Proiect Micro 15.01.2019 [626680]

UNIVERSITATEA „ POLITEHNICA ” DIN BUCUREȘTI
FACULTATEA TRANSPORTURI

Departamentul Telecomenzi și Electronică în Transporturi

PROIECT μC

Coordonator științific
S.L. Dr. Ing. Ciprian Cormoș Absolvent: [anonimizat]
2019

UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI
FACULTATEA TRANSPORTURI

Departamentul Telecomenzi și Electronică în Transporturi

Sistem de alarm ă cu senzor
de mișcare

Coordonator științific
S.L. Dr. Ing. Ciprian Cormoș Absolvent: [anonimizat]
2019

Cuprins

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. …………………. 1
CAPITOLUL 2. MEMORIU JUSTIFICATIV ………………………….. ………………………….. .. 2
CAPITOLUL 3. PROIECTARE ECHIPAMEN T ………………………….. ……………………….. 3
3.1 SCHEMA BLOC ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 3
3.2 DIAGRAMA FLUXURILOR I NFORMAȚIONALE ………………………….. ………………………….. 5
3.3 PROIECTAREA BLOCURILO R FUNCȚIONALE ………………………….. ………………………….. .. 6
3.3.1 Alegerea, prezentarea, caracterizarea componentelor și modulelor ………………….. 7
3.3.2 Calcule de proiectare ………………………….. ………………………….. ………………………… 7
3.4 PROIECTARE SOFTWARE ………………………….. ………………………….. ………………………… 8
CAPITOLUL 4. ESTIMĂRI ALE COSTURI LOR DE REALIZARE ……………………. 21
DICȚIONAR EXPLICATI V DE TERMENI ȘI ABRE VIERI ………………………….. ……… 22
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 23

1
Capitolul 1. Introducere
Timpul este una dintre majorele probleme ale populației autohtone, motiv pentru care
doresc sa vă prezint un sistem inteligent de securitate care poate aduce numeroase bucurii ș i
beneficii din multe puncte de vedere.
Sistemul de alarmă cu detector de mișcare este unul dintre cele mai noi ș i mai căutate
sisteme inteligente de pe piață , dotat cu o tehnologie aparte, potrivit pen tru orice proprietar de
locuință care dorește sa-si automatizeze propria casă și să o țină sub protecție sporită
împotriva infractorilor.
Acest sistem de alarmă are un d esign modern, poate fi instalat î n orice deco r al locuinței
si oferă eficienț ă maxim ă în ceea ce priveșt e partea de securitate integrală , întărită de eficienț a
tehnologică a acestui pr odus . Acesta conține un senzor de mișcare analogic, conectat la
primul microcontroler care comunică cu al doilea microcontroler din sistemul nostru printr -o
magistrală de date I2C.
Opțional acest sistem de alarmă poate conține mai mulți senzori de mișcare , pentru
mai multe încăper i ale locuinței, conectați la câ te un microcontroler .Astfel, acești senzori
deja conectați se pot lega in paralel la magistrala de date care comunică cu al doilea
microcontroler , acesta având un rol esențial î n tot acest sis tem de alarmă , funcționând ca o
unitate centrală .
Afișajul microcont rolerului principal este legat î n para lel tot de magistrala de date I2C.
În general pe afișaj se prezintă starea alarmei(activată sau dezactivată ), iar in cazul
declanșării alarmei se va afișa mesajul „Infractori”.
Gradul de noutate al acestui produs este unul ridicat deoarece se cunoaște is toria acestor
tipuri de produse, ce nu implică componente sofisticate pe ntru realizare, marea majoritate a
soluțiilor deja existente fiind robuste.

2
Capitolul 2. Memoriu Justificativ
Stadiul actual al acestei soluții este unul destul de variat, pornind de la sistemele de alarmă
simple din punct de vedere al cons trucției ș i al funcționă rii până la cele mai complexe sisteme
din ac eastă categorie care impresionează prin modul de funcționare si prin satisfacerea
numeroaselor nevoi ale clientului autoht on.
Daca ne raportă m la istorie, putem consta ta cu ușurință faptul că î ntre apariția si evoluția
sistemelor de alarma este u n interval foarte mare de timp î n care aceste produse s -au
tehnologizat .
Prima data conceptul alarmării oamenilor dintr -un anumit l oc in caz de intrări ale
străinilor putea fi urmărit la vremea când câinii avertiz au oamenii cu privire la prezenț a
răufăcătorilor prin semnalul specific acestor patrupede si anume „lătratul”.
Mai târziu oamenii au folosit clopoței utilizați pe baza acelui ași concept.
În zilele noastre sistemele de securitate au ajuns extrem de complexe îmbinând o mulțime
de inovații recente, printre care face parte si produsul pe care vreau sa vi -l prezint, bazat pe un
senzor de mișcare analogic, care aduce numeroase avant aje oamenilor din societatea î n care
trăim.
Sistemul nostru se bazează in principal pe două microcontrolere si un element analogic
PIR- dispozitiv electronic care măsoară lumina cu infraroșu iradiată de obiecte in câmpul lui
vizual și reușește astfel să detecteze mișcarea , chiar și î n întuneric total.
Principalul avantaj al acestui sist em este reprezentat de faptul că acesta funcționează pe
baza unui senzor analogic foarte ex act din punct de vedere al funcț ionării, utilizează
protocolul cablat I2C iar raza de acțiune a acestui senzor este de aproximativ 10 m, spațiu
suficient pentru detectarea oricărei mobilități neobișnuite .

3
Capitolul 3. Proiectare echipament
3.1 Schema bloc

figura 1. schema bloc a echipamentului

Mai sus este prezentată schema bloc a în tregului nostru sistem de alarmă , iar descrierea
blocurilor funcționale este detaliată in figurile următoare . Un prim bloc este dedicat
reprezentării conexiunii senzor -microcontroler iar cel de -al doilea bloc reprezintă modulul de
afișare .

Figura 2. Explicitarea primei conexiuni a sistemului

senzor de
mișcare
afișaj
electronic
avertizor
sonor
microcontroler
microcontroler
comunicație
I2C
Senzor de
mișcare
Convertor
ADC
Setare
porturi
Unitate de
procesare
Interfață
TWI
Comunicație
I2C

4

Figura 3. Explicitarea blocului de afișare .

În primul rând, î n alcătuirea sistemului nostru de alarmă utiliză m un detector de
deplasare. Am ales produsul firme i Panasonic pentru construirea sistemului, deoa rece
compania oferă o gamă largă de aplicații în sistemele inteligente de casă, detectarea efracției
și sistemele de securitate. Senzorul nostru de mișcare se po ate utiliza in trei configurații: cu un
element, cu două elemente sau cu patru elemente.
În aplicația noastră utiliză m detectorul configurat cu patru elemente care conferă
standardul de performan ță optim pentru detectarea mișcării si a prezenț ei .
Al doile a element din schema noastră este un microcontroler care transferă datele
culese de la senzorul de mișcare in format digital către cel de -al doilea microcontroler.
Protocolul de comunicație pentru realizarea schimbului de informații intre cele 2
microcont rolere este magistrala de date I2C [1], in care primul nostru controler jo aca rolul de
emițător coordonator iar cel de -al doilea controler joac a rolul de receptor subordonat.
Elementul nostru de baza din sistemul de alarma este însă al doilea microcontroler
care poate fi c omparat si cu o unitate centrală din punct de vedere al rolului de funcționare.
Acesta interpretează datele de la primul controler, ia decizii si are doua funcții
esențiale : comandă avertizarea sonoră si afișează mesajul „Infractori” î n situația in care
alarma se declanșează.
Avertizorul sonor este in schimb unul dintre cele mai importante elemente ale schemei
noastre având rolul de a alerta proprietarul casei in momentul in care încăperea acestuia se
află in primejdie.
In ceea ce privește explicitarea celor doua blocuri componentele , scoase in evidență
sunt: convertorul ADC, unitatea de procesare si interfața seriala TWI .
 Convertorul a nalogic digital măsoară o tensiune analogică si o transforma intr –
0 serie de biți care reprezintă valoarea ei in format digital .
 Unitatea de procesare este ansamblul intre decodorul de instrucțiuni , UAL si
memoria din interiorul microcontrolerului. Această unitate are rolul de a
asigura legătura intre componentele din blocurile funcționale precum
convertorul ADC, interfața TWI ș i porturile de intrare/ ieșire .
Comunicați
e I2C
Interfață
TWI
Unitate de
procesare
Setare
Porturi
Afișaj
electronic

5
 Interfața seriala TWI e un modul de comunicare pe doua fire prin care se
implementează protocolul I2C pe care l -am utilizat in schemele noastre.
3.2 Diagrama fluxurilor informaționale
In ceea ce privește diagrama fluxurilor informaționale, informația de intrare este
mișcarea iar informația de ieșire este mesajul afișat pe display -ul alarmei si avertizorul sonor.
Subsistemele subordonate sunt reprezentate de: 3 microcontrolere de același tip
reprezentate de un senzor de mișcare notat cu „S M”.

Figura 4. diagrama informațională
Centru decizional
Informații
de ieșire
Subsistem
informațional
S.M
Subsistem
informațional
S.M
Unitate de
afișare
Subsistem
informațional
S.M
Subsisteme subordonate
Informații
de intrare

6
Legătura intre subsistemul subordonat si receptori este reprezentat ă de cablajul
imprimat.
Avantajele utilizări i protocolului I2C ca magistrală de date sunt: numărul redus de
conductori si posibilitatea de a dezvolta circu itul din orice punct de legătură .
3.3 Proiectarea blocurilor funcționale
Senzorul nostru de mișcare analogic este un produs al uneia dintre cele mai renumite
firme de pe piața produselor tehnologice, Panasonic Electric Works și este conectat direct pe
microcontrolerul nostru prin intermediul pinului 23.

Figura 5. schema microcontroler 1

Blocul cu microcontroler pe ntru circuit integrat ATmega32 [2] din figura următoare
este conectat direct la ecranul LCD 1602 iar releul care este reprezentat, este conectat la
avertizorul sonor si la microcontroler prin intermediul pinului PB2.

Figura 6 . schema microcontroler 2

7
3.3.1 Alegerea, prezentarea, caracterizarea componentelor și modulelor
Echipamentului nostru este realizat cu microcontrolerul ATmega328P [2] care este
una dintre cele mai bune alegeri din punct de vedere al performanței si al costurilor.
Arhitectura este de 8 biți, memoria flash de 32 KB, frecvența de 20 MHz și are o putere de
procesare de până la 20 de in strucțiuni pe secundă . A fost aleasă capsula SMD TQFP32
pentru a putea utiliza spațiul cat mai redus . Criteriile esențiale de selecție au fost: să fie produs
de firma Atmel, sa prezinte un convertorul analog -digital, să dispun ă de o interfață I2C și să
aibă un număr satisfăcător de GPIO -uri.
Oscilatorul acestuia este un rezonator ceramic CSTCE16M0V53 -R0[3]. SMD de la
Murata care î ncorpor ează condensatoarele d e filtraj, având dimensiuni reduse față de
oscilatoarele cu cuarț.
Releul din schemă a fost selectat după tensiunea de comand ă însă criteriu principal a
fost reprezentat de dimensiunea carcasei. Pentru implementarea schemei a m ales astfel un
FBR21D05 [4]. Acesta este comandat de către microcontroler prin intermediul unui tranzistor
BC846 [5] în capsula SOT23. Se decomandă adăugarea unei diode de protecție în paralel cu
bobina releului pentru ca supra tensiunea ce apare la cuplarea ș i decuplarea rel eului să nu ardă
tranzistorul. Î n cazul de față am ales o d iodă 1N4007 [6].
Toate rezistențele și condensatoarele nepolarizate se aleg de valoarea corespunzătoare
in capsulă 0805.
Afișajul este un modul LCD 1602 cu Backlight galben -verde . Din punct de vedere al
caracteristicilor tehnice are:
 Tensiune de alimentare de 5V;
 Curent:1,1mA
 Tensiune de alimentare backlight:4,2V
 Curent backlight:100mA
Acest modul este ideal pentru sistemele electronice care afișează informații către exterior.
LCD -ul este ideal si pe întuneric, având iluminare de fundal galben -verde.
Acest modul afișează 2 linii a cate 16 caractere.
Avertizorul sonor consuma 300 mA si este conectat direct la releu, emițând un zgomot de 110
dB.
3.3.2 Calcule de proiectare
În acest capitol vom calcula rezistența din baza tranzistorului NPN (𝑅𝐵)care comandă
releul din schema noastra electrică . Din datele de catalog se extrag următoarii parametrii :
factorul de amplificare β = 110 și tensiunea baza -emitor de saturație 𝑉𝐵𝐸 𝑠𝑎𝑡 = 900mV. Se
calculează intensitatea curentului prin baza tr anzistorului folosind relația (1 ), unde 𝐼𝐶 este în
acest caz curentul prin bobina releului (60mA), extras tot din datele de catalog.
𝐼𝐵=𝐼𝐶
𝛽 (1)

8

𝑅𝐵=𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐵𝐸
𝐼𝐵 (3)

Înlocuind în relația (3) 𝑉𝐶𝐶 = 5V, 𝑉𝐵𝐸 = 900mV și 𝐼𝐵 = 8,18mA obține m valoa rea de
501Ω. Aceasta nu este o valoare critică ,astfel incât se va alege cea mai apropiată valoare din
seria E24, adică 510Ω. După calculul curentului prin baza tranzistorului , se verifică dacă
ATmega2=328p poate să suporte curentul respectiv. La pagina 365 în tabelul 32 -1 se
regăsește curentul pe GIO -uri de maxim 40mA.
Rezistențele de pull -up pentru magistrala de I2C au fost selectate conform
recomandărilor din „AVR311: Using the TWI Module as I2C Slave” [7]– Microchip
Techno logy .Pentru modulul de ADC de 10 biți se va folosii ca referința tensiunea de
alimentare de 5 V ce va permite măsurarea tensiunii data de senzor cu o rezoluție de 4,88 mV,
la un total de 210 = 1024 trepte
3.4 Proiectare software
În figura 7 este reprezentat ă diagrama soft a controlerului ce acționează î n mod direct cu
senzorul nostru analogic. După ce se inițializează porturile de intrare /ieșire , acest controler
este configurat ca sclav si monitorizează transmiterea mesajului de mișcare de la senzorul
conect at.
Modulul ADC este folosit pentru a măsura diferența de potențial iar protocolul I2C este
implementat cu ajutorul modulului TWI prezent in microcontroler.

9

Figura 7. Diagrama software a primului controler

START
Setare I2C
NU
DA
NU
U
Setare ADC
S-a primit mesaj de
interogare?
Citire valoare ADC
Valoarea citita
este peste prag?
Transmitere mesaj de miscare
DA

10

Figura 8.Diagrama soft pentru cel de -al doilea controler
NU
DA
Au trecut 10
secunde?
S-a
primit
mesajul?
START
Setare porturi
Setare afisaj
Setare I2C
Interogare microcontroler 1
NU
Mesaj de
miscare
Pornire alarma
DA
DA
NU

11
Logica a nsamblului este destul de simplă : primul nostru microcontroler este conectat
la senzorul de mișcare si are rolul de a primi mesajul de interogare de la acesta. Dacă valoarea
citită este peste prag , atunci se transmite mesajul de mișcare. Pentru tratarea comenzilor de
mișcare este folos it modulul ADC, care digitizează tensiunea variabilă .
În ceea ce privește diagrama 8, după setarea componentelor necesare cum ar fi
porturile de intrare/ieșire sau magistrala paralela de date I2C, microcontrolerul 2 joaca rolul
de receptor subordonat. Aces ta monitorizează magistrala de date, interoghează
microcontrole rul 1 si daca informația primită este validă , atunci afișează mesajul de alertă si
pornește alarma.
În ceea ce privește programului, am folosit compilatorul de programare ATMEL
STUDIO 6.1 care permit scrierea codului in limbajul de asamblare. Astfel , am exemplif icat o
parte de cod care reprezintă mesajul afișat pe display -ul nostul LCD pe 2 linii: pe prima
linie, ’Infractori ’ iar pe a doua linie, alertă ’. În ceea ce privește această proiectar e am
evidențiat in primul rând cele doua scheme care ilustrează principiu de funcționare al celor
doua microcontrol ere din schema noastră electrică .

display.asm

call init _display
ldi r17,0b1000000 ; prin r17 se setează adresa 0x00 pentru RAM de afișare
call set_ram
ldi r17,’I’
call put_char
ldi r17,’n’
call put_char
ldi r17,’f’
call put_char
ldi r17,’r’
call put_char
ldi r17,’a’
call put_char
ldi r17,’c’
call put_char
ldi r17,’t’
call put_char
ldi r17,’o’
call put_char
ldi r17,’r’
call put char
ldi r17,’i’

12
call put_char

ldi r17,0b11000011
call set_ram
ldi r17,’A’
call put_char
ldi r17,’l’
call put_char
ldi r17,’e’
call put_char
ldi r17,’r’
call put_char
ldi r17,’t’
call put_char
ldi r17,’ă ’
call put_char
bucla:
rjmp bucla
init_display:
cbi ctrl2,rs
ldi r16,0b00100000
out PORTC,r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e

ldi r16,00100000
out PORTC, r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
ldi r16,0b10000000
out PORTC,r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
call wait_30ms

ldi r16,0b00000000
out PORTC,r 16

13
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
ldi r16,0b1100000
out PORTC,r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
call wait_ 30ms

ldi r16,0b00000000
out PORTC,r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
ldi r16,0b00010000
out PORTC,r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
call wait_30ms

ldi r16,0b00000000
out PORTC,r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
ldi r16,0b00100000
out PORTC,r16
sbi ctrl,e
call wait_48us
cbi ctrl,e
call wait_30ms
ret.

14
In ceea ce priveș te partea de c++ am evidențiat pe rând doua coduri care definesc cele 2
conexiuni esențiale ale sistemului nostru.

program pentru microcontrolerul 1 cu senzorul de mișcare

#include <Wire.h>

#define I2C_ADDR 2

void setup()
{
const int analogInPin = A0; // pinul pe care este montat senzorul de mișcare
int sensorValue = 0;
Wire.begin(I2C_ADDR); // se atașează pe magistrala de i2c la adresa 4
Wire.onRequest(requestEvent); // eveniment de înregistrare
Wire.onRec eive(receiveEvent); // eveniment de înregis trare
}

void loop()
{
//buclă infinită
}

void receiveEvent(int mesaj)
{
while(1 < Wire.available()) // cât timp se trimite mesajul
{
char c = Wire.read(); // recepționare mesaj
if(c=='interogar e') // s-a primit mesaj de interogare?
sensorValue = analogRead(analogInPin);
if (sensorValue <= 500)
requestEvent();
}

}
void requestEvent()//funcția de transmitere a mesajelor
{
Wire.write("s -a detectat mișcare "); // mesaj tri mis la detecția mișcării
}

15
Program pentru microcontrolerul 2 cu afișajul LCD
#include <Wire.h
#include <display.asm>

#define I2C_ADDR 2

const int rs = 12, en = 11, d4 = 5, d5 = 4, d6 = 3, d7 = 2;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

void setup( )
{
pinMode(10, OUTPUT);
Wire.begin(); // setare magistrala i2C

lcd.begin(16, 2); // se inițialize ază afișajul
lcd.print("alarmă armată ");//se afișează mesajul de armare
}

void loop()
{
Wire.beginTransmission(I2C_ADDR); // se transmit e adresa sclavului
Wire.write("i"); //transmitere mesaj interogare
Wire.endTransmission(); // oprire transmisie
Wire.requestFrom(I2C_ADDR, 20); // se așteaptă 20 de biți de la sclav
while(Wire.available()) // se aște aptă ca sclavul sa trimită toată informația
{
char c = Wire.read(); // se primește informația
}
delay(10000); //au trecut 10 secunde?
if(c =="s -a detectat mișcare ")
{
digitalWrite(10, HIGH);// se pornește alarma
lcd.setCursor (0, 1);
lcd.print("infractori!") // se afișează mesajul de alarma
}
delay(500);
}

16
3.5.Modelare echipament
Pentru cele doua scheme electrice , cablajele imprimat e sunt următoarele:

Figura 8:Cablajul imprimat pentru primul nostru sistem: controler -senzor

Figura 9:Cablajul imprimat pentru al doilea sistem: controler cu afișaj electronic

17
 Pentru primul nostru cablaj avem următoarele figuri ilustrative:

Figura 10. cablaj 1 stratul inferior scala 3 :1

Figura11. cablaj 1 stratul superior scala 3 :1

18

Figura12. cablaj 1 matrița componentelor scala 3 :1

Figura13. cablaj 1 matrița de găurire scala 3 :1

19
 Pentru al doilea cablaj avem următoarele figuri ilustrative :

Figura14. cablaj 2 stratul inferior scala 2 :1

Figura15. cablaj 2 matrița componentelor scala 2 :1

20

Figura16. cablaj 2 matrița de găurire scala 2 :1

Figura17. cablaj 2 stratul superior scala 2 :1

21
Capitolul 4. Estimări ale costurilor de realizare
Costurile de realizare le -am reprezentat î ntr-un tabel care conține toate piesele
necesare atât pentru realizarea blocurilor funcționale cat si pentru realizarea cablajului
imprimat.
Schema noastră electrică conține puține componente rezultând un cost mediu din
punct de vedere financiar, însă pentru realizarea cablajelor co stul poate diferii in funcție de
firma pe care -l produce si de modul de lucru.

Denumire Cantitate Preț pe bucata (lei) Preț total (lei)
PIR 1 52,81 52,81
AT MEGA 328P 2 8,04 16,08
Oscilator 16MHz 2 6,23 12,46
Rezistenta de 10k 4 0,03 0,12
Rezistenta de 4,7K 2 0,04 0,08
Rezistenta de 220Ω 1 0,31 0,31
Condensator de 100n 4 0,17 0,68
Dioda 1N4007 1 0,45 0,45
Releu 1 6,03 6,03
BC846 1 0,06 0,06
LCD(LED) 1 11,47 11,47
Cost cablaj 2 13,63 27,26
Total cost 127,81 lei

În ceea ce privește costul cablajului, am calc ulat suprafața celor doua plăcuț e din
schemele noastre electrice: cablajul 1 are 8,21 cm2 , cablajul 2 are 59,96 cm2 x 0,2 lei/cm2
Toate preț urile din tabelu l afișat se pot găsi cu ușurință pe site -ul oficial al firmei :Digi -Key
Electronics, ace asta reprezentâ nd locul principal de proveniență al senzo rului nostru de
mișcare care stă la baza sistemului proiectat.

22
Dicționar explicativ de termeni și abrevieri
PIR – Passive infrared sensor
I2C – Inter-Integrated Circuit
UAL – unitatea aritmetico -logică
SPI – Serial Peripheral Interface
ADC – Analog -to-digital converter
SMD – Surface -mount technology
TWI – 2-Wire Serial Interface

23
Bibliografie

[1] https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how -i2c-communication -works -and-
how-to-use-it-with-arduino/
[2] http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega48A -PA-88A-PA-168A –
PA-328-P-DS-DS40002061A.pdf
[3] https://www.murata.com/en -us/api/pdfdownloadapi?cate=&partno=CSTCE16M0V53 –
R0
[4] https://www.fujitsu.com/downloads/MICRO/fcai/relays/fbr20.pdf
[5] https://assets.nexperia.com/documents/data -sheet/BC846_SER.pdf
[6] https://www.diodes.com/assets/Datasheets/ds2800 2.pdf
[7] http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/atmel -2565 -using -the-twi-module –
as-i2c-slave_applicationnote_avr311.pdf