Transmisia Datelor cu Sistemul Arduino

Capitolul 1: Introducere

1.1. Introducere în Mectronică

Fig 1.1 Mecatronică

Conceptul de mecatronică s-a născut Japonia la începutul deceniului al VIII-lea al secolului trecut. Termenul de “mecatronică” a fost brevetat de concernul Yaskawa Electric Co. și a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologicǎ: mecanicǎ-electronicǎ-informaticǎ.

Tot ceea ce numim azi un produs de înaltă tehnicitate, este în sine un produs mecatronic. Automobilul modern, mașinile-unelte cu comandă numerică, echipamentele periferice ale calculatoarelor, tehnica de telecomunicații, roboții, aparatura de cercetare, aparatura biomedicală, aparatura electrocasnică etc., sunt câteva exemple de produse mecatronice. Mecatronica este prezentă în toate domeniile de activitate, inclusiv în construcții și în agricultură.

Mecatronica s-a născut ca tehnologie și a devenit foarte curând filosofie care s-a răspândit în întreaga lume, valențele creatoare fiind confirmate în toate domeniile de activitate. Apariția mecatronicii este rezultatul firesc al evoluției în dezvoltarea tehnologică.

Coloana vertebrală a mecatronicii o constituie tehnologia mecanică, care s-a dezvoltat către mecanizare. Progresele în domeniul tehnologiei electronice, apariția circuitelor integrate, mici ca dimensiuni, ieftine și fiabile, au permis includerea electronicii în structurile mecanice. Se realizează astfel primul pas către integrare: integrarea electromecanică.

Următorul pas în integrare a fost determinat de apariția microprocesoarelor. Cu aceleași caracteristici constructive ca și circuitele integrate, microprocesoarele au putut fi integrate în structurile electromecanice realizate anterior. Microprocesoarele pot preleva informații privind atât starea externă, a mediului, cât si cea internă, putând prelucra și stoca aceste informații și luând decizii privind comportarea sistemului.

În opinia japonezilor, mecatronica este tehnologia mecanică cerută de societatea informațională, diferențiindu-se net superior de tehnologia tradițională, acolo unde elementele de bază erau materialul și energia. În mecatronică, acestor două elemente li se adaugă informația.

În tehnologia mecatronică informația este componenta dătătoare de ton. Această poziție a informației în raport cu materialul și energia este motivată de următoarele:

– informația asigură satisfacerea nevoilor spirituale ale omului

– numai informația asigură creșterea valorii nou adăugate a tuturor lucrurilor

– informația înseamnă cultură

Pe baza figurii 1.2, se pot analiza comparativ cele trei componente ale tehnologiei mecatronice. Comparația are în vedere originea resurselor, rezervele, cererea și ce înseamnă viața din punctul de vedere al celor trei elemente.

Fig. 1.2. Relația material-energie-informație în tehnologia mecatronică

Analiza motivează interesul manifestat în întreaga lume pentru promovarea acestei tehnologii. Este evident că, realizâd produse care înglobează multă informație, performanțele funcționale ale acestora cresc. În acest mod se conservă resursele de energie și material. Consumâd mai puțină energie și material se procesează mai puțin, deci poluarea este minimă. Rezultă astfel alte valențe ale tehnologiei mecatronice: este o tehnologie nedisipativă și mai puțin poluantă.

1.1.1. Mecatronica în practica și educația inginerească

Tehnologia mecatronică și principiile mecatronice în educație au condus la definirea filosofiei mecatronice. Pentru practica inginerească această filosofie a marcat saltul de la ingineria tradițională, secvențială, la ingineria simultană sau concurentă (paralelă).

În figura 1.3.a se prezintă modul de abordare în proiectarea tradițională iar în figura 1.3.b, proiectarea în mecatronică. În proiectarea tradițională controlul este „atașat” pe când în proiectarea mecatronică controlul este „integrat”.

În proiectare, încă din faza de concepție se are în vedere întregul. Lanțul cinematic informațional are o structură mult mai compactă. Interconectarea prin magistrale de date permite creșterea simțitoare a vitezei de prelucrare a informațiilor.

Educația mecatronică asigură flexibilitate în gândire și în acțiune , trăsături definitorii ale specialistului în economia de piață. Valențele creatoare ale mecatronicii au fost confirmate deopotrivă în educație, cercetare și în producție. Rezultatele economice ale țărilor dezvoltate sunt dovezi clare.

Fig.1.3. a) Proiectarea tradițională, b) Proiectarea în mecatronică

1.2. Introducere în Robotică

Unul din cele mai importante aspecte în evoluția ființei umane este folosirea uneltelor care să

simplifice munca fizică. În această categorie se înscriu și roboții care ocupă totuși o poziție privilegiată datorită complexității lor.

Noțiunea de robot datează de peste 4000 de ani. Omul și-a imaginat dispozitive mecanizate și inteligente care să preia o parte din efortul fizic depus. Astfel a construit jucării automate și mecanisme inteligente.

Revoluția informatică a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea avansată informatizată generând un val de înnoiri în tehnologie și în educație. Acest lucru a dus și la apariția roboților.

Termenul "robot" a fost folosit in anul 1920 de către cehul Karel Capek într-o piesă numită "Robotul universal al lui Kossum". Ideea era simplă: omul face robotul după care robotul ucide omul. Multe filme au continuat să arate că roboții sunt mașinării dăunătoare și distrugătoare.

Revoluția informatică a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea avansată informatizată generând un val de înnoiri în tehnologie și în educație permițând construirea roboților.

Roboții aduc beneficii substanțiale industriilor, muncitorilor, si implicit țărilor. În situația folosirii în scopuri pașnice, roboții industriali pot influența pozitiv calitatea vieții oamenilor prin înlocuirea acestora în spații periculoase, cu condiții de medii dăunătoare omului, cu condiții periculoase de exploatare etc.

1.3. Introducere in microcontrolere

Circumstanțele în care ne găsim astăzi în domeniul microcontrolerelor și-au avut începuturile în

dezvoltarea tehnologiei circuitelor integrate. Această dezvoltare a făcut posibilă înmagazinarea a sute de mii de tranzistoare într-un singur cip. Aceasta a fost o premiză pentru producția de microprocesoare, și primele calculatoare au fost făcute prin adăugarea perifericelor ca memorie, linii intrare-ieșire,timer-i și altele. Următoarea creștere a volumului capsulei a dus la crearea circuitelor integrate. Aceste circuite integrate conțin atat procesorul cât și perifericele. Așa s-a întamplat cum primul cip conținând un microcalculator, sau ce va deveni cunoscut mai târziu ca microcontroler a luat ființă.

1.3.1. Ce este un microcontroler?

La modul general un controler ("controller" – un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este o structură electronică destinată controlului unui proces sau, unei interacțiuni cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman. Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI ) și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "străluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate scazută calitativ. Apariția și utilizarea microprocesoarelor a dus la o reducere foarte mare a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire vizibilă a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.

Pe măsură ce procesul de miniaturizare a continuat, a fost posibil ca majoritatea componentelor necesare realizării unei astfel de structuri să fie încorporate (integrate) la nivelul unui singur microcircuit (cip). Astfel că un microcontroler ar putea fi descris ca fiind și o soluție a problemei controlului cu ajutorul a unui singur circuit.

Un microprocesor de uz general este desemnat prin MPU (MicroProcessor Unit), un microcontroler este, de regulă, desemnat ca MCU, deși semnificația inițială a acestui acronim este MicroComputer Unit.

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Resursele integrate la nivelul microcircuitului trebuie să includă următoarele componente:

– o unitate centrală (CPU), cu un oscilator intern pentru ceasul de sistem

– o memorie locală tip ROM/PROM/EPROM/FLASH și eventual una de tip RAM

– I/O – intrări/ieșiri numerice (de tip port paralel)

– un sistem de întreruperi

– un port serial de tip asincron și/sau sincron, programabil

– un sistem de timere-temporizatoare/numărătoare programabile

Este posibil ca la acestea să fie adăugate, la un preț de avantajos, caracteristici specifice sarcinii de control care trebuie îndeplinite:

– un sistem de conversie analog numerică (una sau mai multe intrari analogice)

– un sistem de conversie numeric analogic și/sau ieșiri PWM (cu modulare în durată)

– un comparator analogic

– o memorie de date nevolatilă de tip EEPROM

– facilități suplimentare pentru sistemul de temporizare/numărare (captare și comparare)

– un ceas de gardă (timer de tip watchdog)

– facilități pentru optimizarea consumului

Un microcontroler tipic mai are, la nivelul unității centrale, facilități de prelucrare a informației la nivel de bit, de acces direct și ușor la intrări/ieșiri și un mecanism de prelucrare a întreruperilor rapid și eficient.

Utilizarea unui microcontroler constituie o soluție prin care se poate reduce dramatic numărul componentelor electronice dar și costul proiectării și al dezvoltării unui produs.

Utilizarea unui microcontroler, oricât de evoluat, nu elimină unele componente ale interfeței cu mediul exterior (atunci când ele sunt chiar necesare): subsisteme de prelucrare analogică (amplificare, redresare, filtrare, protecție-limitare), elemente pentru realizarea izolării galvanice (transformatoare, optocuploare), elemente de comutație de putere (tranzistoare de putere, relee electromecanice sau statice).

1.3.2. Unde sunt utilizate microcontrolerele?

Aplicațiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria sistemelor încapsulate-integrate (“embedded systems”), la care existența unui sistem de calcul incorporat este aproape transparentă pentru utilizator.

Pentru ca utilizarea lor este de foarte ori sinonimă cu ideea de control, microcontrolerele sunt utilizate mfoarte mult în robotică și mecatronică. Conceptul de mecatronică este pană la urmă indisolubil legat de utilizarea microcontrolerelor.

Automatizarea procesului de fabricație-producție este un alt mare beneficiar: CNC Computerised Numerical Controls- comenzi numerice pentru mașinile unelte, automate programabile- PLC, linii flexibile de fabricație, etc.). Indiferent de natura procesului automatizat, sarcinile specifice pot fi distribuite la un mare număr de microcontrolere integrate într-un sistem unic prin intermediul uneia sau mai multor magistrale. Printre multele domenii unde utilizarea lor este practic un standard industrial se pot menționa: în industria de automobile (controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoză, sisteme de alarmă, etc.), în electronică de consum (sisteme audio, televizoare, camere video, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri electronice, etc.), în aparatura electrocasnică (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), în controlul mediului și climatizare (sere, locuințe, hale industriale), în industria aerospațială, în mijloacele moderne de măsurare – instrumentație (aparate de măsură, senzori și traductoare inteligente), la realizarea de periferice pentru calculatoare, în medicină.

„Johnnie” (figura 1.4) un robot umanoid, construit la Universitatea Tehnică din Munchen în 1998, utilizează 5 microcontrolere, conectate cu ajutorul unei magistrale CAN la un calculator PC. „Alpha” un alt robot umanoid (fotbalist ca destinație) dezvoltat la Universitatea din Freiburg utilizează, intr-o variantă a sa, 11 microcontrolere conectate similar. Un număr foarte mare de microcontrolere sunt folosite și de așa zisele jucării inteligente, din care „capetele de serie” cele mai cunoscute sunt cei doi roboți, unul canin și altul umanoid: AIBO (figura 1.6) și ASIMO (figura 1.5). ASIMO folosește 26 de microcontrolere numai pentru controlul individual al celor 26 de elemente de acționare inteligente (motoare). Tot în categoria roboților umanoizi intra și QRIO sau HOAP-1. Roboții respectivi sunt produși în serie, unii dintre ei chiar la un preț „accesibil”.

Ca un exemplu din industria de automobile (automotive industry), la nivelul anului 1999, un BMW seria 7 utiliza 65 de microcontrolere, iar un Mercedes din clasa S utiliza 63 de microcontrolere.

Practic, deși am prezentat ca exemple concrete numai sisteme robotice și mecatronice, este foarte greu de găsit un domeniu de aplicații în care să nu se utilizeze microcontrolerele.

Fig. 1.4. Johnnie Fig. 1.5. Asimo

Fig. 1.6. Aibo

1.4. Tema proiectului

Această lucrare se concentrează pe construcția, descrierea, utilizarea și programarea unui braț robotic pentru sudare, fiind comandat cu ajutorul semnalelor DTMF.

Brațul robotic este dotat cu două servomotoare, un led roșu care ține locul aparatului de sudură, placa de programare Arduino UNO și un receptor integrat MT8870DE pentru realizarea conversiei semnalelor DTMF.

Brațul robotic se poate comanda prin intermediul semnalelor DTMF pentru operațiile de sudare cu ajutorul telefoanelor mobile sau cele prin satelit.

Capitolul 2: Sistemul Arduino

2.1. Notiuni generale

Arduino este o platformă de procesare open-source, bazată pe software și hardware flexibil și simplu de folosit. Constă într-o platformă de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – în cea mai des intâlnită variantă) construită în jurul unui procesor de semnal și este capabilă de a prelua date din mediul înconjurător printr-o serie de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, și alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze un cod scris într-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++.

Ce este cu adevărat interesant este ecosistemul dezvoltat in jurul Arduino. Vorbim aici atât despre comunitatea care este foarte activa, cât și despre numărul impresionant de dispozitive create special pentru Arduino.

Câteva exemple de senzori disponibili – senzori de distanță (capabili să măsoare de la câțiva centimetri până la 7-9 metri),senzori de sunet, senzori de câmp electromagnetic, senzori de fum, senzori de tip GPS, senzori de tip giroscopic, senzori de flux lichid (ca cei folosiți la pompele de benzină), senzori de temperatură, senzori de monoxid de carbon, senzori de lumină, senzori capabili să detecteze doar o anumită culoare, senzori de prezență, senzori de umiditate, senzori de nivel pentru lichid, senzori capabili sa măsoare concentratia de alcool în aerul expirat. Pentru a efectua acțiuni asupra mediului înconjurator, există o largă varietate de motoare, servomotoare, motoare pas cu pas, led-uri, actuatoare. Ca și conectivitate, există disponibile componente capabile sa conecteze Arduino la rețeaua Ethernet (“Ethernet Shield”), componente pentru rețea wireless, componente capabile să realizeze conectare pe rețeaua de date GSM / 3G, sau componente de tip XBEE utile pentru a realiza comunicații de tip personalizat.

Platforma Arduino este disponibilă într-o serie de variante, fiecare cu diferite capabilități și dimensiuni.

2.2. Tipuri de plăci Arduino

A. Arduino Uno

Aceasta este cea mai recenta placă de dezvoltare de la Arduino. Se conectează la computer prin intermediul cablului USB standard A-B și conține tot ceea ce ai nevoie pentru a programa și utiliza placa. Acestuia i se poate adăuga o varietate de Shild-uri (placă cu caracteristici speciale, specifice unor tipuri de aplicații). Este similar cu Duemilanove, dar are un chip diferit USB-to-serial – ATMega8U2, și cu un design nou de etichetare pentru a identifica mai ușor intrările și ieșirile.

Fig. 2.1.1. Arduino Uno(față) Fig.2.1.2. Arduino Uno(spate)

B. Duemilanove

Arduino Duemilanove este o platformă de procesare bazată pe microcontrolerul ATmega168 sau ATmega328. Are 14 pini de intrări/ieșiri digitale.

LED: 13. Există un LED încorporat în placă, conectat la pinul 13. Cand valoarea pe pin este HIGH, LEDul este aprins, când valoare este LOW, LEDul este stins.

Placa Arduino UNO are 6 intrări analogice, denumite dela A0 la A5, fiecare oferă o rezoluție de 10 biți. Implicit, ieșirile măsoară de la masa la 5v, deși este posibil ca limita superioară să fie schimbată cu ajutorul pinului AREF si funcția analogReference().

Fig. 2.2.1. Arduino Duemilanove(față) Fig. 2.2.2. Arduino Duemilanove(spate)

C. Mini

Aceasta este cea mai mica placa de dezvoltare de la Arduino. Aceasta functioneaza bine intr-un breadboard sau pentru aplicatii in care spatiul este limitat. Se conecteaza la calculator prin intermediul unui cablu mini USB Adapter.

Fig. 2.3.1. Arduino Mini(față) Fig. 2.3.2. Arduino Mini(spate)

D. Mega 2560

Este o versiune a modelului Mega lansat cu Uno, această versiune dispune de Atmega2560, care are de două ori mai mult spațiu pentru memorie, și folosește 8U2 ATMega pentru comunicare USB-to-serial.

Fig. 2.4.1. Arduino Mega 2560(față) Fig. 2.4.2. Arduino Mega 2560(spate)

E. Mini

O placă de dezvoltare compactă proiectată pentru utilizarea pe un breadboard. Nano se conectează la computer utilizând un cablu USB Mini-B.

Fig. 2.5.1. Arduino Nano(față) Fig. 2.5.2. Arduino Nano(spate)

F. Pro

Acestă placă de dezvoltare este concepută pentru utilizatorii avansați care doresc să încorporeze această placă într-un proiect: este mai ieftin decât un Diecimila și ușor de alimentat la o baterie, dar necesită componente suplimentare și asamblare.

Fig.2.6.1. Arduino Pro(față) Fig.2.6.2. Arduino Pro(spate)

G. LilyPad

Proiectat pentru aplicații ușor de implementat pe materiale textile, acest microcontroler poate fi cusut pe țesătură și are o culoare atrăgătoare, mov.

Fig. 2.7.1. Arduino LilyPad(față) Fig.2.7.2. Arduino LilyPad(spate)

H. Fio

Proiectată pentru aplicații fără fir. Acesta are inclusă o priză dedicată pentru un modul radio Wi-Fi XBee, un conector pentru o baterie Li Polymer și circuite integrate de încărcare a bateriei.

Fig. 2.8.1. Arduino Fio(față) Fig. 2.8.2. Arduino Fio(spate)

I. Pro Mini

La fel ca la Pro, Pro Mini este conceput pentru utilizatorii avansați care au nevoie de un cost scăzut, plăci de dezvoltare mici și care sunt dispuși să facă ceva lucru suplimentar pentru a o putea utiliza în proiecte.

Fig. 2.9.1. Arduino Pro Mini(față) Fig. 2.9.2. Arduino Pro Mini(spate)

J. Serial

Este o placă de dezvoltare, care utilizează ca interfață un RS232 (COM) la un calculator pentru programare sau de comunicare. Acestă placă este ușor de asamblat, chiar ca un exercitiu de învățare. (Inclusiv scheme și fișiere CAD)

Fig. 2.10.1. Arduino Serial(față) Fig. 2.10.2. Arduino Serial(spate)

K. Leonardo DIACRITICE!

Arduino Leonardo este bazat pe un microcontroler ATMega32u4. Are 20 de pini digitali dintre care 7 se pot folosi pentru iesiri PWN si 12 ca pini analogici de intrare, un oscilator din cristal de 16 MHz, un port micro USB, mufă de alimentare și un buton de reset.

Arduino Leonardo este diferit de celelalte plăci arduino deoarece ATMega32u4 are conexiune USB incorporată, eliminând necesitatea unui procesor secundar. Aceasta permite vizibilitatea placii de dezvoltare Leonardo sa apară ca un mouse sau o tastatură.

Fig. 2.11.1. Arduino Leonardo(față) Fig. 2.11.2. Arduino Leonardo(spate)

2.2 Placa de dezvoltare Arduino Uno

2.2.1. Prezentare generală

Fig. 2.12. Prezentare generală

Arduino Uno este o placă de procesare bazată pe microcontrolerul ATmega328. Are 14 pini de intrări\ieșiri digitale (din care 6 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un cristal oscilator de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, un ICSP, și un buton de resetare. Aceasta conține tot ceea ce este necesar pentru a ajuta la funcționarea microcontrolerului; pur și simplu conectați la un computer cu un cablu USB sau alimentați la un adaptor AC-DC sau baterie pentru a începe.

Uno diferă de toate plăcile precedente, în sensul că nu folosește chip driver FTDI USB la un serial. În schimb, este dotat cu Atmega8u2 programat ca și convertor USB.

"Uno" înseamnă unu în limba italiană și este numită pentru a marca lansarea viitoare a Arduino 1.0. Uno și versiunea 1.0 vor fi versiunile de referință Arduino, pentru a avansa. Uno este ultima dintr-o serie de plăci Arduino USB, și modelul de referință pentru platforma Arduino.

2.2.2. Caracteristici

2.2.3. Alimentare

Arduino Uno poate fi alimentat prin intermediul conexiunii USB sau cu o sursă de alimentare externă. Sursa de alimentare este selectată automat.

Sursele externe de alimentare (non-USB) pot fi, fie un adaptor AC-DC sau baterie. Adaptorul poate fi conectat printr-un conector de 2.1mm cu centru-pozitiv în mufa de alimentare de pe placă. Traseele de la baterie pot fi introduse în pinii GND și V-in ai conectorului de alimentare.

Placa poate funcționa cu o sursă externă de 6-20 volți. Dacă este alimentată cu mai puțin de 7V, atunci pinul de 5V scoate o tensiune mai mica de 5V și placa poate deveni instabilă. Dacă se utilizează mai mult de 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și deteriora placa. Intervalul recomandat este de 7-12 volți.

Pinii de putere sunt după cum urmează:

– V-IN. Tensiunea de intrare la placa Arduino atunci când folosește o sursă de alimentare externă (spre deosebire de 5 volți de conexiune USB sau o altă sursă de energie regulată). Se poate alimenta prin acest pin sau dacă este folosită alimentarea prin conectorul de alimentare atunci tensiunea poate fi accesată din acel pin.

– 5V. Tensiunea de alimentare folosită pentru microcontroler și alte componente de pe placă.Aceasta poate veni fie din pinul V-IN printr-un regulator de tensiune încorporat, sau să fie furnizată de către USB sau o altă sursă de tensiune de 5v .

– 3V3. O tensiune de 3.3V generată de către regulatorul de pe placă.

– GND. Pinii de masă.

2.2.4. Memoria

ATMega328 are 32 KB (cu 0,5 KB utilizate pentru bootloader). Ea are, de asemenea, 2 KB de SRAM și 1 KB de EEPROM (care poate fi citit și scris cu biblioteca EEPROM).

2.2.5. Intrări și ieșiri

Fiecare din cei 14 pini digitali pot fi utilizați ca intrare sau ieșire, folosind funcțiile pinMode (), digitalWrite (), și digitalRead ().Aceștia funcționează la 5 volți. Fiecare pin poate oferi sau primi un maxim de 40 mA și are un rezistor de siguranță (deconectat implicit) de 20-50 kOhms. În plus, unii pini au funcții particulare:

-Serial: 0 (RX) și 1 (TX). Folosit pentru a primi și transmite date seriale TTL. Acești pini sunt conectați la pinii corespunzători ai cipului ATMega8U2 USB-TTL;

-Întreruperile externe: 2 și 3. Acești pini pot fi configurați pentru a declanșa o întrerupere pe o valoare scăzută, o limită crescătoare sau descrescătoare, sau o schimbare în valoare.

-PWM: 5, 6, 9, 10, și 11. Oferă o ieșire PVM de 8 biți cu funcția analogWrite().

-SPI:10 (SS), 11 (Mosi), 12 (MISO), 13 (SCK). Acești pini suportă comunicația SPI folosind biblioteca SPI.

-LED: 13. Există un LED încorporat în placă, conectat la pinul 13. Când valoarea pe pin este HIGH, LED-ul este aprins, când valoarea este LOW, LED-ul este stins.

Placa Arduino UNO are 6 intrări analogice, denumite de la A0 la A5, fiecare oferă o rezoluție de 10 biți. Implicit, ieșirile măsoară de la masa la 5V, deși este posibil ca limita superioară să fie schimbată cu ajutorul pinului AREF și funcția analogReference(). În plus, unii pini au funcționalități specializate:

-I2C:A4 (SDA) și A5 (SCL). Suportă comunicare I2C folosind librăria Wire.

Mai există câțiva pini pe placă:

-AREF. Tensiune de referință (numai de la 0 la 5V) pentru intrările analogice. Folosit cu funcția analogReference().

-Reset. Aduce linia la zero pentru a reseta microcontrolerul. De obicei folosit pentru a adauga un buton de reset Shield-urilor care blochează acțiunea celui de pe placă.

2.2.6. Harta pinilor – ATMega 328

Fig. 2.13. Descrierea pinilor microcontrolerului ATMega328

2.2.7. Comunicația

Arduino UNO are câteva posibilități de comunicare cu un calculator, o altă placă Arduino sau un alt microcontroler. Microcontrolerul ATMega328 furnizează comunicație serială UART TTL (5V) care este disponibilă pe pinii digitali 0(RX) și 1(TX). Un microcontroler ATMega8U2 direcționează comunicația serială către USB și apare ca un port serial virtual în software-ul de pe calculator. Firmware-ul microcontrolerului folosește driverele standard ale portului USB al calculatorului și nu este nevoie de un driver din exterior. Software-ul Arduino este prevăzut cu o fereastră care permite preluarea și trimiterea de date de tip text de la placa Arduino. LEDurile corespunzătoare semnalelor RX și TX de pe placă vor pâlpâi când informația este trimisă prin portul USB către cipul serial prin intermediul unei conexiuni USB cu calculatorul (dar nu pentru comunicația serială de pe pinii 0 și 1).

O bibliotecă a programului (SoftwareSerial) permite comunicația serială pentru oricare dintre pinii placii. Microcontrolerul ATmega328 suportă, de asemenea comunicație I2C (DST) și SPI. Software-ul Arduino include o bibliotecă de conexiuni (wire library) pentru a simplifica utilizarea portului I2C.

2.2.8. Programare

Arduino uno poate fi programată cu software-ul Arduino. Selectați "Arduino Uno din meniul Tools Board (în conformitate cu microcontrolerul de pe placă).

Microcontrolerul Atmega328 de pe placa Arduino Uno vine cu un program de butare (bootloader) care vă permite încărcarea unui program nou fără a utiliza un compilator extern. Acesta comunică folosind protocolul STK500 original.

Se poate evita, de asemenea, bootloader –ul și, microcontrolerul se poate programa prin ICSP (In-Circuit Serial Programming).

Codul sursă al Firmware –ul microcontrolerului ATMega8U2 este disponibil, el este încărcat cu un program de butare DFU care poate fi activat cu ajutorul unui jumper de pe spatele placii, ATMega8U2 fiind resetat. Apoi se pot folosi programele Atmel’s FLIP (windows) sau DFU (Mac si Linux) pentru a încărca un nou firmware.

2.2.9. Resetarea automată (Software)

Pentru a nu fi nevoie de resetarea manuală, înainte de încărcarea unui program, Arduino Uno este proiectată astfel încât îi permite sa fie resetată de către software, atunci când este conectată la calculator. Una dintre liniile de control a funcționării hardware (DTR) a microcontrolerului Atmega8U2 este conectata la linia de reset al microcontrolerului Atmega328 printr-un condensator de 100 nanofarad. Atunci când această linie este activată, linia de reset este activă suficient de mult timp pentru a reseta microcontrolerul. Software-ul Arduino folosește această capacitate pentru a vă permite să încărcați un cod prin simpla apăsare a butonului de încărcare din mediul de programare Arduino. Acest lucru înseamnă că bootloader-ul are o perioadă scurtă de pauză.

Această configurare are alte implicații. Când Uno este conectată fie la un computer pe care rulează fie un sistem de operare Mac OS X sau Linux, aceasta se resetează de fiecare dată când o conexiune este realizată între ea și software (prin USB). Pentru următoarele jumătăți de secundă sau așa ceva, aplicația bootloaderul rulează pe Uno. Deși este programat să ignore date necorespunzătoare (adică nimic în afară de o încărcare a noului Cod), se vor intercepta primii biți din datele trimise către placă după ce conexiunea este deschisă.

Uno conține un traseu care poate fi înterupt pentru a dezactiva resetarea automată. Zonele de pe fiecare parte a traseului înterupt pot fi lipite pentru a activa din nou resetarea automată. Traseul este denumit ”RESET_EN”. O altă modalitate de a dezactiva resetarea automată este prin a conecta un rezistor de 110 ohm între linia de 5V și linia de reset.

2.2.10. Protecția la suprasarcină a portului USB

Arduino Uno are o siguranță resetabilă care protejează porturile USB ale computerului de scurtcircuit și suprasarcină. Deși majoritatea calculatoarelor au protecție internă proprie, siguranța oferă o protecție suplimentară. Dacă un curent mai mare de 500 mA trece prin portul USB, siguranța va întrerupe în mod automat conexiunea până la îndepărtarea suprasarcinii sau scurtcircuitului.

2.2.11. Caracteristici fizice

Lungimea și lățimea maximă a plăcii este de 6.8 cm respectiv 5.3 cm, cu conectorul USB și conectorul de alimentare care ies din dimensiunile plăcii. Patru orificii de șurub care permite plăcii să fie atașată la o suprafață sau carcasă. Distanța dintre pinii 7 și 8 este de 160 mm.

Fig. 2.14. Dimensiunile plăcii Arduino Uno

Fig. 2.15. Schema electrică a plăcii Arduino

Capitolul 3: Transmisia Datelor

3.1. Noțiuni generale

Debutul telecomunicațiilor electrice se face în secolul XIX, în contextul expansiunii industriale și al modernizării mijloacelor de transport. Transmisia numerică(telegraful) a precedat, in general, transmisia analogică, cu mult mai delicată. Foarte curând, mijloacele de telecomunicații străbat frontiere, traversează oceane și unesc continente. Vehicularea informației devine de importanță planetară. Istoria telecomunicațiilor este o adevărată aventură umană.

3.1.1. Scurtă istorie

– În 1837, Samuel Morse inventează un sistem de transmisie ce codifică cifrele și literele alfabetului. Codul său (încă utilizat) ține cont de frecvența relativă de apariție a literelor în limba engleză în vederea optimizării timpului de transmisie al unui mesaj. Din acest punct de vedere el este nu numai un precursor al telegrafului ci și al teoriei codurilor.

– Cu prețul unor eforturi tehnice și financiare considerabile, primul cablu transatlantic este instalat. El permite transmisia telegrafică foarte lentă intercontinentală. Funcționează doar o singură lună, un defect de izolație făcându-l inutilizabil. Un altul îl va înlocui in 1866.

Legătura telegrafică între Londra și Calcutta(India) pe o distanță ce totalizează 11000 km se realizează in 1870.

– Alexander Graham Bell depunde (cu câteva ore înaintea lui Elisha Gray) un brevet cu privire la posibilitatea transmisiei eletrice a sunetelor cu ajutorul unei rezistențe variabile. Invenția lui Bell marchează debutul telefoniei.

Fig. 3.1. Telegraf vorbitor.

– În 1896, Guglielmo Marconi reușește o transmisie radio demonstrativă. Mesajul Morse a fost recepționat la o distanță de două mile. El utilizează pentru acest experiment antena aeriană a inginerului rus Popov. În același an Marconi își brevetează receptorul sub titlul “Îmbunătățiri în transmisia impulsurilor electrice și a semnalelor electrice”.

– Guglielmo Marconi reușește o transmisie telegrafică între Anglia și Franța, peste Canalul Mânecii, la 28 martie 1901. Doi ani mai târziu, Guglielmo Marconi transmite prima telegramă peste ocean folosind undele radio, între Anglia(Poldhu, Cornwall) și Statele Unite(St. John's, Newfoundland) 1700 de mile. Laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în anul 1909 împreună cu Karl Ferdinand Braun, pentru contribuțiile lor in dezvoltarea telegrafiei fără fir.

– J. L. Baird face la Londra, prima demonstrație publică de televiziune monocronă(30 de linii de exploatare și 10 cadre/secundă)

– În anul 1953, în S.U.A. încep emisiunile oficiale de televiziune în culori în sistemul NTSC.

– La 4 octombrie 1957 este lansat de către fosta U.R.S.S. primul satelit artificial al Pământului. De forma unei sfere cu diametrul de 58 cm, (ianuarie 1958) a reintrat în atmosfera și s-a autodistrus.

– În anul 1966, în Anglia se fac teste de laborator pentru transmisia datelor prin fibră optică.

– 1969 este anul în care S.U.A., la inițiativa Departamentului Apărării este realizată prima rețea de calculatoare(au fost interconectate 4 echipamente de calcul din statele Utah și California). Această rețea, denumită ARPANET și pusă la punct de Advanced Research Projects Agency este considerată ca fiind precursoarea Internet-ului.

– Stația automată interplanetară Pioneer 10(S.U.A.) transmite imagini color ale planetei Jupiter în anul 1972. În 1975 a furnizat date despre Saturn (1,5 miliarde de kilometri) iar în 1979 a transmis informații din apropierea planetei Uranus(3,2 miliarde de kilometri).

– În 1981 apar in S.U.A. primele telefoane mobile(analogice), ce utilizează inițial, banda de 800 MHz și ulterior pe cea de 1900 MHz. Este lansat conceptul de Personal Communications Systems – PCS. În Europa benzile alocate sunt de 900 și respectiv 1800 MHz.

3.2. Tipuri de semnale

Noțiunea de semnal este o noțiune centrală în electronică și telecomunicații. Un semnal este o mărime fizică purtătoare de informație. Cel mai adesea, este o funcție scalară de variabilă în timp, ca în exemplele uzuale următoare:

– Tensiunea sau curentul furnizate de un traductor de temperatură

– Tensiunea de la intrarea unui amplificator de putere

– Tensiunea de la ieșirea modulului tuner radio

– Tensiunea de la bornele microfonului

– Câmpul electromagnetic produs în antena telefonului mobil (la emisie sau la recepție)

– Poziția acului la un aparat indicator cu ac

– Presiunea aerului în sistemele pneumatice de măsurare și comandă a proceselor (se folosește în mediile cu potențial de explozie)

– Poziția deschis-închis a releului electromagnetic cu care se comandă funcționarea centralei termice

– Succesiunea de valori afișate de ecranul unui voltmetru digital (numeric)

– Poziția pedalei de accelerație, transmisă către carburator

În general se folosește semnalul în varianta înregistrată (memorată), în scopul reconstituirii informației inițiale sau în scopul prelucrării. Exemple:

– Înregistrarea vocii pe bandă de magnetofon

– Înregistrarea vocii de pe un CD

– Înregistrarea numerică a tensiunii afișate pe ecranul osciloscopului

– Înregistrarea numerică a vitezei vântului într-un punct

– Înregistrarea cursului valutar pe un interval de timp

Există și alte variante de semnale, cu alte variabile sau altă dimensiune a funcției, cum ar fi:

– Denivelarea unui material aproape plan, măsurată în lungul unei axe (funcție scalară de variabilă

spațială)

– Semnalul de temperatură, în grosimea unui perete (funcție scalară de timp și de spațiu)

– Imaginea dată de o cameră de luat vederi (funcție scalară de două variabile spațiale)

– Secvența de imagini date de aceeași cameră (funcție scalară, de timp și de două variabile spațiale)

– Semnalul vocal stereo (două funcții scalare de variabila timp, care formează o funcție vectorială de variabila timp)

– Semnalele de tensiune de la ieșirea unui traductor de înclinare față de verticală (funcție vectorială de variabila timp)

Proprietățiile pe care trebuie să le îndeplinească o mărime fizică pentru a purta informația (implicit: pentru a fi folosită ca semnal) sunt:

– Să poată fi prelucrată (adică să poată fi depusă informație, să se poată extrage informație și să se poată aduce modificări informației purtate de acea mărime)

– Să poată fi transmisă la distanță

– Să fie puțin afectată de perturbații

Deși nu este necesară întotdeauna, este foarte utilă o altă proprietate: posibilitatea semnalului de a fi

memorat. Tehnica numerică a simplificat enorm problema memorării.

Mărimile folosite ca semnale sunt:

– Tensiunea electrică (vezi semnalul de microfon etc.)

– Curentul electric (vezi ieșirea unor traductoare)

– Deplasarea mecanică (vezi pedala de accelerație)

– Presiunea aerului (vezi comanda pneumatică)

Semnalul în deplasare este folosit în unele sisteme mecanice simple. Semnalul în presiune este folosit în automatizarea sistemelor cu pericol de explozie (ex: petroliere). Semnalul în curent este folosit în transmiterea semnalelor de la traductoare, pe distanțe mari, în medii perturbate (este mai puțin afectat de perturbațiile prin inducție, decît semnalul în tensiune). Semnalul în tensiune este folosit în tehnica audio, video, echipamente de automatizare, măsurări electronice, comunicații, radio etc. Este cel mai potrivit pentru prelucrarea analogică (dacă prelucrarea este numerică, nu mai are importanță mărimea fizică din care a provenit semnalul numeric supus prelucrării).

Exemple de prelucrări ale semnalelor:

– Filtrare pentru eliminarea zgomotului

– Transmitere la distanță

– Extragerea semnalului util din transmisiunea radio

– Separarea a două surse de informație

– Compresia și criptarea transmisiunilor

– Afișarea și măsurarea poziției obstacolelor cu sonar, radar, ecograf (imagine)

– Recunoașterea obiectelor din imagine

– Măsurare directă sau prin model

3.2.1. Semnale analogice și numerice (digitale)

Forma sub care se prezintă semnalele depinde de natura mărimii și de scopul în care folosim semnalul. Din punctul de vedere al continuității în timp și în valori, folosim două variante:

– Semnal analogic (continuu în timp și în valori)

– Semnal numeric (discontinuu în timp și în valori, se mai numește semnal în timp discret și cu valori discrete. Semnalul în timp discret se mai numește semnal eșantionat)

Modelul matematic al semnalului analogic este o aplicație pe mulțimea numerelor reale, cu valori în mulțimea numerelor reale (sau un interval de numere reale). În figura 3.2. apare înregistrarea fotografică a unui semnal de pe ecranul osciloscopului. Este un semnal analogic. Semnalul acustic care sosește la un microfon, semnalul electric pe care îl produce microfonul, poziția acului unui instrument de măsură cu ac, semnalul captat de antena unui receptor radio, semnalul electric produs de o cameră video analogică, semnalul afișat de tubul catodic al unui televizor, timpul indicat de un ceasornic mecanic – toate sunt semnale analogice, fiind continu în timp și în valori.

Fig. 3.2. Semnal analogic

Modelul matematic al unui semnal numeric este un șir de numere, deci o aplicație pe mulțime numărabilă (mulțimea numerelor întregi), cu valori în restricții ale mulțimii numerelor raționale sau mulțimii numerelor întregi. Numerele reprezintă valorile aproximate ale eșantioanelor unui semnal analogic. Exemple: numerele succesive indicate de un voltmetru cu afișaj numeric, indicația de temperatură a unui termometru digital, timpul afișat de un ceas digital, semnalul muzical înregistrat pe CD, semnalul produs de o cameră video digitală. Chiar și indicația ceasului cu afișor cu cristale lichide (LCD = Liquid Crystal Display), care imită pozițiile limbilor unui ceas clasic, este tot semnal digital, întrucât ocupă un număr finit de poziții pe afișor, pe care le modifică la momente discrete.

Avantajele semnalelor numerice:

– Posibilitate nelimitată de memorare

– Posibilități mari de prelucrare

– Imunitate sporită la perturbații

– Versatilitatea circuitelor de prelucrare

Dezavantajele semnalelor numerice

– Circuite mai complicate pentru prelucrare (această particularitate dispare, odată cu dezvoltarea tehnicii numerice)

– Prelucrare încă insuficient de rapidă, pentru frecvențele mari

3.2.2. Conversia ADC și DAC

Majoritatea semnalelor pe care le folosim provin din „lumea” analogică. Există metode de conversie a semnalelor din analogic în numeric (analog-to-digital conversion) și din numeric în analogic (digital-to-analog conversion). Scopul conversiei A/N (sau ADC = Analog-to-Digital Conversion) este preluarea semnalului în formă numerică, pentru prelucrare sau pentru memorare (exemple: memorarea concertului pe CD, prelucrarea numerică a semnalului din imagine). Scopul conversiei N/A (sau DAC = Digital-to-Analog Conversion) este reconstituirea semnalului analogic, pentru transmisiune, afișare sau pentru scopuri audio-video.

Etapele conversiei AD și DA:

– Eșantionarea și reținerea eșantionului („sample and hold”)

– Cuantizarea eșantionului (reprezentarea printr-un nivel discret)

– Codarea numerică a nivelului cuantizat, prin care este reprezentat eșantionul

În figura 3.3. este reprezentată o scurtă secvență dintr-un semnal analogic, precum și eșantioanele obținute de la acest semnal. Semnalul a fost eșantionat la intervale egale (perioada de eșantionare). În figura 3.4. sunt reprezentate aproximările eșantioanelor, ca urmare a cuantizării. Se observă că fiecare eșantion ia doar valori discrete, dintr-o mulțime finită. În partea inferioară a figurii 3.3. sunt scrise codurile numerice ale nivelurilor rezultate prin cuantizare (numere în baza 2). Aceasta este forma în care sunt prelucrare în calculatorul numeric, sau sunt memorate, sau sunt transmise prin sisteme de comunicații numerice.

Fig. 3.3. Semnalul analogic și semnalul eșantionat

Fig. 3.4. Semnalul eșantionat și cuantizat, semnalul codat numeric

Fig. 3.5. Reconstituirea semnalului analogic(conversie A/N)

În figura 3.5. apare semnalul analogic reconstituit din forma numerică (conversia N/A sau DAC). Se observă că el este similar cu semnalul original, dar nu este identic. Proprietatea caracteristică este aceea că el este reconstituit din aproximări ale eșantioanelor. Aspectul de funcție în scară provine din aproximarea semnalului doar prin valori discrete. Valorile funcției între momentele de eșantionare sunt aproximate prin menținerea valorii de la ultimul moment de eșantionare.

Capitolul 4: Elemente componente

4.1. Modulul DTMF

DTMF (Dual Tone Multifrequency) este un sistem de semnalizare care înlocuiește semnalizarea clasică, cu pulsuri,în rețeaua telefonică. Sistemul DTMF este utilizat și în alte aplicații : sisteme bancare prin telefon, poștă electronică pe linie de telefonie, control la distanță prin telefon. Un semnal multifrecvență (DTMF) reprezintă o sumă de două sinusoide convenabil alese; există mai multe standarde DTMF care diferă prin numărul de frecvențe alese și prin valoarea acestora. Cel mai utilizat standard este standardul CCITT care recomandă două grupuri de frecvențe : un grup de frecvențe joase (697 Hz,770 Hz, 852 Hz , 941 Hz) și un grup de frecvențe înalte (1209 Hz , 1336 Hz, 1477 Hz, 1633 Hz). Un ton DTMF se obtine prin însumarea unei frecvențe din grupul frecvnțelor joase cu o frecvență din grupul frecvențelor înalte. Avantajele utilizării procesorului de semnal ADSP 2101 în generarea și recepția tonurilor DTMF sunt urmatoarele:

– precizie ridicată în generarea frecvențelor necesare

– modificarea simplă a standardului DTMF (prin schimbarea structurii de date a programului)

– posibilitatea implementării unor sisteme de generare și recepție DTMF multicanal

Generarea tonurilor multifrecvență poate fi realizată simplu prin calculul matematic al celor 2 eșantioane de sinusoidă (corespunzător celor 2 frecvențe necesare) după care se efectuează suma acestora.

Schema pentru un program de generare a tonurilor DTMF este prezentată în fig. 4.1.

Fig. 4.1. Implementarea unui generator DTMF

Acest program generează o succesiune cunoscută de tonuri DTMF (citite din memorie) sau un ton de

disc (440 Hz + 350 Hz).

Codul DTMF(Dual Tone Multi-Frequency) specifică o cifră prin transmiterea simultană în linia telefonică a două semnale sinusoidale. Sunt folosite opt frecvențe, primele patru fiind grupate în “banda de jos” (697Hz, 770Hz, 852Hz, 941Hz), iar ultimele patru în “banda de sus” (1209Hz, 1336Hz, 1477Hz, 1633Hz). Fiecare dintre cifrele de numerotație este desemnată cu un semnal din banda de jos și celălalt semnal din banda de sus.

Fig. 4.2. Tastatura cu frecvențele DTMF

Semnalizarea de numerotație prin Cod R2 asigură transmiterea de la centrala de plecare spre centrala de sosire a numărului abonatului solicitat. Semnalizările se fac în cod multifrecvență: 2/4, 2/5, 2/6, adică se transmit simultan pentru fiecare cifră 2 fercvențe din 4, sau 2 frecvențe din 5, sau 2 frecvențe din 6. În cazul codului R2 cu 6 semnale sinusoidale (F0, F1, F2, F3, F4, F5), valoarea frecvenței fiecăruia dintre semnale este obținută cu relația: Fn= (1380+n120) Hz. Semnalizarea de numerotație prin cod CCITT nr.4, realizează transmiterea informației de selecție între două centrale internaționale. În acest caz sunt folosite pentru semnalizare 2 frecvențe vocale: 2040Hz și 2400Hz, cu o toleranță de 6%. Cele două frecvențe de semnalizare sunt transmise în linie succesiv, durata de recunoaștere fiind (4010)ms. Fiecare cifră a numărului internațional este transmisă în cod binar cu 4biți. Cei 4 biți ai unei cifre sunt transmiși serial, pentru valoarea “zero logic” transmițându-se frecvența de 2400Hz, iar pentru valoarea “unu logic” transmițându-se frecvența de 2040Hz. Cei patru biți asociați unei cifre sunt separați prin perioade scurte de liniște.

4.1.1. Circuitul integrat MT8870DE

Circuitul intergrat MT8870DE este opțiunea aleasă de mine pentru a realiza modulul DTMF(Dual Tone Multi-Frequency). MT8870DE este un receptor DTMF complet ce integrează atât împărțirea de bandă, cât și funcțiile digitale de decodare. Decodorul utilizează tehnici de numarare digitale pentru a detecta și decoda toate cele 16 tonuri de perechi DTMF într-un cod de 4 biți.

Fig. 4.3. Circuitul integrat MT8870DE

Fig. 4.4. Schema electrică a circuitului integrat MT8870DE

Fig. 4.5. Conexiunile pinilor

Descrierea pinilor pentru circuitul integrat MT8870DE este următoarea:

– 1 | 1 IN+ non-inversabili Op-Amp(intrare)

– 2 | 2 IN- inversabili Op-Amp(intrare)

– 3 | 3 GS (Gain Select) – oferă acces la ieșirea amplificatorului diferențial

– 4 | 4 Vref Voltaj de referință(ieșire)

– 5 | 5 INH inhibator(intrare) – detectează tonurile reprezentând caracterele A, B, C

– 6 | 6 PWDN (Power down) – oprește circuitul integrat și împiedică oscilatorul.

– 7 | 8 OSC1 Ceas(intrare)

– 8 | 9 OSC2 Ceas(ieșire) Un cristal de 3.579545 conectat între pinii OSC1 și OSC2 completează oscilatorul intern în circuit.

– 9 | 10 VSS baza 0V (intrare)

– 10 | 11 TOE(three state output enable) (intrare)

– 11 | 12, 14 | 15 Q1-Q4 trei stări de date. Când este activat TOE, furnizează codul corespunzător ultimului ton primit valid. (ieșire)

– 15 | 17 StD direcție amânată(ieșire)

– 16 | 18 ESt direcție rapidă(ieșire)

– 17 | 19 ST/GT direcție de intrare (ieșire)

– 18 | 20 VDD Alimentare +5V (intrare)

– 7 | 16 NC fară conexiune

Circuitul integrat MT8870DE oferă o dimensiune mică, consum scăzut de energie și performanțe înalte. Arhitectura constă într-un filtru de bandă împarțit ce separă tonurile de joasă frecvență de tonurile cu frecvență înaltă, cu ajutorul unui ceas digital ce verifică frecvența și durata tonurilor care sunt recepționate înainte să treacă de codul corespunzător la ieșiri.

Fig. 4.6. Filtrul circuitului integrat

4.2. Motoare electrice

Un motor electric(sau electromotor) este un dispozitiv ce transformă energiaelectrică în energie mecanică.Transformarea inversă, a energieimecanice în energie electrică, esterealizată de un generator electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situații diferite.

Principiul de funcționare: Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe bazaforțelor electromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat in camp magnetic. Există insă și motoare electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice.

Motoarele electrice pot fi clasificate după tipul curentului electric ce le parcurge:

· Motor de curent continuu

· Motor de curent alternativ

· Motor de inducție (asincron)

· Motor sincron

Elemente constructive: indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două părți componente: stator și rotor. Statorul este partea fixă a motorului, in general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statoric și infășurarea statorică. Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei in interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține infășurarea rotorică. Intre stator și rotor există o porțiune de aer numită intrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea intrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.

Fig. 4.7. Elementele componente ale motorului de curent continuu

4.2.1. Motoare de curent continuu

Motorul de curent continuu a fost inventat in 1873 de Zenobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizand conversia energiei electrice absorbite de la generator.

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici si bobinele polare concentrate care creează campul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin infășurarea rotorică astfel incat campul magnetic de excitație să exercite in permanență o forță față de rotor.

În funcție de modul de conectare a infășurării de excitație motoarele de curent continuu

pot fi clasificate in:

· motor cu excitație independentă – unde infășurarea statorică și infășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune;

· motor cu excitație paralelă – unde infășurarea statorică și infășurarea rotorică sunt legate in paralel la aceași sursă de tensiune

· motor cu excitație serie – unde infășurarea statorică și infășurarea rotorică sunt legate in serie

· motor cu excitație mixtă – unde infășurarea statorică este divizată in două infășurări, una conectată in paralel și una conectată in serie.

Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează in campul magnetic de excitație pană cand polii rotorici se aliniază in dreptul polilor statorici opuși. In același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel incat polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea pană la următoarea aliniere a polilor magnetici.

Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită camp magnetic de excitație variabil, in locul infășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.

Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată infășurării rotorice și invers proporțională cu campul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului pană la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea campului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin inserierea unor rezistoare in circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).

Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu campul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de camp se face, așadar, cu diminuarea cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie același curent străbate infășurarea de excitație și infășurarea rotorică. Din această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie: pentru incărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcționeze in gol pentru că in acest caz valoarea intensității curentului electric absorbit este foarte redusă și implicit campul de excitație este redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii pană la autodistrugere.

Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc in tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).

Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului campului magnetic de excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizeaza schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămane neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată in decursul unei perioade. Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește in aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

4.2.2. Servomotoare

Servomotoarele sunt motoare electrice speciale, de curent continuu sau curent alternativ cu viteză de rotație reglabilă într-o gamă largă în ambele sensuri având ca scop deplasarea într-un timp prescris a unui sistem mecanic (sarcina) de-a lungul unei traiectorii date, realizând totodată și poziționarea acestuia la sfârșitul cursei cu o anumită precizie.

Sistemele de reglare automată moderne impun servomotoarelor următoarele performanțe:

– gamă largă de modificare a vitezei în ambele sensuri;

– funcționare stabilă la viteză foarte mică;

– constante de timp cât mai reduse;

– fiabilitate și robustețe ridicate;

– raport cuplu/moment de inerție cât mai mare;

– suprasarcină dinamică admisibilă mare;

– caracteristici de reglare liniare.

Servomotoarele electrice se folosesc în cele mai diverse aplicații cum ar fi acționarea roboților industriali universali, a mașinilor unelte cu comandă numerică, a perifericelor de calculator, în acționarea imprimantelor rapide, în tehnica aerospațială, instalații medicale etc.

În aplicațiile enumerate, cuplul dezvoltat de servomotoare variază într-o plajă largă de valori, 0,1 ÷ 100 [Nm], cu puteri nominale ce variază în intervalul 100 [W] și 20 [kW].

Conform principiului lor de funcționare, servomotoarele electrice pot fi clasificate în: servomotoare de curent continuu, servomotoare asincrone și servomotoare sincrone, în această ultimă categorie fiind incluse atât servomotoarele de curent continuu fără perii cât și servomotoarele pas cu pas.

Servomotoarele de curent continuu se caracterizează prin posibilitatea de reglare a vitezei în limite largi, 1:10.000 și chiar mai mult, prin intermediul unei părți de comandă electronică relativ simplă.

Servomotoarele de curent continuu au caracteristici mecanice și de reglaj practic liniare, cuplu de supraîncărcare mare, greutate specifică mică, moment de inerție redus etc. Dezavantajele sunt legate de colector, fenomene de comutație, uzură și scânteiere.

Servomotoarele asincrone, în prezent răspândite în tot mai mare măsură, elimină dezavantajele servomotoarelor de curent continuu legate de sistemul colector-perii, fiind de asemenea atractive prin robustețea, simplitatea și prețul lor. Există însă și o serie de dezavantaje legate de randament, factor de putere, greutate și nu în ultimul rând procedee de comandă mai complicate decât cele ale servomotorului de curent continuu.

Față de motoarele asincrone trifazate uzuale, de care nu se deosebesc constructiv, la servomotoarele de același tip se remarcă:

– un raport mai mare lungime/diametru relativ la rotor, ce are însă ca dezavantaj un transfer mai dificil al pierderilor de căldură din rotor;

– consolidarea izolației statorice pentru a rezista deselor procese tranzitorii și luarea în considerație a încălzirii rotorului.

În servosistemele care necesită turații variabile, servomotoarele asincrone se asociază cu convertoare statice, obținându-se domenii largi de variație a turației, de peste 1: 20.000, la puteri mai mici de 1 [kW]. De altfel, în aplicații speciale la puteri mici s-au obținut turații de peste 100.000 [rot/min].

Ca o particularitate, trebuie amintit însă faptul că atunci când alimentează servomotoare asincrone, motoare de inducție în general, convertoarele statice trebuie dimensionate pentru o putere aparentă mai mare decât în situația alimentării servomotoarelor sincrone, la aceeași putere nominală și turație la arbore.

Principala caracteristică a servomotoarelor sincrone este dată de faptul că frecvența tensiunii de alimentare se află în raport constant cu viteza lor de rotație, indiferent de gradul de încărcare al mașinii. Ca urmare a acestei proprietăți, utilizarea servomotoarelor sincrone este indicată în sisteme automate de poziționare la care viteza de rotație a mașinii se dorește a fi menținută riguros constantă sau direct proporțională cu frecvența de comandă.

Servomotorul ales în proiectul de față este DGS SO5NF STD. Servomotorul este capabil să suporte până la 6V și să ofere o putere de 3.2Kg pe centimetrul pătrat. Viteza cu care se deplasează este de 0.18sec-/60° la o tensiune de 4.8/6.0V). Gradul de rotație este de 180° și are o greutate de 20 de grame.

Fig. 4.8. Dimensiuni DGS SO5NF

Fig. 4.9. Elemente componente DGS SO5NF

Fig. 4.10. Date tehnice DGS SO5NF

Specificatii tehnice:

4.3. Telefonul GSM

GSM este prescurtarea de la Global System for Mobile communications. Această denumire a fost însă primită ulterior, cea inițială fiind în limba franceză – Groupe Special Mobile. GSM este cel mai popular standard internațional de telefonie mobilă. Bazele sale au fost puse în 1982 când la Conferința Europeană a serviciilor de Poștă și Telegraf s-a decis crearea gruplui menționat mai sus. Acesta urma să creeze un standard pentru telecomunicații mobile din Europa. În 1987 a fost semnat un memorandum de 13 țări care se angajau să dezvolte un sistem de telefonie mobilă comun pe întreg continentul.

Structura unei rețele GSM este destul de complicată. În principiu, există trei elemente principale:Base Station Subsystem (BSS), Network an Switching Subsystem (NSS) și GPRS Core Network. Base Station Subsystem este acea componentă care permite conectarea telefoanelor mobile la centrala de telefonie mobilă. Ea este formată din stațiile GSM pe care le vedem la tot pasul în zilele noastre și care sunt numite Base Transceiver Station (BTS), precum și din unitățile de control pentru stații (BSC). Stațiile GSM sunt de obicei dotate cu antene unidirecționale. Zona de acoperire din jurul unei stații/celule GSM este împărțită radial în sectoare, pentru fiecare din ele fiind repartizată una sau două antene. Un tip comun de sectorizare este cea de tip trifoi, cu trei sectoare de 1200 fiecare.

O unitate de control pentru stații(BSC) controlează zeci sau sute de antene, direcționând traficul către NSS. Într-o rețea GSM există mai multe BSC-uri regionale care concentrează conexiunile dintr-o anumită zonă și le transmite către MSC, o componentă a NSS. BSC, considerată cea mai robustă componentă a unei rețele GSM, fiind dotată cu sisteme redundante pentru a asigura funcționarea continuă a rețelei.

Fig. 4.11. Structura unei rețele GSM

Network Switching Subsystem (NSS) este acea componentă a unei rețele GSM similară cu centrala telefonică a unei rețele de telefonie fixă. Ea realizează managementul convorbirilor din rețea și asigură interconectivitatea cu alte rețele de telefonie mobilă sau fixă. Cea mai importantă componentă a NSS este Mobile Switching Center (MSC). Aceasta este responsabilă în principal cu direcționarea apelurilor și a SMS-urilor. De asemenea, prin intermediul MSC-ului, un utilizator din rețeau GSM poate contacta un utilizator de telefonie fixă. GPRS sau General Packet Radio Service este un serviciu de telefonie mobilă pentru transmisia de date, bazat pe trunchierea fluxului de date în pachete. GPRS Core Network, cea de-a treia componentă a unei rețele GSM, este responsabilă cu managementul acestui serviciu de date.