Sviluppo di un firmware per un sistema di sensing impedenziometrico a bassa potenza

Il progetto vuole realizzare un sistema ultra low power, in grado di monitorare variabili fisiche quali temperatura e conducibilità dell'acqua nelle profondità marine in autonomia, per una durata complessiva di due anni. Il salvataggio dei dati raccolti nel periodo di utilizzo avrà come fine ultimo lo studio dei cambiamenti climatici relativi all'ambiente marino. Volendo collocare il sistema di monitoraggio sul dorso di pesci o in profondità oceaniche non facilmente accessibili è necessario garantire dimensioni ridotte e un funzionamento autonomo duraturo al termine del quale sarà possibile scaricare i dati raccolti. Nel tentativo di rispettare la specifica relativa al ciclo di lavoro autonomo del sistema è stato importante adottare una politica rigorosa riguardante i consumi estremamente ridotti, senza però venir meno alle ulteriori specifiche di progetto, riportate in dettaglio nei paragrafi successivi. Dalla progettazione circuitale alla realizzazione del firmware, passando per una minuziosa scelta della componentistica a minor consumo, ho avuto la possibilità di dar vita all'intero progetto in autonomia, confrontandomi con tutti gli aspetti e le problematiche che la realizzazione di un simile progetto porta con se.

Electrically tunable piezoelectric bimorph cantilever for energy harvesting

Con la presente tesi viene esaminato un metodo per modificare la frequenza di risonanza di trasduttori piezoelettrici mediante applicazione di carichi elettrici esterni. L'elaborato inizia con la presentazione dei cristalli utilizzati nel lavoro di tesi, concentrandosi sul processo di fabbricazione di un bimorph cantilever impiegato come convertitore elettromeccanico di energia, la cui frequenza di risonanza è modellizzata analiticamente mediante la legge di Newton e il modello di Euler-Bernoulli. Su tale struttura vengono condotte misure mediante shaker elettrodinamico e analizzatore d'impedenza, ai fini di giusticare il modello analitico presentato. Con lo scopo di sincronizzare la frequenza di risonanza del cantilever con la vibrazione dell'ambiente per massimizzare la potenza disponibile, viene proposto un algoritmo MPPT secondo l'approccio Perturba e Osserva (P&O), al quale è fornita in ingresso la tensione efficace di un layer di materiale piezoelettrico. Valutare la sua risposta in tensione, presenta dei limiti applicativi che hanno portato a prendere in considerazione un approccio totalmente diff�erente, basato sullo sfasamento tra la tensione di un trasduttore piezoelettrico e il segnale di accelerazione impiegato come eccitazione. Misure sperimentali sono state condotte con l'obiettivo di validare l'efficacia di quest'ultimo approccio qualora si voglia sincronizzare la frequenza di risonanza dei piezo con segnali di vibrazione reali.

Progettazione di un circuito per il controllo delle correnti nelle batterie ricaricabili

La tesi in oggetto affronta il problema di realizzare un circuito per la gestione della corrente di una batteria ricaricabile. Il circuito esegue fasi di carica e scarica a corrente costante e programmabile. La batteria impiegata nel sistema è considerata carica a 5 V e scarica a 3 V. Un'alimentazione di 15 V viene fornita da una fonte esterna. Per la progettazione del circuito di carica, viene studiato il transitorio della batteria da 3 V a 5 V. Il circuito di scarica effettua invece il comportamento opposto, facendo fluire corrente dalla batteria, che decresce da 5 V a 3 V, con il flusso di potenza diretto verso l'alimentazione esterna. Entrambe le fasi vengono effettuate in maniera programmabile: variando la tensione di un MOSFET a canale p viene fornita la corrente costante scelta in un intervallo che varia da 100 mA a 5 A, come richiesto dalle specifiche di progetto. Per selezionare in quale modalità deve operare il circuito, si è utilizzata una rete a pass transistor. I convertitori posti a monte del circuito e la logica pass transistor sono stati impiegati nel circuito per la loro semplicità di impiego. Tali scelte, in un secondo momento, potranno esser riviste per impiegare soluzioni migliori e più efficienti. Il circuito realizzato soddisfa le specifiche di progetto.

Controllo ultra-low power di un modulatore back-scattering per applicazioni di localizzazione in sistemi RFID

In questa tesi viene elaborata un'applicazione ultra-low power (ULP) basata su microcontrollore, per implementare la procedura di controllo di diversi circuiti di un tag RFID. Il tag preso in considerazione è pensato per lavorare in assenza di batteria, da cui la necessita' di ridurre i consumi di potenza. La sua attivazione deve essere inoltre comandata attraverso un'architettura Wake up Radio (WuR), in cui un segnale di controllo radio indirizza e attiva il circuito. Nello specifico, la rete di decodifica dell'indirizzo è stata realizzata mediante il modulo di comunicazione seriale del microcontrollore. Nel Capitolo 1 verrà introdotto il tema dell'Energy Harvesting. Nel Capitolo 2 verrà illustrata l'architettura del sistema nel suo complesso. Nel Capitolo 3 verrà spiegato dettagliatamente il funzionamento del microcontrollore scelto. Il Capitolo 4 sarà dedicato al firmware implementato per svolgere le operazioni fondamentali imputate al micro per i compiti di controllo. Verrà inoltre introdotto il codice VHDL sviluppato per emulare l'output del modulo WuR mediante un FPGA della famiglia Cyclone II. Nel Capitolo 5 verrà presentata una stima dei consumi del microcontrollore in funzione dei parametri di configurazione del sistema. Verrà inoltre effettuato un confronto con un altro microcontrollore che in alcune condizioni potrebbe rappresentare iun'alternativa valida di progetto. Nei Capitoli 6 e 7 saranno descritti possibili sviluppi futuri e conclusioni del progetto. Le specifiche di progetto rilevanti della tesi sono: 1. minimo consumo energetico possibile del microcontrollore ULP 2. elevata rapidità di risposta per la ricezione dei tag, per garantire la ricezione di un numero maggiore possibile di indirizzi (almeno 20 letture al secondo), in un range di tempo limitato 3. generazione di un segnale PWM a 100KHz di frequenza di commutazione con duty cycle 50% su cui basare una modulazione in back-scattering.

Influenza delle condizioni di fornitura sul comportamento meccanico della lega di alluminio EN AW-5052 H39

ABSTRACT Il lavoro di tesi si basa sullo studio commissionato dall’azienda Pelliconi S.p.A di Ozzano dell'Emilia, specializzata nella produzione di tappi metallici per bottiglie. Questi tappi sono prodotti a partire da fogli sottili in lega di alluminio EN AW-5052 H39 e si necessita una ottimizzazione tecnico-economica nel settore della fornitura. L’obiettivo di questa tesi è analizzare le condizioni di fornitura della lega di alluminio EN AW-5052 H39 fornita da tre differenti fornitori (tra cui quello di riferimento) per stabilire quale di essi fornisca la lega più adatta al processo aziendale. L'elaborato è diviso in due parti, una compilativa ed una sperimentale. Nella prima, ci si occupa dei riferimenti normativi riguardanti le proprietà meccaniche delle leghe oggetto dello studio. Nella seconda, si introducono i materiali ed i metodi sperimentali utilizzati e si discutono i risultati ottenuti. A conclusione dello studio, si può affermare che, contrariamente a quanto imposto dalle specifiche aziendali e dalle normative sugli stati metallurgici di fornitura, tutti i laminati forniti mutano le loro proprietà a seguito del processo di laccatura subito dalle lamiere nel ciclo produttivo. Fra i tre fornitori, uno in particolare risulta fornire un materiale particolarmente suscettibile di variazione di proprietà a seguito di tale processo. Le ragioni di tale variazione sono legate alla composizione chimica ed alla microstruttura di questo laminato e dunque alle condizioni di fornitura del produttore.

Modellazione numerica del flusso e del trasporto per l’applicazione integrata di geotermia a bassa entalpia e bonifica

L’obbiettivo che si pone questo lavoro è quello di combinare in un unico impianto due tecnologie utilizzate per scopi differenti (impianto integrato): un impianto di climatizzazione geotermico a bassa entalpia di tipo open-loop ed un impianto di bonifica delle acque di falda di tipo Pump&Treat. Il sito selezionato per lo studio è ubicato in via Lombardia, nell’area industriale di Ozzano dell’Emilia (BO), ed è definito “Ex stabilimento Ot-Gal”: si tratta di una galvanotecnica con trattamento di metalli, dismessa alla fine degli anni ’90. Durante una precedente fase di caratterizzazione del sito condotta dalla ditta Geo-Net Srl, sono stati rilevati in falda dei superamenti delle CSC previste dal D.lgs. 152/2006 di alcuni contaminanti, in particolare Tricloroetilene (TCE) e 1.1-Dicloroetilene (1.1-DCE). Successivamente, nel 2010-2011, Geo-net Srl ha eseguito una parziale bonifica delle acque di falda attraverso l’utilizzo di un impianto Pump and Treat. Grazie a tutti i dati pregressi riguardanti i monitoraggi, le prove e i sondaggi, messi a disposizione per questo studio da Geo-Net Srl, è stato possibile eseguire una sperimentazione teorica, in forma di modellazione numerica di flusso e trasporto, dell’impianto integrato oggetto di studio. La sperimentazione è stata effettuata attraverso l’utilizzo di modelli numerici basati sul codice di calcolo MODFLOW e su codici ad esso comunemente associati, quali MODPATH e MT3DMS. L’analisi dei risultati ottenuti ha permesso di valutare in modo accurato l’integrazione di queste due tecnologie combinate in unico impianto. In particolare, la bonifica all’interno del sito avviene dopo 15 dalla messa in attività. Sono stati anche confrontati i costi da sostenere per la realizzazione e l’esercizio dell’impianto integrato rispetto a quelli di un impianto tradizionale. Tale confronto ha mostrato che l’ammortamento dell’impianto integrato avviene in 13 anni e che i restanti 7 anni di esercizio producono un risparmio economico.