet natuurlijk altijd wel gekozen worden voor I²C compatible
randapparatuur. Hetzelfde type I/O-expander stuurt dan de LCD-displays en de
ingangskaarten aan, uitgebreider meer daarover in hoofdstuk 4. Deze manier van werken
maakt het programmeerwerk uitgebreider en complexer maken. Maar zonder dit toe te passen
zijn er niet voldoende I/O-pinnen op mijn microcontroller, die al de meeste ingangs- en
uitgangspinnen heeft in de Arduino-reeks.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 8
3.3 Basisschakeling
FIGUUR 4: PRINCIPESCHEMA I2C-STURING
De schakeling bestaat uit 2 (communicatie) draden: de SDA- en SCL-lijnen van de master
(µC) en de slaves (apparaten) om communicatie te kunnen hebben. De SDA is de seriële
datalijn en de SCL is de seriële kloklijn worden door de master gegeven zodat alles synchroon
verloopt. Let wel op beide lijnen moeten d.m.v. een pull-up-weerstand verbonden worden met
+Vcc. Dit is nodig omdat de SDA en SCL open drain drivers (open collector uitgangen zijn.
Dit wil zeggen dat ze enkel laag kunnen getrokken worden, door ze te verbinden met massa.
Dankzij de pull-up weerstand zijn deze hoog als ze niet laag getrokken worden. De weerstand
moeten een waarde hebben tussen de 1k8Ω en 10kΩ. Op de Arduino Mega zijn deze al
voorzien, daar wordt een weerstand van 10kΩ gebruikt. Je kan aan 1 master tot 128 slaves
aansluiten, dit wel als deze met 7-bit adressering werkt. Er zijn 3 mogelijke
overdrachtssnelheden bij deze databus, standard mode: 100kbps , fast mode: 400kbps, high-
speed mode: 3,4Mbps. Hier moet bekeken worden welke snelheid de slaves kunnen
verwerken. De databus zal in mijn GIP werken op een snelheid van 100kbps.
In mijn geval is de master een Arduino Mega2560, I²C-communicatie gebeurt via de TWI
(Two Wire Interface) deze bevindt zich op pin 20 (SDA) en pin 21 (SCL).
B e w a k i n g s s y s t e e m | 9
3.4 De communicatie
3.4.1 Start
De communicatie kan enkel gestart worden door de master
(µC), die een start-bit stuurt. Hij doet dit door eerst de SDA-
lijn laag te maken en daarna de SCL-lijn. Alle aangesloten
slaves wachten dan op verdere instructies. De start-bit wordt
gevolgd door de adressering.
3.4.2 Controlebyte
Dit is de eerste byte die de master verstuurt via de
seriële datalijn. Het adres van de slave zit in de eerste
7-bit. Doordat het adres uit 7 bit bestaat, zijn er 128
verschillende mogelijkheden. Er kunnen dus tot 128
slaves aangesloten worden. De controlebyte is als
volgt opgebouwd: de eerste 4-bit van het adres zijn reeds vastgelegd door de fabrikant, de
volgende 3 bit kan men hardware matig instellen. De LSB (Least Significant bit = minst
beduidende bit) geeft aan als de master wil lezen of schrijven. Als er een “1” gestuurd wordt
wil de master lezen, wordt er een “0” gestuurd dan wil hij schrijven. Ik gebruik I/O expanders
van de PCF8574-reeks.
Zie adresseringstabel in “Bijlagen”
3.4.3 Acknowledge-bit
Tussen iedere byte worden de data gedurende de opeenvolgende klokpuls laag gehouden bij
goede ontvangst. Dit is een bevestiging voor de apparaten dat de communicatie goed verloopt.
3.4.4 Data
Na de controle byte volgen de databytes. Die kunnen zowel van de master als van de slaves
komen. Dit is afhankelijk van de LSB. De data bestaat telkens ook uit 8 bit.
FIGUUR 5: START CONDITIE
FIGUUR 6: ADRESSERING DATABUS
B e w a k i n g s s y s t e e m | 10
FIGUUR 7: STOP CONDITIE
3.4.5 Stop
Wanneer de communicatie voltooid is en de master die wil
beëindigen, wordt er een stop-bit verstuurd. Alle
deelnemers weten dan dat de communicatie beëindigd
wordt en dat de lijnen worden vrijgegeven. Ook die heeft
een specifieke opbouw. Eerst wordt SCL hoog gemaakt en
daarna de SDA-lijn.
3.4.6 Voorbeeld bericht
FIGUUR 8: VOORBEELD BERICHT
De werking van I²C dataoverdracht:
1. Data verzenden wordt geïnitieerd met een STARTbit (S) die de SDA het signaal geeft
om omlaag getrokken te worden, terwijl de SCL hoog blijft.
2. SDA zet de eerste databit gelijk, terwijl SCL laag gehouden wordt (gedurende de
blauwe tijdsbalk). De data worden ontvangen, als SCL naar omhoog gaat (groen).
3. Als de overdracht compleet is wordt een STOPbit (P) verzonden door de datalijn vrij
te geven en deze zo in staat te stellen om omhoog getrokken te worden, terwijl SCL
continu hoog gehouden wordt.
4. Om valse detecties te voorkomen, wordt het niveau van de SDA veranderd op de
dalende flank van SCL (overgang van hoog naar laag). Het uitlezen gebeurt op de
stijgende flank van SCL(de overgang van laag naar hoog).
B e w a k i n g s s y s t e e m | 11
3.4.7 Programma I²C (Arduino)
Onderstaand programma is een voorbeeld, dit programma stuurt 8 uitgangen van de PCF8574
aan.
FIGUUR 9: VOORBEELDPROGRAMMA I²C-BUS
B e w a k i n g s s y s t e e m | 12
Hoofdstuk 4 De invoereenheden
4.1 Drukknoppen
Om alle lampengroepen te bedienen in mijn
eindwerk wordt gebruik gemaakt van
drukknoppen. De ingang van de µC mag niet
loshangen, om storing te voorkomen. Want we
moeten ten allen tijde de status van de ingang
zeker weten. Dus moet er een kleine schakeling
voorzien worden in de drukknopdoos. Deze
bestaat uit 2 weerstanden, de verhouding
daarvan is belangrijk als de drukknop niet
bekrachtigd is hangt de ingang aan massa “0”.
Wordt de drukknop bekrachtigd, vloeit er kleine
stroom naar de microcontroller en detecteert
deze een “1” .
Het volledige schema van de drukknopdoos en mechanische tekening van het paneel kan je
terugvinden in de bijlagen.
4.2 PIR-sensor
De PIR-sensor is een passieve infraroodsensor die
beweging detecteert, er bevindt zich een plastic kapje over
de sensor die ervoor zorgt dat deze een groot bereik heeft.
De sensor bevindt zich op een kleine print, waarvan de
schakeling terug te vinden is in de bijlagen.
De sensor heeft slechts 1 uitgang, van zodra er iets
gedetecteerd wordt komt er een hoog signaal binnen in de
microcontroller. De gevoeligheid kan d.m.v. kleine
potentiometers aangepast worden op de schakeling zelf. Er
bevinden zich ook nog 2 voedingspinnen op de
schakeling.
FIGUUR 10: PRINCIPIËLE WERKING DRUKKNOP
FIGUUR 11: PIR-SENSOR
B e w a k i n g s s y s t e e m | 13
FIGUUR 12: PRINCIPIËLE WERKING
4.3 Reed-contact
Dit is een speciale soort sensor, deze geeft signaal
wanneer de contacten gesloten worden. De
contacten worden enkel gesloten als er magneet in
de buurt is. Het werkingsprincipe wordt duidelijk
gemaakt op de figuur. Dus er wordt een reed-contact
op het deurkader bevestigd en een magneet op de
deur zelf. Zolang de deur dicht is, blijft het signaal
“1” maar zodra de deur opent wordt het een “0” en
moet er signaal gegeven worden.
4.4 I²C-ingangskaart
Er werd een ingangskaart ontwikkeld, de ingangen niet rechtstreeks ingelezen. Dit gebeurt via
een I²C-bus, deze wordt gestuurd door een I/O-expander. De IC stuurt de databyte naar de
microcontroller. De ingangen worden d.m.v. optocouplers aangesloten op de Arduino.
De datasheet van de optocoupler (CNY74-4) en I/O-expander (PCF8574A) kan je terugvinden
in bijlagen. Het schema en cliché is ook terug te vinden in de bijlagen. De stappen voor het
ontwikkelen van een print is terug te vinden in bijlagen. Deze wordt gebruikt om alle detectie
eenheden voor het alarm binnen te nemen. Daarom wordt er in negatieve logica gewerkt, zo
kan er ook draadbreuk vastgesteld worden.
4.5 Matrix keypad
Het codeklavier wordt gebruikt om het alarm in en uit te
schakelen. Het zijn inwendig allemaal drukknoppen die
werken, die teruggebracht worden op 8 geleiders. Dit door
de combinatie van rijen en kolommen, zo weten we altijd
welke toets ingedrukt wordt. Zie schema en datasheet in
bijlage.
FIGUUR 13: MATRIX KEYPAD
B e w a k i n g s s y s t e e m | 14
Hoofdstuk 5 De uitvoereenheden
5.1 Relaiskaart
De pinnen van de microcontroller kunnen
maar een stroom van 20mA leveren op
5V. Dit is te weinig om het nodige
vermogen te schakelen. Daarom wordt
gebruik gemaakt van een relaissturing met
een transistor. Het principe is dat er kleine
basisstroom geleverd wordt uit
microcontroller. Die de transistor als
schakelaar doet werken, en er op zijn
beurt voor zorgt dat de spoel bekrachtigd
wordt. Er moet er vrijloopdiode geplaatst
worden over de relais, om de
inductiespanning op zich te nemen bij het
in- en uitschakelen. Het schema van
relaiskaart die ik gebruikt heb kan je
terugvinden in de bijlagen.
5.2 Rolluik
Het rolluik, op mijn maquette bevindt zich één
rolluikmotor. Deze wordt ook aangestuurd door de
Arduino. De motor werkt op 230V, het is heel
belangrijk dat de motor juist aangestuurd wordt. Er zijn
3 aansluitdraden massa, op en neer. Op en neer mogen
nooit tegelijk bekrachtigd worden, want dan gaat de
motor stuk. Dus is het zeer belangrijk dat deze
voorwaarden in geprogrammeerd zijn, zodat dit zeker
niet kan.
FIGUUR 14: PRINCIPIËLE WERKING RELAISKAART
FIGUUR 15: ROLLUIKMOTOR
B e w a k i n g s s y s t e e m | 15
5.3 Verlichting
In de maquette heb ik gebruik gemaakt van witte LEDs als lichtbron, dit zijn standaard 5mm
LEDs. De worden parallel aangesloten op een voedingsspanning van 12V. Iedere
verlichtingsgroep wordt aangestuurd door de relaiskaart. Het bepalen van de
voorschakelweerstand is heel belangrijk. Er moet ongeveer 10mA per LED vloeien. Dus kan
de stroom door de voorschakelweerstand in sommige gevallen redelijk hoog worden. Met als
gevolg dat er groot vermogen gedissipeerd wordt in de weerstand. Daardoor wordt er gebruik
gemaakt van vermogen weerstanden. De voeding in de kast is 24V en wordt door middel van
een LM7812 verlaagd naar 12V.
5.4 LCD-display
Het LCD-display wordt gebruikt om
belangrijke informatie weer te geven, maar
om bij de aansturing zo weinig mogelijk
draden nodig te hebben, maak ik gebruik van
de I²C-bus.
5.5 Alarm sirene
Het is heel belangrijk om duidelijk signaal te geven dat er alarm is. Daarvoor maak ik gebruik
van een hoorn met lamp. Deze werkt op 230V, maar dit is geen probleem want deze wordt
aangestuurd via een relaiskaart.
FIGUUR 16: 1602LCD
B e w a k i n g s s y s t e e m | 16
Hoofdstuk 6 Software
6.1 Wat is Arduino?
Het bewakingssysteem wordt volledig aangestuurd door een Arduino. Om een Arduino te
programmeren heb je software nodig: de programmeeromgeving. De Arduino software is
geschreven in Java en gebaseerd op C/C++, processing, avr-gcc en andere open source
hardware. Dit is een gratis programmer die je kan downloaden van op de site van Arduino.
Omdat Arduino in zodanig veel toepassingen gebruikt kan worden, kan men ook heel veel
voorbeeldprogramma’s terugvinden op internet. Er kan ook gebruikt worden gemaakt van
bibliotheken die je kan oproepen afhankelijk van wat je nodig hebt, daarin zitten heel wat
parameters. Die ervoor zorgen dat de juiste data naar de nodige apparaten wordt gestuurd,
zonder dat er heel veel programmeerwerk aan te pas komt.
6.2 Opbouw
Mijn programma moet op dit moment nog geschreven worden, de code zal op het juryexamen
overhandigd worden. Maar de opbouw van het programma kan ik wel nu al voorstellen aan de
hand van onderstaande flowchart. In bijlagen kan je terugvinden wat er in de macro’s zit,
maar dit is nog geen definitieve versie.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 17
FIGUUR 17: FLOWCHART PROGRAMMA
B e w a k i n g s s y s t e e m | 18
Hoofdstuk 7 Camerabewaking
Het belangrijkste onderdeel van een bewakingssysteem zijn toch wel de camera’s. Men moet
altijd kunnen bekijken wat er gebeurt of wat er gebeurt is. In mijn geval worden de camera’s
in de zaak van mijn ouders geplaatst en de beelden bewaard op een NAS. De beelden moeten
overal toegankelijk zijn daarvoor moeten er poorten worden geopend in je modem. Je
selecteert zelf het bereik (range) en vraagt dit aan bij je provider. Ik maak gebruik van de
range 6000 tot 6100. Iedere camera krijgt ook een vast-IP adres, dus dit mag niet worden
toegekend door de DNS (Domain Name System) van je modem. Dynamische IP-adressen
gaan tot 192.168.1.66, ik maak gebruik van de IP-adressen vanaf 192.1.168.200 want er zitten
ook nog andere apparaten op het netwerk. Dit is de eerste volgende reeks die beschikbaar is
en een vast IP-adres is.
Ik gebruik IP-camera’s van Foscam.
Verdere informatie over de camera’s en hoe deze moeten worden ingesteld kan u terugvinden
in de bijlage die op het juryexamen wordt uitgedeeld.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 19
Algemeen besluit
Uiteindelijk is het gelukt om dit project tot een goed einde te brengen. Het eindwerk werd in
verschillende delen opgedeeld, zodat ik fase kon afwerken. Door in verschillende fases te
werken ging, het werk vlot vooruit.
Ik ben tevreden met het bereikte resultaat. Ik heb een enorme kennis opgedaan op het gebied
van elektronica en programmeren. Dankzij project leerde ik programmeren met Arduino, een
soort C-taal. Uit ondervinding kan ik zeggen dat het heel belangrijk is om voldoende structuur
in je programmeercode te stoppen, en dat commentaar plaatsen ook altijd handig kan zijn.
Een grote meerwaarde vond ik het om een netwerk op te zetten voor de camerabewaking. De
grootste uitdaging was om de beelden vanop afstand beschikbaar te maken. Hierbij leerde ik
veel bij over netwerkprotocollen en netwerkpoorten.
Algemeen kan ik besluiten dat er nog heel veel te ontdekken en te leren valt binnen het
domein van de elektronica, en daarom zal ik ook mijn studies in deze richting verderzetten.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 20
Bijlagen
B e w a k i n g s s y s t e e m | 21
Bijlage1: Curriculim Vitae
Curriculum Vitae
Ismail El Kaddouri
PERSOONLIJKE GEGEVENS
Naam: Ismail El Kaddouri
Adres: Kortrijkstraat 422
8560 Wevelgem
Gsm: 0473 20 79 24
Email: [email protected]
Geboortedatum: 12 december 1997
Nationaliteit: Belg
Rijbewijs: Personenwagen (B)
OPLEIDING
2012 – 2016 TSO – Elektriciteit-Elektronica
Provinciaal Technisch Instituut
Kortrijk
2011 – 2012 TSO – Mechanica-Elektriciteit
Provinciaal Technisch Instituut
Kortrijk
2010 – 2011 ASO – Moderne Wetenschappen
Sint-Pauluscollege
Wevelgem
BIJKOMENDE VORMINGEN
2015-2016 Laslessen
PCVO - Izegem
2014-2016 Bedrijfsbeheer
PCVO - Izegem
2015 Basisveiligheid VCA-B
PVI – Antwerpen Berchem
ERVARINGEN
2010 – heden Medewerker NELL.COM (computerwinkel) technische en
commerciële opdrachten
B e w a k i n g s s y s t e e m | 22
TALENKENNIS
Nederlands: Moedertaal
COMPETENTIES
Ik kan vlot overweg met een computer en heb hier ook enige technische kennis
over door mijn ervaringen in NELL.COM
o Microsoft Word
o Microsoft Excel
o Microsoft Powerpoint
o Microsoft Outlook
o Windows XP,Vista, 7, 8, 8.1, 10
o Mac OS
o Ciel Commercieel beheer
o NI Multi-sim
o NI Ulti-board
o Arduino
o Xillinx
o Flowcode
o SEE Electrical
o LOGO!Soft V4
Teamplayer, sociaal en vlot
Gedreven en enthousiast
Ordelijk en stipt
Stressbestendig
PROJECTEN
Eindwerk:
Woning met domotica, camera- en inbraakbeveiliging. Dit alles is aan stuurbaar via je smartphone.
Stage:
2 weken durende stage bij RWA bvba (Ontwikkelingen van rookbeveiligingssystemen). Ik heb er printplaten getest en gesoldeerd. En er onderhoudswerken aan de elektrische installatie uitgevoerd.
BrightBeats :
In het kader van een Europees project (SHARES Comenius) heb ik samen met 5 vrienden een kleine draagbare bluetooth speaker gebouwd voornamelijk met gerecycleerd materiaal. Daarmee namen we deel aan verschillende wedstrijden.
- 1ste prijs wetenschapsconferentie Paphos (Cyprus) - 2de plaats Pakaan (Unizo) - Nominatie ECO-awards
RenewableBeats :
Dit is de uitvergrote versie van de Brightbeats die werkt op zonne- en windenergie. Deze versie is gebouwd op een aanhangwagen
Begrijpen Spreken Schrijven
Engels Zeer goed Goed Goed
Frans Zeer goed Zeer goed Goed
Berbers (> Arabisch) Goed Goed Matig
B e w a k i n g s s y s t e e m | 23
Bijlage 2: Lijst afbeeldingen
Figuur 1: Blokschema bewakingssysteem ................................................................................. 2
Figuur 2: algemeen blokschema microcontroller ....................................................................... 3
Figuur 3:Blokschema ATmega2560 .......................................................................................... 5
Figuur 4: principeschema i2c-sturing ......................................................................................... 8
Figuur 5: start conditie ............................................................................................................... 9
Figuur 6: adressering databus ..................................................................................................... 9
Figuur 7: stop conditie .............................................................................................................. 10
Figuur 8: voorbeeld bericht ...................................................................................................... 10
Figuur 9: voorbeeldprogramma i²C-bus ................................................................................... 11
Figuur 10: principiële werking drukknop ................................................................................. 12
Figuur 11: PIR-sensor .............................................................................................................. 12
Figuur 12: principiële werking ................................................................................................. 13
Figuur 13: matrix keypad ......................................................................................................... 13
Figuur 14: principiële werking relaiskaart ............................................................................... 14
Figuur 15: rolluikmotor ............................................................................................................ 14
Figuur 16: 1602lcd ................................................................................................................... 15
Figuur 17: Flowchart programma ............................................................................................ 17
Figuur 18: schematische opbouw ............................................................................................. 26
Figuur 19: Algemene informatie PCF8574 .............................................................................. 27
Figuur 20: PIN-OUT PCF8574 ................................................................................................ 27
Figuur 21: Blokschema PCF8574 ............................................................................................ 27
Figuur 22: Inwendig principeschema CNY74-7 ...................................................................... 28
Figuur 23: Elektronische eigenschappen CNY74-4 ................................................................. 28
Figuur 24: Weerstandnetwerk .................................................................................................. 28
Figuur 25: Principeschema weerstandnetwerk ......................................................................... 28
Figuur 26: schema i²C ingangskaart ......................................................................................... 29
Figuur 27: ontwikkeltekening i²c ingangskaart ........................................................................ 30
Figuur 28: schema PIR-sensor ................................................................................................. 31
Figuur 29: belangrijke informatie reed-contact ........................................................................ 32
Figuur 30: illustratie reed-contact ............................................................................................ 32
Figuur 31: inwendig schema drukknopdoos ............................................................................ 33
Figuur 32: schema matrix keypad ............................................................................................ 34
B e w a k i n g s s y s t e e m | 24
Figuur 33: belangrijke informatie matrix keypad .................................................................... 35
Figuur 34: aansluitschema matrix keypad ................................................................................ 35
Figuur 35: schema relaiskaart .................................................................................................. 36
Figuur 36: datasheet somfy ls40 ............................................................................................... 37
Figuur 37: schema LEDs .......................................................................................................... 38
Figuur 38: algemene informatie LM7812 ................................................................................ 39
Figuur 39: lm7812 specificaties .............................................................................................. 39
Figuur 40: pin out lcd1602 ....................................................................................................... 40
Figuur 41: specificaties lcd1602 .............................................................................................. 41
Figuur 42: i²C aansturing LCD1602 ........................................................................................ 42
Figuur 43: Ontwerptekening I²C-print LCD1602 .................................................................... 43
Figuur 44: belangrijke productinformatie Werma 580 ............................................................ 43
Figuur 45: illustratie hoorn ....................................................................................................... 43
Figuur 46: CAD tekening drukknopdoos ................................................................................. 44
Figuur 47: Grondplan maquette ............................................................................................... 45
Figuur 48: koppelkarakteristiek ............................................................................................... 50
Figuur 49: Toerentalkarakteristiek ........................................................................................... 50
Figuur 50: Toerental-koppelkarakteristiek ............................................................................... 51
Figuur 51:Controle lus van een DC motor (ABB)7 ................................................................. 52
Figuur 52: Ankerspanningsregeling ......................................................................................... 53
Figuur 53: Schema ankerspanningsregeling ............................................................................ 54
Figuur 54: Servomotor ............................................................................................................. 54
Figuur 55: Veld gestuurde servomotor ..................................................................................... 55
Figuur 56: Fluxdichtheid van servomotor ................................................................................ 55
Figuur 57: vierkwadrantenvoorstelling .................................................................................... 56
Figuur 58:I²C LCD ................................................................................................................... 57
Figuur 59: I²C ingangskaart uitlezen ........................................................................................ 58
Figuur 60: Uitgang sturen met drukknop ................................................................................. 59
B e w a k i n g s s y s t e e m | 25
B e w a k i n g s s y s t e e m | 26
Bijlage 3: Schematische opbouw
FIGUUR 18: SCHEMATISCHE OPBOUW
B e w a k i n g s s y s t e e m | 27
Bijlage 4: Datasheet PCF8574 (I²C IO-expander)
FIGUUR 19: ALGEMENE INFORMATIE PCF8574
FIGUUR 20: PIN-OUT PCF8574
FIGUUR 21: BLOKSCHEMA PCF8574
B e w a k i n g s s y s t e e m | 28
Bijlage 5: Datasheet CNY74-4 (Optocoupler)
Bijlage 6: Datasheet weerstandnetwerk
FIGUUR 22: INWENDIG PRINCIPESCHEMA CNY74-7
FIGUUR 23: ELEKTRONISCHE EIGENSCHAPPEN CNY74-4
FIGUUR 24: WEERSTANDNETWERK
FIGUUR 25: PRINCIPESCHEMA WEERSTANDNETWERK
B e w a k i n g s s y s t e e m | 29
Bijlage 7: Schema I²C Ingangskaart
FIGUUR 26: SCHEMA I²C INGANGSKAART
B e w a k i n g s s y s t e e m | 30
Bijlage 8: Printontwerp I²C Ingangskaart
FIGUUR 27: ONTWIKKELTEKENING I²C INGANGSKAART
B e w a k i n g s s y s t e e m | 31
Bijlage 9: PIR-sensor
FIGUUR 28: SCHEMA PIR-SENSOR
B e w a k i n g s s y s t e e m | 32
Bijlage 10: Datasheet REED-contact
FIGUUR 30: ILLUSTRATIE REED-CONTACT
FIGUUR 29: BELANGRIJKE INFORMATIE REED-CONTACT
B e w a k i n g s s y s t e e m | 33
Bijlage 11: Schema Drukknopdoos
FIGUUR 31: INWENDIG SCHEMA DRUKKNOPDOOS
B e w a k i n g s s y s t e e m | 34
Bijlage 12: Schema Matrix keypad
FIGUUR 32: SCHEMA MATRIX KEYPAD
B e w a k i n g s s y s t e e m | 35
Bijlage 13: Datasheet matrix keypad
FIGUUR 33: BELANGRIJKE INFORMATIE MATRIX KEYPAD
FIGUUR 34: AANSLUITSCHEMA MATRIX KEYPAD
B e w a k i n g s s y s t e e m | 36
Bijlage 14:Relaiskaart
FIGUUR 35: SCHEMA RELAISKAART
B e w a k i n g s s y s t e e m | 37
Bijlage 15: Somfy LS40 Mercure (rolluikmotor)
FIGUUR 36: DATASHEET SOMFY LS40
B e w a k i n g s s y s t e e m | 38
Bijlage 16: schema LEDs
FIGUUR 37: SCHEMA LEDS
B e w a k i n g s s y s t e e m | 39
Bijlage 17: LM7812 (spanningsregelaar)
FIGUUR 38: ALGEMENE INFORMATIE LM7812
FIGUUR 39: LM7812 SPECIFICATIES
B e w a k i n g s s y s t e e m | 40
Bijlage 18: LCD1602
FIGUUR 40: PIN OUT LCD1602
B e w a k i n g s s y s t e e m | 41
FIGUUR 41: SPECIFICATIES LCD1602
B e w a k i n g s s y s t e e m | 42
Bijlage 19: Schema I²C LCD
FIGUUR 42: I²C AANSTURING LCD1602
B e w a k i n g s s y s t e e m | 43
Bijlage 20: Printontwerp I²C LCD
Bijlage 21: WERMA 580 152 68 SIGNAALLAMP/HOORN
FIGUUR 43: ONTWERPTEKENING I²C-PRINT LCD1602
FIGUUR 45: ILLUSTRATIE HOORN
FIGUUR 44: BELANGRIJKE PRODUCTINFORMATIE
WERMA 580
B e w a k i n g s s y s t e e m | 44
Bijlage 22: CAD-tekening
FIGUUR 46: CAD TEKENING DRUKKNOPDOOS
B e w a k i n g s s y s t e e m | 45
Bijlage 23: Grondplan maquette
FIGUUR 47: GRONDPLAN MAQUETTE
B e w a k i n g s s y s t e e m | 46
Bijlage 24: GIP opdrachten TV EL
GIP opdrachten TV elektriciteit
1.september
Permanente Magneet gelijkstoommotor: Verklaar het werkingsprincipe en samenstelling.
2.november
Permanente Magneet gelijkstoommotor: Verklaar het belang en het verloop van de waarde van
de ankerstroom. Bij aanloop tot bij nominale belasting. Toon dit aan met de nodige formules en
bespreek eventuele maatregelen die kunnen genomen worden i.v.m. de aanloopstroom.
3.december
Permanente Magneet gelijkstoommotor:
•Verklaar hoe de rotatiesnelheid van de motor kan geregeld worden. Gebruik hiervoor de
nodige formules.
•Definieer de begrippen: motorkoppel en ankerreactie
4.januari
Permanente Magneet gelijkstoommotor:
•Teken en bespreek de koppelkarakteristiek.
•Teken en bespreek de toerentalkarakteristiek.
•Teken en bespreek de toerental-koppelkarakteristiek.
5.februari
Permanente Magneet gelijkstoommotor:
• Bespreek het begrip “drive voor een gelijkstroommotor”.
• Bespreek het begrip “ankerspanningsregeling”.
• Bespreek het begrip “gelijkstroomservomotor”.
• Bespreek het begrip “vierkwadrantenbedrijf”.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 47
GIP opdracht september
Een gelijkstroommotor is een motor die werkt op een gelijkspanning (DC), de functie van een motor is
om energie om te zetten in beweging.
Een permanente gelijkstroommotor is de meest gebruikte DC motor, deze wordt ook wel de “PMDC,
brushed DC motor, Permanent Magnet Direct Current” genoemd.
De motor bestaat uit een stator en een rotor, de stator is een ‘koker’ met een magneet met noord- en
zuidpool.
De rotor, ook wel anker genoemd, moet rond kunnen draaien in de stator waarbij in de afbeeldingen de
blauw en roze wikkelingen aan beide kanten van de rotor de zogenaamde spoelen zijn. Spoelen zijn
‘uitsteeksels’ van de rotor (minimaal twee), omwikkeld met koperdraad waardoor deze magnetisch
worden als er stroom door het draad gaat lopen. Als de noordpool van de stator tegen de noordpool van
de rotor ligt, en er wordt stroom op de rotor gezet, zal de rotor magnetisch worden en gaan draaien (de
noordpool van de rotor wil naar de zuidpool van de stator – en andersom – omdat gelijke polen elkaar
afstoten). Wanneer de noordpool van de rotor bij de zuidpool van de stator is gekomen – de rotor heeft
inmiddels dus een halve omwenteling gemaakt – zal de stroom binnen de rotor omgedraaid moeten
worden: de noordpool van de rotor is eerst aangetrokken door de zuidpool van de stator, maar zal
veranderen in een zuidpool en zal nu worden afgestoten tot deze gedraaid is naar de noordpool van de
stator. Na een halve cirkel draait de stroom weer om en op die manier maakt de rotor een roterende
beweging.
Het omschakelen van de stroom door de rotor gebeurd door middel van een commutator of collector
met borstels. De collector is gemaakt van koper of messing, de borstels van grafiet.
Voorbeelden producten met PMDC-motor: elektrische tandenborstel, printer, kruimeldief,
accuboormachine, elektrische grasmaaier.
Er is ook nog een andere soort permanente magneet gelijkstroommotor, dat is deze zonder
koolborstels.
Deze wordt ook wel “borstelloze DC motor, brushless DC motor” genoemd.
Er bestaan ook permanent magneet gelijkstroommotoren zonder borstels. Deze motor verschilt van de
geborstelde PMDC-motor omdat bij het checken van de positie van de stator- en rotormagneten ten
opzichte van elkaar (om op tijd de stroomrichting om te draaien), geen gebruik wordt gemaakt van
borstels en commutator, maar van een sensor. De omschakeling van de stroomrichting wordt nu
gedaan door middel van een transistor.
Een ander verschil is dat bij deze motor de rotor permanente magneten heeft en de stator spoelen met
wisselende stroomrichting.
Voordelen van een borstelloze PMDC motor, is dat de slijtagegevoelige borstels en commutator
vervangen is door betrouwbaardere elektronica. Nadeel is dat de sensors duur zijn. Borstelloze PMDC
motoren vind je terug in producten die niet mogen falen, zoals een computer ventilator.
Voorbeelden producten met borstelloze PMDC-motor: CD/DVD spelers, harde schijf, computer
ventilator.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 48
GIP opdracht november
Als het anker een totale ankerstroom Ia voert, zal de stroom I per ankertak en dus in ieder werkzame
geleider gegeven worden door: I=Ia/2a
De lorentzkracht ontstaan op een willekeurige geleider in het magnetisch veld.
Ankerstroom in normaal bedrijf: Ia=((U-Et))/Ri= ((U+ke.Φ.n))/Ri
Ankerstroom bij aanzetten: Iaz=U/Ri
Bij de nominale ankerstroom wordt in bedrijf dus beperkt door de opgewekte tegenspanning Et. Bij
het aanzetten staat het anker nog stil dus is n=0 en is de tegen emk nog 0.
De aanloopstroom wordt nu enkel beperkt door de inwendige weerstand van de ankerketen die zeer
klein, waardoor de aanloopstroom verscheidene keren (20 tot 50x) groter is dan de Inom. Hierdoor
ontstaat een zeer hoog joule-effect in de ankerketen, een ontoelaatbare grote stroomstoot op het net en
het anker. Rechtstreekse aanzet wordt dus niet toegepast enkel bij motoren van een beperkt vermogen.
Om deze aanloopstroom te beperken plaatst men in serie met de ankerketen een
stroombegrenzingsweerstand die men ook wel de aanzetweerstand noemt.
Bij nullast is de ankerstroom IA zeer klein (typisch 5 à 10% van de maximale IA). Bij toenemende
belasting (toenemende Pmech) stijgt IA evenredig mee tot aan de maximaal toegestane waarde. De
ankerstroom is een directe maat voor de dynamisch belaste motor
B e w a k i n g s s y s t e e m | 49
GIP opdracht december
Van een permanent magneet gelijkstroom motor is de rotatiesnelheid relatief simpel te regelen.
De formule voor de draaisnelheid is
De draaisnelheid is recht evenredig aan de aangelegde spanning en omgekeerd evenredig van de flux
in de motor. Door deze eigenschappen is snelheidsregeling mogelijk.
Motorkoppel:
In de mechanica is een koppel een samenstel van twee even grote maar tegengesteld gerichte krachten
waarvan de werklijnen niet samenvallen. Als zo'n koppel op een voorwerp aangrijpt, veroorzaakt het
alleen een rotatie en geen translatie (verschuiving) van het voorwerp. De afstand tussen de beide
werklijnen wordt de arm van het koppel genoemd.
De grootte τ van een koppel heet het koppelmoment en is gelijk aan de kracht F maal de arm r. Als de
kracht gemeten is in newton (N) en de arm in meter (m), wordt het koppelmoment uitgedrukt in Nm
(newtonmeter). Omdat een koppel een draaiing bewerkstelligd in het vlak van de werklijnen, en
daarbij nog twee draairichtingen kan hebben, is een koppel richtingsafhankelijk. En koppel wordt,
evenals kracht en arm, voorgesteld door een vectorgrootheid
Ankerreactie:
Ankerreactie is de inwerking van het ankerveld op het statorveld in een gelijkstroommachine of
synchrone machine. Zonder tegenmaatregelen zorgt ankerreactie voor een nadelig effect op het gedrag
van de machine.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 50
GIP opdracht januari
Koppelkarakteristiek:
FIGUUR 48: KOPPELKARAKTERISTIEK
Toerentalkarakteristiek:
FIGUUR 49: TOERENTALKARAKTERISTIEK
De aangelegde spanning U op de ankerketen van de motor moet de tegenspanning Et in het anker
compenseren, alsook het inwendig ohms spanningsverlies:
Door uitdrukking en te combineren, vinden we voor de draaisnelheid van de
motor de volgende uitdrukking
Vermits het inwendig ohms spanningsverlies relatief klein is ten opzichte van Et of U, kan het
verwaarloosd worden, zodat de draaisnelheid eenvoudig gegeven wordt door de uitdrukking
Besluit: De draaisnelheid is rechtsevenredig met de aangelegde spanning U en omgekeerd evenredig
met de flux φ in de motor, waardoor snelheidsregeling eenvoudig kan toegepast worden.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 51
Toerental-koppelkarakteristiek:
FIGUUR 50: TOERENTAL-KOPPELKARAKTERISTIEK
We kunnen enkele dingen opmerken in de karakteristieken.
Karakteristieken van een PDMC motor zijn gelijkaardig aan die van een DC Shunt motor zeker
in de termen van koppel ,snelheid en stroom. Maar in toerental-koppel karakteristiek zijn
lineaire and beter voorspelbaar dan die van een PDMC motor.
We kunnen hier ook uit afleiden dat de motor altijd een constant toerental heeft.
Hoe meer koppel dat er nodig is, hoe meer stroom er zal vloeien
Maar de snelheid zal toch minimaal dalen wanneer er meer kracht nodig is.
De PMDC motor is niet ze krachtig, maar zeer gebruiksvriendelijk en zeer gemakkelijk in
gebruik.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 52
GIP opdracht februari
Bespreek het begrip “drive” voor een gelijkstroommotor?
De drive (=frequentieregelaar, frequentieomvormer). Drive staat in vaktermen voor de elektronische
schakeling die in staat is het aangeboden signaal te veranderen terwijl de spanning mee varieert en het
koppen behouden blijft.
In een gelijkstroommotor , wordt het magnetisch veld gecreëerd door de stroom door de veldwikkeling
in de stator. Dit veld altijd loodrecht op het vlak door de ankerwikkeling. Deze aandoening, die bekend
staat als het veld oriëntatie, is nodig om het maximale koppel te genereren. De collector-borstel
montage zorgt deze voorwaarde is onafhankelijk van de rotor positie behouden.
Zodra veld oriëntatie is bereikt, wordt het koppel van de DC motor kan bestuurd worden met het
variëren van de armatuur stroom en door het houden van het magnetiseren stroom constant.
Het voordeel van DC-drives is dat de snelheid en het koppel - de twee belangrijkste zorgen van de
eindgebruiker - wordt rechtstreeks gecontroleerd door middel van armatuur stroom: dat is het koppel is
de innerlijke controle lus en de snelheid is de buitenste regelkring (zie figuur 1) .
FIGUUR 51:CONTROLE LUS VAN EEN DC MOTOR (ABB)7
Kenmerken van DC Motor Drive
1) Het gebied oriëntatie via mechanische commutator
2) Beheersing van variabelen zijn Armature Current and Field Current, RECHTSTREEKS
gemeten vanaf de motor
3) Directe koppelregeling
Voordelen van de DC Motor Drive
1) Accuraat en snel koppelregeling
2) Hoge dynamische snelheid reactie
3) Eenvoudig te bedienen
Nadelen van de DC Motor Drive
1) Verminderde betrouwbaarheid motor
2) regelmatig onderhoud
3) Motor duurder in de aankoop
4) encoder nodig voor terugkoppeling
B e w a k i n g s s y s t e e m | 53
Het grootste nadeel van deze techniek is de beperkte betrouwbaarheid van de gelijkstroommotor; het
feit dat de borstels en commutatoren slijten en moeten regelmatig onderhoud; dat gelijkstroommotoren
duur kopen kunnen zijn; en dat ze encoders voor de snelheid en de positie feedback nodig.
Terwijl een gelijkstroomaandrijving een gemakkelijk gecontroleerd koppel van nul tot basissnelheid en
verder produceert, mechanica van de motor zijn complexer en vereisen regelmatig onderhoud
Bespreek het begrip “ankerspanningsregeling”?
Bij constante φ is het toerental n van de motor recht evenredig met de aangelegde ankerspanning. Bij
constante motorbelasting is het koppel T constant. Volgens uitdrukking
is de ankerstroom Ia dan eveneens constant. Het nuttig vermogen
Pn is evenredig met de draaisnelheid volgens uitdrukking
De snelheid is theoretisch regelbaar van 0 tot de maximum waarde. Praktisch is het regelgebied
begrensd door de nodige ventilatie (afkoeling) voor de minimum snelheid en door de constructie van
de motor voor de maximum snelheid. De ankerspanning kan geregeld worden met behulp van:
- een voorschakelweerstand in serie met de ankerketen te plaatsen (kleine vermogens);
- een regelbare autotransformator (rheotor) met gelijkrichter (Si-diodes);
- een gestuurde gelijkrichter (thyristorbrug) voor elektronische regelketens, waarbij de snelheid
gemeten wordt door een tachogenerator.
FIGUUR 52: ANKERSPANNINGSREGELING
B e w a k i n g s s y s t e e m | 54
De ankerspanningsregeling is eveneens toepasbaar voor gelijkstroommotoren met permanente
magneten.
Voor gelijkstroommotoren
met onafhankelijke
bekrachtiging, wordt de
veldstroom meestal
bekomen uit het
wisselspanningsnet met
behulp van een Si-
gelijkrichterdiode (D1).
De veldketen wordt voor de ankerketen ingeschakeld, en na de ankerketen uitgeschakeld. Dit wordt
gedaan om te voorkomen dat de motor een hoog toerental zou verkrijgen (op hol slaan) door de lage
flux (remanent magnetisme) die dan in de machine heerst. Omdat de veldwikkeling een hoge
zelfinductie coëfficiënt bezit wordt het uitschakelen bekomen met een vrijloopdiode (D2) die de hoge
zelfinductiespanning van de veldspoel kortsluit.
Bespreek het begrip “gelijkstroomservomotor”?
De servomotor is eigenlijk een verzameling van vier dingen: een normale
DC motor, een tandwielreductie-eenheid, een positie-aftastinrichting
(gewoonlijk een potentiometer-een volumeknop), en een
besturingsschakeling.
De functie van de servo op een besturingssignaal dat ontvangen
representeert gewenste afvoerplaats van de servo-as en de voeding naar
de gelijkstroommotor tot zijn as draait die positie. Het gebruikt de
positie-aftastinrichting naar de rotatiepositie van de as te bepalen, zodat het weet welke kant de motor
moet draaien om de as naar de opgedragen positie. De as heeft meestal niet vrij draaien rond en rond
als een DC-motor, maar kan nogal alleen draaien 200 graden of zo heen en weer.
De servo heeft een 3-draads aansluiting: macht, de grond, en controle. De krachtbron moet constant
worden toegepast; de servo heeft zijn eigen drive electronics dat de huidige trekken uit de
voedingskabel naar de motor te rijden.
De motoren die worden gebruikt als DC servomotoren , algemeen afzonderlijke gelijkstroombron voor
veldwikkeling en ankerwikkeling. De controle kan worden gearchiveerd hetzij door het regelen van het
veld huidige of armatuurstroom. Besturingsveld heeft een aantal specifieke voordelen boven
armatuur controle en anderzijds anker controle heeft ook enkele voordelen ten opzichte besturingsveld.
FIGUUR 53: SCHEMA ANKERSPANNINGSREGELING
FIGUUR 54: SERVOMOTOR
B e w a k i n g s s y s t e e m | 55
Welk type controle moet worden toegepast op de DC servomotor , wordt bepaald afhankelijk van de
specifieke toepassingen.
- Veld gestuurde DC servomotor
FIGUUR 55: VELD GESTUURDE SERVOMOTOR
Het veld is onder de knie punt van magnetiseren
verzadiging curve gecontroleerd. Op dat deel van de
curve de mmf lineair varieert met bekrachtigingsstroom.
Dat betekent koppel dat de gelijkstroommotor is recht
evenredig met het veld huidige onder de knie
bijzondere magnetiseren verzadigingscurve.
Van algemene torque vergelijking gelijkstroommotor
blijkt dat, torsie T α φI een . Waar, is φ veld flux en ik
een is armatuur stroom. Maar in het veld gestuurde DC-
servomotor, het anker wordt opgewekt door een constante stroombron , dus ik een constant hier.
Vandaar T α φ
Besturingsveld niet mogelijk bij permanente magneet gelijkstroommotor als het veld een
permanente magneet in. DC servomotor werkingsprincipe is in dat geval gelijk aan die van anker
gestuurde motor.
Bespreek het begrip “vierkwadrantenbedrijf”?
Voor speciale toepassingen kunnen frequentieomvormers ook voor 'vierkwadrantenbedrijf' gemaakt
worden, hierbij kan de normaal aangedreven motor ook elektrisch afgeremd worden en daarbij energie
aan het net terug leveren. Bij vierkwandrantenbedrijf kan dit in beide draairichtingen gebeuren. In dit
voorbeeld gebeurt energie terug levering in het tweede kwadrant. Daar is het koppel negatief en de
snelheid positief. Dit resulteert in negatief vermogen en dus terug leveren van energie aan het
wisselspanningsnet (zie formule vermogen van daarnet). De frequentieregelaar eindigt zijn regeling in
FIGUUR 56: FLUXDICHTHEID VAN SERVOMOTOR
B e w a k i n g s s y s t e e m | 56
het punt dat overeenkomt met de gewenste snelheid in het derde kwadrant (negatief koppel en snelheid
resulteert in positief vermogen).
FIGUUR 57: VIERKWADRANTENVOORSTELLING
Toepassingen:
Frequentieregelaars worden gebruikt voor elektrische aandrijvingen als men het verloop van de
snelheid precies wil regelen, zoals bij: Hijsinstallaties, pompen, roerwerken, transportbanden,
ventilatoren, wikkelapplicaties. En verder bij veel hout/metaalbewerkingsapparatuur waarbij de
snelheid variabel moet zijn voor verschillende materialen, zoals kolomboormachines, draaibanken en
freesbanken. Frequentieregelaars worden ook veel ingezet om energie te besparen, bijvoorbeeld bij
ventilatoren. Ook om mechanische belastingen tot een aanvaardbaar niveau te beperken worden er
soms frequentieregelaars gebruikt.
Een belangrijk toepassingsgebied voor frequentieregelaars is de scheepvaart. Het is relatief eenvoudig
om zo het geleverde vermogen van een thyristor te regelen.
B e w a k i n g s s y s t e e m | 57
Bijlage 25: I²C LCD
FIGUUR 58:I²C LCD
B e w a k i n g s s y s t e e m | 58
Bijlage 26: I²C ingangskaart inlezen
FIGUUR 59: I²C INGANGSKAART UITLEZEN
B e w a k i n g s s y s t e e m | 59
Bijlage 27: Uitgangen aansturen
FIGUUR 60: UITGANG STUREN MET DRUKKNOP
B e w a k i n g s s y s t e e m | 60
Bronvermelding
Schriftelijke bronnen
Cursus elektronica
Datasheet PCF8574
Datasheet LM7812
Datasheet LCD1602
Datasheet Somft LS40 Mercure
Datasheet CNY74-4
Datasheet PIR-sensor
Datasheet REED contact
Datasheet Matrix keypad
Datasheet 8CH relaiskaart
Datasheet Werma 580-152-68
Andere bronnen
https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560
http://www.cs.ait.ac.th/~st111211/Arduino-I2C.pdf
http://www.elecfreaks.com/wiki/index.php?title=I2C/TWI_LCD1602_Module
https://forum.arduino.cc/
https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/TC1602A-01T.pdf
http://wetenschap.infonu.nl/techniek/61200-elektromotoren-gelijkstroom-synchroon-
universeelmotor.html
https://nl.wikipedia.org/wiki/Gelijkstroommotor#Ankerketenweerstand
http://www.tisj.com/ian.claesen/index/frame%20rechts/Cursus/Elektriciteit/gelijkstroommotor/t
heorie.pdf
http://www.tisj.com/ian.claesen/index/frame%20rechts/Cursus/Elektriciteit/gelijkstroomgenerat
or/labo.pdf
https://nl.wikipedia.org/wiki/Ankerreactie
http://www.electricaleasy.com/2014/12/permanent-magnet-dc-pmdc-motors.html
https://nl.wikipedia.org/wiki/Frequentieregelaar#Vierkwadrantenbedrijf
http://electrical-engineering-portal.com/dc-motor-drive-explained-in-few-words
B e w a k i n g s s y s t e e m | 61
http://www.tisj.com/ian.claesen/index/frame%20rechts/Cursus/Elektriciteit/gelijkstroommotor/t
heorie.pdf
http://handyboard.com/hb/faq/hardware-faqs/dc-vs-servo/
http://www.electrical4u.com/dc-servo-motors-theory-and-working-principle/
https://elauma.worldpress.com/tag/vierkwadrantenbedrijf/
Afbeeldingen
1. Eigen illustratie
2. Eigen illustratie
3. Datasheet PCF8574
4. I²C voor beginners.pdf
5. I²C voor beginners.pdf
6. I²C voor beginners.pdf
7. I²C voor beginners.pdf
8. https://nl.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C-bus
9. Eigen illustratie
10. Eigen illustratie
11. https://kamami.pl/czujniki-podczerwieni/200743-modhc-sr501.html
12. https://www.avforums.com/threads/resolved-wired-magnetic-door-alarm-surface-
contact.1932974/
13. Datasheet Matrix keypad.pdf
14. Eigen illustratie
15. http://www.voletshop.fr/moteurs-somfy-ls40/499-1021371-Moteur-LS40-ARIES-Court-4-14-
Somfy-pour-volet-roulant.html
16. http://www.diytrade.com/china/pd/9243856/1602_LCD.html
17. Eigen illustratie
18. Eigen illustratie
19. Datasheet PCF8574
20. Datasheet PCF8574
21. Datasheet PCF8574
22. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/81944/TEMIC/CNY74-4.html
23. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/81944/TEMIC/CNY74-4.html
24. http://www.farnell.com/datasheets/682196.pdf
25. http://www.farnell.com/datasheets/682196.pdf
B e w a k i n g s s y s t e e m | 62
26. Eigen illustratie
27. Eigen illustratie
28. Eigen illustratie
29. Eigen illustratie
30. Datasheet Reed-contact
31. Datasheet Reed-contact
32. Eigen illustratie
33. Eigen illustratie
34. Datasheet Matrix keypad
35. Datasheet Matrix keypad
36. Eigen illustratie
37. http://www.werff-zonwering.nl/contents/nl/d168_somfy_buis-motor_LS40.html
38. Eigen illustratie
39. https://www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM7812.pdf
40. https://www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM7812.pdf
41. https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/TC1602A-01T.pdf
42. https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/TC1602A-01T.pdf
43. Eigen illustratie
44. Eigen illustratie
45. https://mdhelektroshop.nl/werma-580-152-68-signaallamp-hoorn-wm-continue
46. https://mdhelektroshop.nl/werma-580-152-68-signaallamp-hoorn-wm-continue
47. Eigen illustratie
48. http://www.electricaleasy.com/2014/12/permanent-magnet-dc-pmdc-motors.html
49. http://www.electricaleasy.com/2014/12/permanent-magnet-dc-pmdc-motors.html
50. http://www.electricaleasy.com/2014/12/permanent-magnet-dc-pmdc-motors.html
51. http://electrical-engineering-portal.com/dc-motor-drive-explained-in-few-words
52. http://electrical-engineering-portal.com/dc-motor-drive-explained-in-few-words
53. http://electrical-engineering-portal.com/dc-motor-drive-explained-in-few-words
54. http://www.electrical4u.com/dc-servo-motors-theory-and-working-principle/
55. http://www.electrical4u.com/dc-servo-motors-theory-and-working-principle/
56. http://www.electrical4u.com/dc-servo-motors-theory-and-working-principle/
57. http://elauma.wordpress.com/tag/vierkwadrantenbedrijf/
58. Eigen illustratie
59. Eigen illustratie
60. Eigen illustratie