Misura e controllo di un pannello solare termico

Sto lavorando ad un progetto di pannello solare di nuova concezione, occupandomi del sistema di misura e controllo. Sulle caratteristiche di questo pannello lascio all'autore il compito di divulgarle, mentre penso che possa essere interessante descrivere come ho affrontato il problema della misura e registrazione dei dati di funzionamento e quello del controllo di alcuni dispositivi ausiliari.
Il sistema è descritto nello schema qui sotto riportato.  

I sensori di temperatura, distribuiti in vari punti del pannello, sono  i DS18B20 della  Maxim e funzionano con il protocollo 1-Wire.
Sono collegati ad un unico cavetto a tre poli (2 + schermo) al quale sono collegati l'alimentazione a +5V, il Ground e la linea dati che fa capo ad un pin digitale di Arduino. Esiste una libreria per gestire questo tipo di componente e ricavare direttamente la temperatura in °C. La precisione dichiarata di questo tipo di sensore è di circa 0.5 gradi.
Un altro sensore è costituito da un contatore volumetrico dell'acqua che scorre nel pannello. Questo contatore, oltre alla parte meccanica che fa muovere i tamburi con le cifre, è dotato di un reed relè che si chiude ogni 10 litri.  Il relè è collegato ad un altro ingresso digitale di Arduino, tramite una resistenza di pull-up di 10 K.
Il sistema deve poi controllare la velocità di un ventilatore e accendere o spegnere una pompa, oltre naturalmente a registrare tutti i dati.

La foto mostra un chip DS18B20 montato sul cavetto e il connettore a 3 pin con il quale viene collegato al bus 1-Wire.

La foto mostra il contatore di acqua con il cavetto collegato al reed relè.

Trasmettere i dati su Internet 2

Dicevo nel precedente post, che il Server è quello che risponde alla chiamata del Client inviando una pagina WEB. Noi vogliamo che questa pagina comprenda alcune scritte fisse, esplicative, e alcune variabili dipendenti dallo stato degli input nelle varie porte di Arduino. Questo si realizza facilmente con le istruzioni pc_client.print(....)  contenute nel programma di Marco Lai Controllo Remoto. Istruzioni che permettono di inviare al Browser del Client i tag HTML per formattare i testi fissi ma anche i testi variabili.
Infatti l'istruzione pc_client.print(var) inserisce il valore della variabile var ricavata per esempio dalla lettura di uno degli ingressi, come ad esempio analogRead(0) .  E' la funzione print che si occupa della trasformazione dei valori numerici in caratteri.
Ecco quindi la pagina che ho ottenuto:

Arduino analog input

Ingresso: A0: 412
Ingresso: A1: 403
Ingresso: A2: 364
Ingresso: A3: 320
Ingresso: A4: 309
Ingresso: A5: 270

Una cosa importante è ricordarsi di inserire nel programma citato sopra, il mac address, cioè il numero scritto su una label attaccata alla scheda Ethernet. Poi va inserito nel programma l'indirizzo IP del server. Questo viene assegnato dal access point e di solito ha queste cifre: 192.168.0.1.xxx. Gli xxx possono variare nel mio caso da 100 a 150.  Per avere un indirizzo valido si può usare il programma DhcpAddressPrinter contenuto negli esempi della Libreria Ethernet.

Trasmettere i dati su Internet

Un obiettivo che mi ero sempre posto d'avanti ma non osavo mai tentare di raggiungere, e' stato quello di usare Internet per trasmettere i dati rilevati dalle mie applicazioni con Arduino. Molte persone più esperte di me l'hanno già fatto e sulla rete c'è molto materiale sull'argomento. Però il mio timore è sempre stato quello di dover affrontare problemi difficili senza il necessario background culturale, non sapendo anche da dove partire per farmelo.  Grazie pero' a numerosi esempi postati da persone che hanno affrontato questi problemi, e soprattutto hanno fatto lo sforzo di spiegarli, sono riuscito nel mio intento e senza troppo sforzo.
Per prima cosa mi sono procurato una Ethernet Shield, scheda essenziale da accoppiare ad Arduino, se si vuole comunicare su Internet. Questo Shield è dotato di una presa RJ45 e di uno slot per introdurre una micro card SD, utile per la memorizzazione dei dati. Una volta inserito lo Shield su Arduino, si collega, con un cavo Ethernet (RJ45) alla porta di un access point. Io l'ho collegato allo "scatolotto" WiFi della mia rete domestica.  Fondamentale è la libreria EthernetLibrary che, assieme alle altre di Arduino, permette di far funzionare la scheda.
Per i primi programmi, consiglio vivamente il sito "www.logicaprogrammabile.it" di Marco Lai. Questo sito raccoglie moltissimi progetti ed esperimenti con Arduino, spiegati ed illustrati veramente bene. Infatti devo ringraziare lui se sono riuscito in poco tempo a fare qualcosa e soprattutto a capirla!!

In parole povere, la prima cosa da fare è scegliere se far funzionare la coppia Arduino/Ethernet Shield come Server o come Client. Per chi non sa queste cose, il Server è quel dispositivo che risponde alle chiamate di un Browser, come Explorer o Google Crome, inviando una pagina WEB. Il Client è invece il dispositivo che chiama il server inviando un URL (quella stringa di caratteri che inizia con http://...). Mi scusino gli esperti per questa spiegazione grossolana e incompleta, ma è esattamente quello che ho capito.  Quando parlo di dispositivo Server o Client, intendo un hardware (PC o scheda che sia) con un software sopra.  Quindi la coppia Arduino e Shield se funziona da Server, rimane in ascolto di un URL proveniente da un Client e risponde con una serie di stringhe che contengono caratteri e tag HTML. L'insieme di queste stringhe forma la pagina WEB che il Client si vedrà arrivare e presenterà sul Browser.  Nel prossimo post spiegherò come può il Server inserire i dati letti dalle porte di Arduino nella sua risposta al Client.

Capannina meteo economica

Cos'è una capannina meteo?  Una specie di bungalow dove si rifugia il meteorologo in vacanza? No, è una di quelle cose fondamentali usata per misurare correttamente la temperatura e l'umidità dell'aria. Infatti, se vogliamo che il nostro termometro o igrometro misurino la temperatura dell'aria e non la propria, bisogna schermarli dagli scambi radiativi con sorgenti esterne. Primo tra tutti il sole, che riscalda i corpi condensati ma non l'aria che è un gas. Secondo il cielo sereno di notte, che costituisce un pozzo freddo, capace di raffreddare i corpi condensati fino a temperature inferiori a quella dell'aria.
Una capannina meteorologica ha quindi il compito di schermare i nostri sensori dalla radiazione solare (visibile, onda corta) e notturne (infrarosso, onda lunga), ma nello stesso tempo deve permettere ai sensori di stare in equilibrio termico con l'aria. Quindi la capannina deve poter far passare più aria possibile al suo interno; certe volte addirittura è dotata di ventilatore.  In commercio ne esistono tante e di vario tipo, il costo è sicuramente superiore a quello degli stessi sensori e del sistema di acquisizione. Infatti oggi è possibile costruirsi da un sistema di misura meteorologico spendendo poco per la parte elettronica, mentre la parte più costosa è costituita da tutto ciò che è meccanico, vale a dire, l'anemometro, la capannina, il pluviometro a vaschetta basculante.
In questo post faccio vedere come, con il costo di una pizza+birra, è possibile costruirsi una capannina che soddisfa ai requisiti che ho spiegato su.
La parte meno costosa, ma anche più importante, è costituita da una confezione di piatti di plastica bianca, quelli un po' più robusti della media, spessore 0,5 mm. Io ho scelto un piatto quadrato, ma vanno bene anche quelli tondi, l'importante è che siano fondi.  I piatti di plastica hanno il vantaggio di essere leggeri e quindi reagiscono rapidamente ai cambiamenti di temperatura dell'aria. Lo svantaggio è ovviamente la fragilità, ma ho l'impressione che la capannina che ho costruito sia più robusta della apparenze, staremo a vedere!
Si incomincia con la foratura della "risma" di piatti, facendo 4 buchi da 5 mm per le viti di sostegno e un buco centrale da circa 30 mm che servirà a introdurre i sensori. Quest'ultimo può essere ottenuto usando una sega a tazza e un trapano a colonna. Attenzione alla velocità del trapano, perché la plastica può lacerarsi facilmente.  I piatti bucati appaiono come nella foto. Uno dei piatti, quello più in alto nella capannina, non avrà il buco centrale.

A questo punto si prendono 4 barre filettate di acciaio inox o ferro zincato (costa meno), 8 bulloni  con altrettante rondelle per ogni piatto. Si incomincia a fissare il piatto superiore, quello senza buco centrale, alle estremità delle barre. Gli altri piatti sono infilati successivamente e fissati con i bulloni ad una distanza di circa 3 cm l'uno dall'altro. Questa misura dipende essenzialmente da come sono fatti i bordi dei piatti. La distanza deve essere un buon compromesso tra una facile circolazione dell'aria e una buona barriera per i raggi solari.

Il numero di piatti da infilare è anche questo arbitrario. Solo quando avrò fatto alcune prove in pieno sole potrò dirvi cosa è meglio fare.
Finito di montare i piatti, ho preso un profilato di alluminio a sezione quadrata 2 x 2 cm e lungo un metro e l'ho fissato a due barre filettate sulla diagonale della capannina. Alle altre due barre ho fissato un pezzo di profilato più leggero che sarà a sua volta avvitato al profilato quadrato.

Il profilato da un metro serve a montare la capannina al palo verticale che normalmente sorregge tutti i sensori meteo, lo sbraccio di un metro è importante per non far interferire la capannina con il palo e gli altri sensori.
Il sensore di temperatura che ho usato (per ora manca quello di umidità) è costituito da un integrato DS18B20 collegato ad un cavetto due poli + schermo, sufficienti a fornire all'integrato GND, alimentazione +5 e linea dati I2C. Il sensore e il cavetto sono stati sigillati con un bagno di silicone liquido bianco.

Non mi resta ora che fare delle prove, misurando la temperatura in diverse condizioni di insolazione e vento. A presto conoscerete i risultati.

Misurare alte correnti con Arduino

Nel post precedente, parlando del metodo per controllare la corrente in un circuito, ho fatto vedere l'inserimento nel circuito di un sensore di corrente ad effetto Hall, il ACS715. Questo sensore restituisce una tensione di 133 mV per ogni Ampere che passa al suo interno. E' alimentato a 5 V e consente misure da 0 a 30 A.
Facilmente Arduino, utilizzando il suo input analogico, può misurare la tensione in uscita dal sensore e calcolare la corrente. Il problema sorge quando la corrente è pulsata, come quella usata nel circuito del mio precedente post. Il sensore è molto veloce, vale a dire che nel momento che Arduino lo interroga, potrebbe stare misurando la parte di onda quadra a 0 o quella a 5 V.  La risposta istantanea del sensore non è quindi adatta a misurare un valore medio della corrente, esattamente quello che invece darebbe un tester.
Ma questo inconveniente può essere superato con il software. Basta campionare la corrente qualche migliaio di volte al secondo e fare la media dei valori ottenuti.

Controllare carichi potenti!!

Mi sono posto il problema di usare Arduino per il controllo di dispositivi ad alto assorbimento di corrente, come ad esempio un ventilatore a 12 V o una lampada o una pompa.

Girando in rete ho visto diversi blog sull'uso dei MOSFET accoppiati ad Arduino. Il MOSFET, per chi non lo sapesse, è un componente elettronico attivo che funziona come un relè. Una piccola tensione in ingresso (piedino gate) riesce a chiudere un circuito (tra i due piedini Drain e Source) facendo passare correnti notevoli, anche di decine di Ampere.

Frugando nella scatola dei semiconduttori, ho trovato nel cassetto un MOSFET NDP405B della National, che può commutare una corrente fino a 12 A con una tensione di 12 V (144 W !!).  Va benissimo per il mio scopo che è quello di controllare dispositivi alimentati a 12 V, tipo quelli usati sulle autovetture.

Prima ho detto che il MOSFET funziona come un interruttore, quindi permette alla corrente di passare o non passare attraverso il dispositivo. Come puo' essere usato per farne passare una quantità voluta, tra 0 e il valore massimo?  Alcuni dispositivi come i motori o le lampade, hanno la prerogativa di reagire lentamente alla corrente pulsata (intermittente). Se per esempio alimentiamo un motore con una corrente che si interrompe ogni millisecondo, questo continuerà a girare, durante l'interruzione, come se fosse alimentato da una corrente continua, ma leggermente inferiore. Lo stesso dicasi per una lampada, anche quelle a LED, alimentate con corrente pulsata, ci appaiono emettere una luce continua a causa della reazione lenta della nostra retina (persistenza).  Quindi possiamo dire che alcuni dispositivi alimentati da corrente pulsata si comportano come se fossero alimentati da una corrente media, ricavata mediando i periodi di corrente "on" con quelli di corrente "off".  Variando quindi la lunghezza di questi periodi si possono ottenere tutti i valori di corrente media compresi tra 0 e il massimo.

In base a questa spiegazione, per raggiungere il nostro scopo di far passare una corrente media prefissata dentro al nostro carico, bisogna comandare il MOSFET con un treno di impulsi di durata voluta. In particolare, per il MOSFET NDP405B gli impulsi possono essere anche di 12 V di ampiezza. L'ideale è quindi inviare al Gate un'onda quadra  tra 0 e 12 V, con frequenza fissa, ma con la durata della semionda alta di lunghezza variabile a piacere.  La frazione di tempo in cui l'onda è alta rispetto al periodo è chiamata "Duty cycle". Arduino può produrre un'onda di questo genere, anche se fino a 5 V di ampiezza, usando l'uscita PWM e l'istruzione analogWrite(pin, value). L'onda quadra emessa, ha una frequenza di circa 490 Hz con un    duty cycle pari a value/255.  Value può andare da 0 (ampiezza media nulla) a 255 (ampiezza media 5V).

Per portare l'ampiezza dell'onda da 5 V a 12, come richiesto dal MOSFET, ho inserito nel circuito un transistor alimentato a 12 V, come nello schema qui sotto.

Nello schema si nota un altro componente, ACS715, inserito sulla linea di alimentazione del carico (Load). Questo componente serve a misurare la corrente. E' un dispositivo ad effetto Hall che consente ad Arduino di acquisire i dati di corrente. Ne parlerò in un prossimo post.

Monitoraggio ambientale: Radioattività all'aria aperta

Un contatore geiger autocostruito misura la radioattività di un minerale di Uranio a Novazza (BG).

Tempo fa, ho pubblicato, su questo blog, un Manifesto che propone la necessità che tutti partecipino al monitoraggio dell'ambiente.
A tal proposito, in questo post, parlo di una recente gita a Novazza, in provincia di Bergamo, sulle Alpi Orobie, dove in passato è stata scoperta, e si è tentato di sfruttare, una miniera di Uranio.
 In prossimità delle gallerie esplorative della miniera, sui sentieri aperti a tutti per magnifiche passeggiate in montagna, si trovano sassi con intrusioni di Uranite.  I contatori geiger, che ci siamo portati durante la gita, dimostrano in modo molto evidente livelli di radioattività elevati, dovuti essenzialmente alla radioattività naturale dell'Uranio.  I livelli, talvolta sopra le soglie di sicurezza, si riscontrano solo a pochi centimetri da alcune pietre, essenzialmente dovuti alla radioattività alfa e beta. E' pur vero però che questi sassi radioattivi sono abbandonati in giro e chiunque può prenderli e portarseli a casa con un certo rischio per la salute, specialmente se questi sono lasciati vicino alle persone, esempio su uno scaffale di libreria.

A fianco, uno scorcio primaverile del sentiero che corre vicino alla miniera di Novazza.

Sotto, il ghiaione sotto la miniera di Novazza dove è possibile trovare  molti frammenti con minerali di Uranio

Novazza in Val Seriana, Provincia di Bergamo