Alexandru Bogdan Licenta 07.07.2014 [603658]
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 1
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
PROIECT DE DIPLOMĂ
Absolvent: [anonimizat]:
Mecatronic ă
Conducator Știintific:
Prof. dr. fiz. ZAMFIRA Sorin
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 2
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
ALEXANDRU Bogdan Ionel
SISTEM MECATRONIC DE CĂUTARE
A COMPONENTELOR ELECTRONICE
PROIECT DE DIPLOMĂ
Program de studii: Mecatronică
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 3
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Rezumat
Scopul acestei lucrări de diploma este de a analiza,de a proiecta și construi un sistem
mecatronic de căutare a componentelor electronice dispuse în sertare etajate care fac parte dintr –
un dulap automatizat, folosind un sistem electro -mecanic de ejectare a acestora .Pentru a ține
evidența și poziția, respectiv sertarul în care se află componentele electronice sunt bagate intr -o
bază de date. Căutarea se va realiza prin introducerea de către un utilizator a denumirii
produsului folosind un soft de căutare.
Diverse solutii constructive presupun folosirea sistemelor automatizate care inglobeaza
senzori si sisteme de actionare electrice, pneumatice sau hidraulice, insa componenta importanta
este aceea de a memora poziția exacăa a fiecă rei piese pentr u o c ăutare c ât mai uș oară. Acest
aspect este unul din principalele probleme abordate î n cadrul acestei lucr ări.
Sistemul mecatronic de c ăutare a componentelor electronice prezentat în cadrul acestui
proiect are în componența sa urmatoarele elemente:
1. Cadru realizat din teavă de metal cu sec țiune p ătrată
2. Dulap din plastic cu 32 sertare mici ș i un sertar ma re amplasat în partea inferioară
3. Axa de sus ținere orizontală executând deplasarea verticală
4. Axa culisantă, av ând rol de deplasare a actuatorului pe plan orizontal
5. Ansamblu surub – piuliță format din t ije filetate cu rol de mișcare de rotație , î n urma
cărora va rezulta miș carea de tip translatie a actuatorului, respectiv a an samblului format
din axa de susținere ș i actuator.
Sistemul de actionare e ste alcatuit din urmatoarele componente:
Motor electric cu reductor pentru deplasarea verticala a ansamblului actuatorului.
Motor electric cu reductor pentru deplasarea pe directie orizontala a ansamblului.
Actuator format din motor electric cu pinion și cremaliera.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 4
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
SUM MARY
The aim of this paperwork is to analyze, projection and build a mechatronic system used
to search electronic components arranged in storing drawers, all of them are pieces from an
automatic closet which use a electro -mechanical sys tem to open them.
To keep the position and registry, the drawer that holds the electronic components, they
are introduced in a database. The searching for components will be done by naming the products
in a special software.
Most of the constructive solut ions involve the use of automated systems that include
sensors and electric drive systems, hydraulic drive systems and pneumatic drive systems, but the
important part is to memorize the position of each piece exactly in order to ease the searching
process. This is the main problem involved in this paperwork.
The mechatronic system used for searching the electronic components developed in this
project is composed with the following elements:
1. Resistive framework made of metal pipe with square section
2. Closet made of plastic with 32 small drawers and 1 bigger drawer on the bottom
3. Horizontal support axis that makes a vertical movement
4. Sliding axis, having the role to move the actuator horizontally
5. Assembly screw -nut made of threaded rods which make the rotationa l move, they
will result a translational movement of the actuator, same in the case of the assembly made of the
support axis and actuator
The drive system consist in the following components:
Electric motor with gear actuator assembly on vertical movement
Electric motor which move the assembly in the horizontal direction
The actuator consist of electric motor pinion and rack
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 5
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 CUPRINS
Lista simbolurilor folosite ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 7
1. INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 8
2. STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR ȘI REALIZARILOR PRIVIND SISTEMELE MECATRONICE DE
CAUTARE A COMPONENTELOR ELECTRONICE ………………………….. ………………………….. ………………………… 9
2.1.1. Conceptul de „mecatronică”: definiție; modele ………………………….. ………………………….. ……. 9
2.1.2. Evoluția sistemelor tehnice: de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice ……………. 10
2.1.3. Clasificarea sistemelor mecatronice ………………………….. ………………………….. ………………….. 12
2.2. Sisteme moderne de sortare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 13
2.2.1. Carusele orizontale ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 13
2.2.2. Kardex Remstar Orizontal ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 14
2.2.3. Stația Tall cu platformă de ridicare ………………………….. ………………………….. ………………… 15
2.2.4. Communicator Pro ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 16
2.2.5. Kardex Remstar Shuttle XP1000 ………………………….. ………………………….. ……………………. 17
2.2.6. Sistemu l tip lift vertical Randex ………………………….. ………………………….. …………………….. 18
2.2.7. Sistem lift vertical SPSS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 19
2.3. Justificarea soluției preconizate și obiectivele proiectului ………………………….. ……………………. 20
3. CONSIDERAȚII PRIVIND PROIECTAREA SISTEMELOR MECATRONICE ………………………….. …………….. 21
3.1. Structura generala a unui sistem mecatronic de căutare a componenteleor electronice ……… 21
3.1.1. Metode de căutare și sortare si evidențiere ………………………….. ………………………….. ……. 21
3.1.2. Sisteme cu microcontroller ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 30
4. PROIECTAREA SISTEMULUI MECATRONIC DE CĂUTARE A COMPONENTELOR ELECTRONICE ……… 48
4.1. Structura sistemului ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 48
4.1.1. Dulapul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 48
4.1.2. Cadrul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 50
4.1.3. Axa culisantă pe verticală ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 52
4.1.4. Suport culisant pe orizontală ………………………….. ………………………….. ………………………… 53
4.1.5. Tija filetată pentru axa verticală ………………………….. ………………………….. ……………………. 53
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 6
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 4.1.6. Tija filetată pentru axa orizontală ………………………….. ………………………….. ………………….. 54
4.1.7. Actuatorul liniar ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 54
4.1.8. Motor POLOLULU ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 54
4.1.9. Asamblarea finală a componentelor ………………………….. ………………………….. ………………. 55
4.2. Sistemul de dezvoltare Arduino ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 55
4.3. Acționarea motoarelor și a actuatorului liniar ………………………….. ………………………….. ………… 60
4.3.1. Proiectarea sistemului el ectronic ………………………….. ………………………….. ………………….. 61
4.4. Interfețe de comunicație folosite pentru programarea sau transferul de informații (USB). ….. 63
4.5. Subsistemul hardware ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 63
4.5.1. Programele de funcționare pentru sistemul cu microcontroller ………………………….. …….. 63
5. REALIZAREA SISTEMULUI MECATRONIC DE CĂUTARE A COMPONENTELOR ELECTRONICE ………….. 66
5.1. Realizarea sistemului ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 66
5.1.1. Cadrul metalic ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 66
5.1.2. Axa culisantă pe verticală ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 68
5.1.3. Suportul cu lisant pe orizontală ………………………….. ………………………….. ……………………… 69
5.2. Motoarele și tijele filetate ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 70
5.3. Micro întrerupatoarele ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 71
5.4. Sistemul electric ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 72
5.4.1. Sură de încărcare acc umulator (Redresor) ………………………….. ………………………….. ……… 72
5.4.2. Acumulatorul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 77
5.4.3. Stabilizatorul de tensiune de 5V ………………………….. ………………………….. ……………………. 77
5.4.4. Puntea H realizată cu ajutorul relee -lor și driverul ULN 2003 ………………………….. ………… 77
6. MĂSURI de protecție a muncii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 79
7. Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 81
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 82
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 7
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
LISTA SIMBOLURILOR F OLOSITE
Fig. – Figura
(L x l x h) – Lungime x lațime x înalțime
Kg – kilogram
V – Volt
VA – Volt Amper
Ag Cd 0 – Oxid de cadmiu in arg intiu
SPDT – Intrerupător electric de comutare
A – Amper
mA – Miliamper
mm – Milimetru
Cc – Curent continuu
mW – Miliwatt
°C – Grad Celsius
M – Metru
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 8
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 1. INTRODUCERE
Raspandirea largă a sistemelor de organizare a componentelor, materi alelor din
diverse domenii necesită implementarea a noi sisteme de căutare și sortare a acestora, bazate pe
și folosind sisteme mecatronice. Aceste metode de organizare intalnite in special in domenii ale
industriei tehnologice devin din ce in mai importan te, productivitatea fiind strans legata de buna
organizare si sortare a materialelor prime, de prelucrat sau piese de asamblat precum si scurtarea
duratei de timp necesara cautarii piesei respective.
Diverse soluț ii constructive presupun folosirea s istemelor automatizate care
inglobeaz ă senzori și sisteme de ac ționare electrice, pneumatice sau hidraulice, ins ă componenta
important ă este aceea de a memora pozi ția exact ă a fiec ărei piese pentru o c ăutare c ât mai
ușoară. Acest aspect este unul din princ ipalele probleme abordate in cadrul acestei lucr ări.
Aceasta lucrare de diplomă are ca scop proiectarea și construc ția unui sistem
mecatronic de c ăutare a componentelor electronice dispuse in sertare etajate care fac parte dintr –
un dulap auto matizat, folosind un sistem electro -mecanic de ejectare a acestora. Piesele
electronice sunt introduse intr -o bază de date pentru a ține evidența acestora și poziția, respectiv
sertarul in care se află. Căutarea se va realiza prin introducerea de către un utilizator a denumirii
produsului folosind un soft de căutare.
Sistemul este conceput pentru a servi in domenii precum: fabricației (linii de asamblare),
de servire in amplasamente din industria comertului, laboratoare specializate, domeniul medical
(farm acii, spitale).
Sistemul mecatronic de cautare a componentelor electronice prezentat in cadrul acestui
proiect are in componenta sa urmatoarele elemente:
6. Cadru realizat din teava de metal cu sectiune patrata 20x20x1.5mm (L x l x h)
7. Dulap din plastic cu 32 sertare mici si un sertar mare amplasat in partea inferioara
8. Axa de sustinere orizontala avand deplasare verticala
9. Axa culisantă, avand rol de deplasare a actuatorului pe plan orizontal
10. Ansamblu surub – piulita format din tije filetate cu rol de miscare de rotatie , in urma
carora va rezulta miscarea de tip translatie a actuatorului, respectiv a ansamblului format
din axa de sustinere si actuator.
Sistemul de actionare este alcatuit din urmatoarele componente:
Motor electric cu reductor pentru deplasarea verticala a ansamblului actuatorului.
Motor electric cu reductor pentru deplasarea pe directie orizontala a ansamblu lui.
Actuator format din motor electric cu pinion și cremaliera.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 9
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
2. STADIUL ACTUAL AL CE RCETARILOR ȘI
REALIZARILOR PRIVIND SISTEMELE MECATRONICE DE
CAUTARE A COMPONENTE LOR ELECTRONICE
2.1Noțiuni generale
2.1.1. Conceptul de „mecatronică”: definiție; modele
Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost conceput în 1969 de un
inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric și protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se
referea inițial la complectarea structurilor mecanice din construcția aparatelor cu componente
electronice. În prezent termenul de finește o științ ă inginerească interdisciplinară, care, bazându –
se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din construcția de mașini, electrotehnică și
informatică, își propune să îmbunătățească performanțele și funcționalitatea sistemelor tehnice.
Cele mai sugestive reprezentări ale mecatronicii sunt reprezentate prin intersecția a
trei sau mai multor cercuri. După modul în care sunt definite zonele de intersecție, există multe
modele, unele fiind prezentate în figura 1.1
Fig. 1.1 Diagram e pentru ilustrarea noțiunii de mecatronică:
a) Conceptul Universității Stanford; b) Conceptul Universității Missouri -Rolla;
c) Conceptul Universității Purdue [1]
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 10
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 2.1.2. Evoluția sistemelor tehnice: de la sisteme pur mecanice la sisteme
mecatronice
Dezvo ltarea mecatronicii și a produselor și tehnologiilor mecatronice reprezintă o etapă
logică și concretă în evoluția științei și a tehnologiei, iar revelația inginerului de la Yaskawa era
inevitabilă, în condițiile în care electronica devenise o componentă c are nu mai putea fi separată
de sistemele mecanice.
Evoluția omenirii a fost însoțită de o dezvoltare lentă a uneltelor, sistemelor și dispozitivelor
create și realizate de om, începând din paleolitic și până în secolul 18, când odată cu inventarea
mașinii cu abur (James Watt – 1788), care a marcat începutul revoluției industriale, sistemele
tehnice au cunoscut o evoluție rapidă. Mașina cu abur s -a constituit într -una dintre primele etape
ale procesului de înlocuire a muncii fizice, prestate de oameni și animale, cu lucrul mecanic
efectuat de mașini. Câteva etape importante de -a lungul acestui drum: 1775 – prima mașină
orizontală de găurit și alezat țevile de tun (englezul John Wilkinson); 1784 – ciocanul mecanic
cu abur; 1795 – presa cu transmisie hidr aulică; 1797 – primul strung cu cărucior și păpușă
mobilă, acționate de un ax elicoidal; vaporul cu aburi (începutul secolului 19); locomotiva cu
aburi (mijlocul secolului 19).
Pe parcursul secolului al 19 -lea apar și se dezvoltă motoarele cu ardere i nternă, ca rezultat al
preocu pării unor inventatori de a realiza mijloace de transport rutiere: 1807 – brevet pentru un
motor cu un cilindru vertical, cu funcționare pe gaz și cu aprindere cu ajutorul unei scântei
electrice; 1872 – invenția motorului cu be nzină și supape laterale – motorul Otto; 1887 – motorul
Daimler, cu ardere internă, cu doi cilindri în V, la care aprinderea combustibilului avea loc la
fiecare rotație a arborelui (capacitatea cilindrică de 1,5 l; puterea de 7,5 CP);
Caracteristica e sențială a sistemelor tehnice, până în jurul anilor 1900 este aceea că acestea
erau pur mecanice. Mecanica „pură” a permis realizarea unor bijuterii tehnice, cum ar fi
precursorul genial al calculatorului electronic, reprezentat de mașina de calcul a lui C harles
Abbage, sau mașina de scris mecanică; s -au pus însă în evidență și limitele acestor sisteme.
O dată cu dezvoltarea motoarelor electrice apar: – motorul de curent continuu în 1870 și cel de
curent alte rnativ în 1889, care au permis realizarea, la începutul secolului 20, a unor sisteme
mecanice cu acționare electrică (pompe, mașini , unelte etc.). Electrotehnica a permis și saltul la
realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI,
amplificatoare electric e, având ca exponenți avioanele, mașinile, unelte, turbinele cu aburi,
automobi lele.
Perioada de după cel de -al doilea război mondial este caracterizată prin realizări științifice și
străpungeri tehnologice remarcabile: primul calculator electronic nu meric în 1945, tranzistorul
cu germaniu în 1948, cel cu siliciu în 1952, tiristorul în 1958, primul circuit integrat în 1959,
laserul etc.
În 1953 la Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) s -a realizat și s -au făcut
demonstrații cu o mașină d e frezat cu comandă nu merică. Ca început al mașinilor -unelte cu
comandă numerică poate fi considerată utilizarea benzii perforate în războiul de țesut automat și
în pianola mecanică cu program. Un rol important în perfecționarea acestor mașini l -a avut
utilizarea calculatorului în locul benzii perforate, ajungându -se la comanda numerică, cu ajuto rul
calculatorului, a mașinilor -unelte.
La 1960 sunt realizați și primii roboți industriali. Fabricarea și utilizarea roboților a fost
facilitată de rezolvare a anterioară a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcționarea
roboților:
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 11
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Problema manipulării pieselor la distanță, cu ajutorul mecanismelor articulate,
denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impusă de necesitatea
manipulării materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, în procesul
utilizării energiei nucleare. În 1947 a fost construit primul telemanipulator cu servo -acționare
electrică, în care operatorul uman nu controla forța de prindere. În 1948 a fost introdusă legătura
inversă (feed -back), realizându -se astfel telemanipulatorul cu „buclă închisă”. Fabricarea
anipulatoarelor cu operator uman a implicat rezolvarea unor probleme esențiale pentru
proiectarea și realizarea unui robot: modelare a cu ajutorul mecanismelor a mișcărilor brațului și
antebrațului omului (mecanisme de poziționare); modelarea cu ajutorul mecanismelor a
mișcărilor de orientare specifice încheieturii mâinii omului (mecanisme de orientare); modelarea
mișcărilor degetelor m âinii, specifice operațiilor de prindere.
Problema automatizării mașinilor unelte prin intermediul comenzii numerice. A
permis stăpânirea comenzii incrementale a mișcărilor și a poziționării de mare precizie, prin
dezvoltarea de servo -motoare, servo -comenz i și senzori de poziție/deplasare.
Problema automatizării calculelor și a controlului cu ajutorul calculatoarelor
electronice .
Repere semnificative în evoluția roboticii:
1961 – instalarea primului robot industrial – UNIMATE la General Motors. Ȋ n
următoare le decenii , industria automobilului a fost forța pentru producția roboților industriali.
Astfel, în 2002, în Germania erau 120 de roboți la fiecare 10.000 de angajați, iar în industria
automobilului proporția era de 1 robot la 10 muncitori productivi.
1963 – Cercetătorii de la Rancho Los Amigos Hospital din California au construit
„Rancho Arm” pentru sprijinirea persoanelor cu handicap . Avea 6 articulații, dispunea de gradele
de mobilitate ale mâinii umane și a deschis drumul spre construirea roboților an tropomorfi.
Studentul în construcția de mașini, Victor Scheinman, a realizat la Stanford Artificial
Intelligence Laboratory, robotul Stanfor d pentru microchirurgie. Avea 6 grade de mobilitate și
era primul robot conceput pentru comanda cu calc ulatorul. A fost precursorul unor roboți
industriali remarcabili, ca PUMA (Programmable Universal Manipulator for Assembly), robotul
cu cel mai mare succes de piață până în prezent.
1979 – Robotul mobil Stanford Cart a reușit prima parcurgere a unei incin te
mobilate cu scaune. Se baza pe o cameră video, montată pe o sanie, și își stabilea drumul pe bază
de grafuri și algoritmi de căutare. Primele mașini mobile reprezentative au fost însă „broaștele
țestoase” Elsie și Elmer ale englezului Grey Elmer, în 195 0, capabile să identifice o priză
electrică și să -și încarce bateriile.
1973 – La Universitatea Waseda din Tokyo a fost realizat primul robot umanoid în
mărime naturală – Wabot -1. Japonezii sunt cei mai fervenți susținători ai dezvoltării unor roboți
cu as pect umanoid, care să fie acceptați mai ușor ca „parteneri” în servicii, munci casnice,
ajutorarea persoanelor cu handicap . Exemple semnificative: roboții P3 (Honda) și Asimo
(Advanced Step in Innovative Mobility). Acesta din urmă, realizat în 2001, are o înălțime de
1,20 m, o greutate de 43 kg, iar prin modificarea centrului său de greutate se poate deplasa și în
curbe.
Doi roboți umanoizi renumiți de la M.I.T. – Kismet („Soartă”), au buze de
cauciuc, urechi rozalii, care arată ca două șervețele împăturite , ochi mari, în care sunt montate
camere miniaturale și poate vedea, auzi și vorbi cu ajutorul unui sintetizator; Cog (Cognition =
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 12
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Cunoaștere), este constituit dintr -un trunchi de robot, care poate prinde obiecte și le poate aduce
în dreptul celor doi ochi , materializați prin două camere vid eo.
2.1.3. Clasificarea sistemelor mecatronice
O imagine asupra diversității și complexității domeniilor care sunt incluse în vasta
noțiune de “Mecatronică” poate fi furnizată de tematica secțiunilor primei conferințe
IFAC (International Conference of Automatic Control) de “Sisteme Mecatronice”,
organizată între 18 și 20 septembrie 2000 la Darmstadt (Germania):
Secțiunea A – Sisteme mecatronice, incluzând vehicule mecatronice, motoare și
mașini mecatronice, trenuri mecatron ice și sisteme spațiale mecatronice;
Secțiunea B – Componente mecatronice, cu temele actuatori și dispozitive
mecatronice și lagăre magnetice;
Secțiunea C – Roboți și mașini pășitoare, cuprinzând roboți mecatronici, sisteme
robotice mobile, mașini pășitoar e;
Secțiunea D – Proiectarea sistemelor mecatronice – a avut ca centre de greutate:
modelarea și identificarea; instrumente software; simularea în timp real și hardware -in-
the-loop;
Secțiunea E – Controlul automat al sistemelor mecatronice, s -a concentrat asupra
metodelor de control, a controlului mișcării și vibrațiilor și a sistemelor mecatronice
pentru detectarea și diagnosticarea erorilor.
Conceptul de sistem mecatronic
Un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează, într -o configurație
flexibilă, componente mecanice, electronice și de comandă cu sisteme numerice de
calcul, pentru generarea unui control inteligent al mișcărilor, în vederea obținerii unei
multitudini de funcții.
Făcând analiza sistemelor mecatronice din punct de vedere al caracteristicilor lor
comportamentale, le putem împarti în:
Sisteme mecatronice automate;
Sisteme mecatronice inteligente;
Rețele mecatronice inteligente.
Sistemele mecatronice automate sunt capabile să manevreze materiale și energie,
comunicând cu med iul înconjurător și au capacitatea de auto -reglare, care le permite să
reacționeze la schimbări previzibile ale mediului într -un mod programat anterior.
Marea majoritate a sistemelor mecatronice aparțin acestei categorii.
Sistemele mecatronice inteligente sunt capabile să realizeze un scop impus în
condiții de incertitudine. Spre deosebire de sistemele automate, care sunt programate
pentru a se comporta într -un mod dorit și sunt, în consecință, previzibile. S istemele
inteligente pot atinge un scop specifica t într -un mod imprevizibil. Ele sunt înzestrate cu
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 13
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 un înalt nivel de flexibilitate, fiind capabile să răspundă la schimbări frecvente ale
mediului, fără a fi necesară o reprogramare a lor. Această diferență calitativă în
comportament este determinată de se pararea bazei de cunoștințe (knowledge base) de
motorul de rezolvare a problemei (inference engine), concept de bază în inteligența
artificială .[2]
2.2. Sisteme moderne de sortare
2.2.1. Carusele orizontale
Caruselele orizontale sunt ideale sistemului de stocare și recuperare, cu o viteză dest ul de
mare de livrare a piesei ș i aplicației de sortare. Sunt proiectate și construite pentru rapid itate și
configurare flexibilă.
Avantaje:
economie de spațiu;
reducerea costurilor forței de muncă;
transfer rapid;
îmbunătăți rea p reciziei ordinei și de control a inventarului.
Utilizari frecvente:
1. Produse ce necesită livrarea direct către angajat .
2. Transportul unui lot întreg de piese .
3. Manipulare în operațiuni de reaprovizionare a magazinelor .
4. Operații de sortare, în special des tinat diferitel or departamente în cadrul unei hale de
producție și montaje, bazate pe stații dispuse pe raionuri sau în cadrul magazinelor .
Caracteristici avantajoase:
Toate modelele sunt construite cu aceeași dimensiune, fiind solide, realizate din o țel, având o
capacitate mare a spațiului de depozitare în sertare, cât și dimensiunea cadrului, asigurând o
livrare rapidă. Sertarul este reglabil, deplasându -se în plan vertical la înălțimea dorită. Carusele
orizontale pot fi duble sau triple, suprapuse . Sistemul funcționează cu componente întâlnite ușor
în comerț, precum motoare de antrenare, reductoare, transformatori, respectiv alte componente
electrice ce servesc funcționării corecte a acestuia. Astfel se pot efectua reparații în timp cât mai
scurt, fă ră timpi morți în procesul de producție sau servicii.
Sistemul oferă o încărcare de 68 kg pe fiecare carusel, cu posibilitatea măririi capacității
de încărcare până la 907 kg. Containerele pot fi personalizate , atingând o înălțime maximă de
4,6 m.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 14
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Contro llerul carusel ului orizontal, montabil în orice locație, oferă mai multe niveluri de
control ș i funcționează cu o interfață tip rețea bazată pe sisteme software cu operare manuală
prin intermediul unor butoane de funcții și comandă electronică. Acestea afișează mesaje clar e,
ușor de citit pentru operator și oferă alte funcții precum comunicare cu alte sisteme și de
diagnosticare a sistemului .
Partea funcțională pentru controlul opririi de urgență se poate amplasa în orice locație a
sistemul ui, inclu siv pano uri sau stații de lucru. Circuite cu celule fotoelectrice verticale și
orizontale sunt de asemenea disponibile pentru siguranță suplimentară.
Interfațarea cu utilizatorul se face cu ajutorul display -urilor cu gabarit redus, care sunt
configurabile pe carus elurile orizontale. [3]
2.2.2. Kardex Remstar Orizontal
Sistemul Orizontal, este un sistem automatizat de stocare de tip carusel orizontal , oferit
de către producătorul Kardez . Acesta a fost instalat cu succes într -un număr mare de companii și
are înălțimi de pân ă la 4,1 metri și sarcini utile de până la 60 de tone.
În funcție de mărimea de instalare și concepere, sunt posibile o varietate de aplicații ale
acestora:
Stația dublă are deschiderile de acces dispuse în mod paralel sau în unghi drept una față
de alta, ceea ce permite operarea de către o singură persoană în mod ușor.
Stația triplă are dispunerea construcției în mod normal în L sau forma de U.
Stația cuadruplu este recomandată atunci când există o gamă largă de produse și este
necesară o frecvență mare de acces.
Sistemul poate fi pe mai multe niveluri:
Două sau trei carusele orizontale sunt stivuite unul deasupra celuilalt. Accesul și
stațiile de comerț se află la nivelul solului și la fiecare nivel,fiecare platformă funcționând în mod
independent.
O platformă de ridicare aduce întotdeauna produsele către operator, care se află la unul
din etaje, la înălțimea corectă pentru acces ergonomic. Pentru a optimiza managementul
timpului, înălțimea de instalare este împărțită în zone de acces de către soft ware -ul de
management de stocare. Toate informațiile dintr -o zonă sunt furnizate înainte ca platforma de
ridicare s ă fie mutată la următoarea zonă de acces. Pentru conectarea nivelurilor etajate între ele,
în scopul menținerii traseului de transportare, în tre stații, a produselor, se incorporează o bandă
transportoare.
Soluție software
Acest sistem permite operatorului să trimită mai multe comenzi, cee a ce ajută la creșterea
semnificativă a productivității și oferă flexibilitatea de a adăuga o comandă cu u șurință și cu un
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 15
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 minim de muncă suplimentară, acestea reprezentând metode pentru a spori și mai mult viteza de
preluare, atunci când volumul de ordine este mare.
Sistemul comunică cu diverse dispozitive periferice, cum ar fi scanerele de coduri de
bare, l umini de lot, cu LEDuri sau indicii de lumină laser și imprimante. Alegerea de către sistem
a proceselor permite un acces rapid și permite funcționarea în paralel pe comenzi, crescând astfel
eficiența afacerii.
Sistemul Kardex are în componența sa diferiț i indicatori optici și metode simplificate de
marcare a conexiunilor de intrare, ceea ce duce la reducerea erorilor introduse de către operatori.
Module opționale suplimentare și ajustări individuale sunt la dispoziția clientului pentru a
spori, a sprijin i și a optimiza managementul în depozit. Alegerea sistemului poate fi
implementată ca soluție de sine stătătoare sau integrată în sistemul informatic prin interfețe
flexibile.
Avantaje:
Are structură modulară și opțiuni versatile – permite ajustări pentru a modifica cerințele
în orice moment;
Utilizarea optimă a spațiului de stocare – până la 85% mai mult posibil spațiu de stocare;
Puterea de calcul, reprezentată de software -ul de management al depozitelor crește
eficiența instalației de stocare;
Designul user friendly reduce semnifi cativ sau chiar în totalitate timpul petrecut căutând,
astfel că operatorul este capabil să lucreze eficient și să aibă acces la toate materialele cât
mai rapid;
Precizie ridicată – metode de intrare simplificate duce la reduce rea erorilor comerciale și
de a imbunatați precizia comercială semnificativ;
Creșterea profitabilitații din cauza productivității ridicate prin reducerea timpilor de
manipulare, duce la creșterea preciziei și a disponibilității pe stoc;
Are o structură modulară: utilizarea software -lui pentru a gestiona spații le de depozitare
în rafturi statice și de a optimiza facilitatea de stocare în orice moment prin actualizarea
cu sisteme de stocare dinamice. [4]
2.2.3. Stația Tall cu platformă de ridicare
Caracteristici importante:
– Crearea, editarea și gestionarea comenzilor pentru stocare și recuperare
– Datele de ordine de import (timp controlat interval, pentru a pune și recuperare)
– Managementul stocurilor de materiale
– Clasificarea de materiale cu ajutorul familiilor de materiale
– Documente și imagini pot fi atribuite materialului
– Afișare a imaginii de material în spațiul posibil de depozitare
– Management de spații de depozitare
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 16
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 – Înregistrarea comenzilor de stocare și de recuperare
– Modalități de înregistrare de corecție a st ocurilor
– Raportare simplă, folosind liste și rapoarte predefinite
– Management convenabil de drepturi de utilizare
– Manipulare specială pentru componente SMD
– Recuperarea completă a stocului de spațiu de stocare pentru linia de producție
– Posibilitatea gestionă rii mai multor linii de producție
– Transferul de la o linie de producție la alta (acces la materiale deja recuperate)
– Reglare a diferenței în cantitate, în ordinea de întoarcere dacă bunurile sunt
ulterior transferate la linia de producție
– La stocare sistem ul optimizează procesele de stocare de materiale de același tip,
plasându -le împreună pe același raft în cea mai mare măsură posibilă, atunci când stocarea este
în mai multe domenii
– Management de încărcare și / sau numărul de serie
Pentru fiecare mișcare î n depozit, pe lângă alte ordine și a datelor materiale (de exemplu,
materiale, numărul de ordine, precum și cantitatea) numărul de încărcare este, de asemenea,
înregistrat în istoricul programului software.
Strategii de picking (recuperare) multiple: indif erent dacă sunt administrate, sau nu, de
către operator, utilizarea listelor de optimizare și de imprimare sau integrare a sistemelor
prezentate, va determina creșterea eficienței procesului de stoc are și recuperare a produselor.[5].
2.2.4. Communicator Pro
Este un sistem de stocare , destinat întreprinderilor care operează deja cu un ERP
(Enterprise Resource Planning – planificarea resurselor în întreprinderi) sau un sistem WMS
(Warehouse Management Software – software pentru managementul depozitelor) când se d orește
o performanță mai mare de la sistemele de stocare dinamice.
Acesta conține următoare module:
1. Controlul de la distanță printr -un sistem server – gazdă ce oferă posibilitatea
managementului materialelor, stocurilor, strategiilor și a tuturor celorlal te activități de
depozitare, în directă legătură cu managementul de amplasare, toate fiind gestionate
direct de către sistemul server.
2. Interfață automată pentru sistemul gazdă, interfață generală care să permită transferul
bidirecțional de date de materia l de bază și a datelor legate de comenzi, cu un sistem gazdă.
Datele pot fi transferate în format standard de fișiere text (fișiere text ASCII), CSV sau
fișiere XML, tabelele bazei de date (ODBC), sau prin interfețe gazdă specifice, cum ar fi
SAP Idocs, Ba aN – protocoale sau bucle de date. Conexiunea online în scopul legării la gazdă
este de asemenea posibil.
Funcționalități ale sistemului:
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 17
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
– Metode de sincronizare a datelor între master (server) și gazdă (sistemul gazdă)
– Raportarea rezultatelor acțiunilo r efectuate de către sistemul gazdă ( ex: listă
pentru rezervare export a comenzilor)
– Evidența inventarului . [6].
2.2.5. Kardex Remstar Shuttle XP1000
Shuttle XP1000 este un sistem tip lift vertical prezentat in figura 2.1. cu un design
compact, care poate fi i nstalat în două variante: un singur modul sau mai multe module în mod
etajat cu multiple puncte de acces, dispuse până la o înălțime maxima de 20 metri.
Sistemul vine echipat cu modulul de control Logicontrol 100. Aparatul de control are în
component sa un ecran touchscreen pentru comandarea sistemului auto mat de depozitare și
recuperare . Opțiuni de instalar e: maca ra pentru gestionare, sertare special e destinate suportului
de paleți, până la 6 puncte de acces per modul, indicatoare de poziție cu LEDuri, fotocelule
pentru monitorizarea căilor de rulare a liftului, sistem pentru servicii de urgență , pointer laser,
bară de confirmare, sistem pentru măsurarea greutăților.
Avantajele acestui sistem sunt:
Stocare de până la 1000kg pe fiecare sertar
Rezistență la sarcină pe macaraua de extragere a componentelor de până la 20kg
Montarea de posibile extensii și accesorii precum extensia de până la 6 puncte de
acces per modul
Folosirea unor sertare mixte depinzând de aplicație
Macara inclusă pentru gestionarea piesel or stochate în sertare [7].
Figura 2.1. Kardex Remstar Shuttle XP1000 [7].
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 18
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
2.2.6. Sistemul tip lift vertical Randex
Sistemul de sortare tip lift vertical Rande x, prezentat in figura 2.3 , este u n automat de
sortare care rezolvă problematica deplas ării operatorului . Componenta dorită este adusă direct la
operator, fiind deplasată cu un cărucior imediat după introducerea comenzii. Căruciorul se află la
o înălțime care să permită accesul în mod ușor la piesa adusă din rafturile de depozitare.
Firma Randex, arată că această metodă de deplasare a pieselor în mod automat pe
cărucioare este de 2 -4 ori mai rapidă decît metodele tradiționale și economisește spațiul util
alocat în proporție de 70 -90%.
Proprietățiile definitorii ale acestui sistem de sortare vertical sunt:
Deplasare pe două axe , orizontală și vertical ă, prin intermediul a 4 roți dințate aflate în 4
rafturi diferite .
Siguranța în exploatare: Celule fotosensibile la capătul cursei de livrare contr olează înălțimea
poziției componentelor , iar un element sensibil la forță la capătul de cursă elimină șansele de
blocare a sistemului . Erorile sunt afișate în timp real pe un ecran.
Ergonomia reprezentată de ajustarea sistemului pentru persoane având diferite înălțimi
Sistemul integrează două concept e de lucru și anume: CompactTalk și CompactBas . În
cadrul conceptului CompactTalk , sistemul nu deține date despre conținutul cărucioarelor de
transport , în timp ce în cadrul conceptului CompactBas se cunoaște de c ătre automat conținutul,
poziția și cantit atea fiecărei componente din rafturile de stocare.
Destinații posibile pentru implementare sunt:
– Acoperișuri cu bârne
– Acoperișuri înclinate
– Amplasarea pe două etaje
– În afara unor clădiri existente [8].
Fig.2.3. Sistemul de sortare tip lift vertical Randex [8]
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 19
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
2.2.7. Sistem lift vertical SPSS
Sistemul de sortare, Small Parts Storage Systems , din figura 2. 4 este oferit de către firma
Lauyans & Company Inc.
Caracteristici le sistemului sunt:
– Dimensiuni:
Mărimea baze i: 175 x 252cm
Înălțime: 31 – 102cm
– Dimensiuni cărucior:
Adâncime și lățime : 67 x 142cm
Înălțime: 5.1cm
Capacitate de încărcare: 229kg
– Dimensiuni rafturi :
Distanțare rafturi: 10.2cm – 71.1cm, ajustare centrare : 2.5cm
Funcționarea mecanismului platformei:
Motor AC 3 cai putere, cu frânare mecanică sau electrică și encoder de
rezoluție mare
Viteză de 45.7m pe minut până la 54.8m pe minut
Cabluri de ridicare (2) , cablu de grosime 0.6cm , încărcare de 3084kg
Motor extractor ¼ cai putere [9].
Fig.2.4. Sistem lift vertical SPS [9].
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 20
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 2.3. Justificarea soluției preconizate și obiectivele proiectului
După analiza critică a cercetarilor și realizărilor privind sistemele mecatronice de căutare
s-a ajuns la următoarele concluzii:
În prezent nu există sisteme d e sortare și căutare specializate a diferitor componente a căror
flexibilitate și gabarit redus să ofere o alternativă ieftină de implementare într -un magaz in de
componente electronice, un sistem pentru ateliere personale sau integrate pe linii de montaj.
Sistemele de sortare existente tip lift vertical sau dulap cu sertare sunt destinate în principal
halelor mari și încăperilor înalte. Aceste sisteme nu sunt viabile depozitării și sortării
componentelor de dimensiuni mici sau destinate atelierelor speciali zate care nu dispun de
spațiu mărit de lucru.
Aplicabilitatea unui astfel de sistem și în afara domeniului mecatronic reprezintă o posibilă
opțiune de dezvoltare . Folosirea acestuia se poate extinde și în domen ii precum medicina, în
special î n laboratoare le de analiză medicală unde se lucrează cu multe date și este necesară
evidența acestora. Alte destinații unde un astfel de sistem mecatronic și -ar găsi folosința pot
fi: domeniul culinar, case de marcat , cutii de valori personale etc.
Din concluziile pr ezentate anterior, reiese faptul că un astfel de sistem de căutare și
sortare a unor componente electronice este o variantă fezabilă și ieftină, ușor de implementat în
majoritatea domeniilor care au nevoie de o evidență a unor componente sau date important e.
Prin urmare, obiectivele acestei lucrări de diplomă sunt:
Realizarea sistemului de căutare și sortare cu ajutorul unei baze de date ;
Realizarea sistemului din punct de vedere , mecanic,electronicși software .
Sistemul are în componența sa următoarele el emente:
1. Dulap ;
2. Cadru ;
3. Axa culisantă orizontală ;
4. Suport culisant vertical ;
5. Tija filetată verticală ;
6. Tija filetată orizontală ;
7. Actuatorul liniar ;
8. Motor POLOLULU ;
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 21
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
3. CONSIDERAȚII PRIVIND PROIECTAREA
SISTEMELOR MECATRONI CE
3.1. Structura ge nerala a unui sistem mecatronic de căutare a
componenteleor electronice
În structura unui sistem mecatronic de căutare a componentelor electronice , elementele
sunt prezentate in figura 3.1.
Fig. 3.1 Structu ra unui sistem mecatronic de căutare
3.1.1. Metode de că utare și sortare si evidențiere
Există mai multe metode de tinere a evidentei produselor in magazine,
fabrici, dintre care se pot enumera cele mai importante:
1. Baza de date
În ultima perioadă , dezvoltarea sistemelor de baze de date reprezintă unul dintre cele mai
importante aspecte în domeniul tehnologiei informației, având un impact decisiv asupra modului
de organizare și funcționare a numeroaselor instituții și servicii. Acestea sunt companiile de
comunic ație, intreprinderile de comerț, serviciile bancare, serviciile de transport, asigurările,
universitățile etc. Acestea sunt dependente de funcționarea corectă și neîntreruptă a sistemelor de
baze de date.
Sistemele de baze de date sunt o componentă impor tantă a vieții de zi cu zi în societatea
modernă. Zilnic, majoritatea persoanelor desfășoară activități care implică interacțiunea cu o
bază de date: depunerea sau extragerea unei sume de bani din bancă, rezervarea biletelor de tren
sau de avion, căutarea unei cărți într -o bibliotecă computerizată, gestiunea angajaților dintr -o
firmă, cumpărarea unor produse etc.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 22
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Bazele de date pot avea mărimi (număr de înregistrări) și complexități extrem de variate,
de la câteva zeci de înregistrări (de exemplu, baza d e date pentru o agendă de telefon a unei
persoane) sau pot ajunge la milioane de înregistrări (de exemplu, baza de date pentru cărțile
dintr -o bibliotecă, baza de date cu stocarea angajaților unei firme sau baza de date unde se
păstrează informații despre situația studenților etc).
Marea majoritate a sistemelor de baze de date existente în momentul de față sunt
relaționale și există un număr mare de astfel de sisteme comerciale care pot fi achiziționate și
folosite pentru propriile dezvoltări. Modelul re lațional de baze de date a fost introdus în anul
1970 de către E.F.Codd.
Utilizatorii unei baze de date au posibilitatea să efectueze mai multe categorii de operații
asupra datelor stocate aici:
• Introducer ea de noi date (insert)
• Ștergerea unor date existente în baza de date(delete)
• Actualizarea datelor stocate(update)
• Interogarea bazei de date (query) pentru regăsirea anumitor informații, selectate după un
criteriu ales.
Baza de date (database) este o colecție de date corelate din punct de ve dere logic, care
reflectă un anumit aspect al lumii reale și este destinat unui anumit grup de utilizatori. În acest
sens, bazele de date pot fi create și menținute manual (un exemplu ar fi fișele de evidență a
cărților dintr -o bibliotecă, așa cum erau fol osite cu ani în urmă) sau computerizat așa cum sunt
majoritatea bazelor de date în momentul de față. O definiție într -un sens mai restrâns a unei baze
de date este următoarea:
O bază de date este o colecție de date centralizate, creată și menținută comput erizat, în
scopul prelucrării datelor în contextul unui set de aplicații. Prelucrarea datelor se referă la
operațiile de introducere, ștergere, actualizare și interogare a datelor.
Simple colecții de fișe (documente pe hârtie) sau fișiere de date care co nțin date, dar nu
permit operații de interogare nu sunt considerate baze de date. De exemplu, datele memorate în
fișiere pe disc într -o aplicație de calcul tabelar (Microsoft Excel) sau documentele memorate de
un editor de texte (ca Microsoft Word) nu sunt considerate baze de date.
Orice bază de date are următoarele proprietăți implicite:
• Baza de date este o colecție logică coerentă de d ate ce are cel puțin un înțeles ;
• Baza de date este construită și populată de date despre un domeniu bine precizat. Ea are
un grup de utilizatori și se adreseaz ă unui anumit grup de aplicații ;
• O bază de date reprezintă câteva aspecte ale lumii reale creând orizontul propriu.
Schimbările orizontului sunt reflectate în baza de date.
Față de vechile metode de înregistr are a datelor privind diferite activități pe fișe
(documente scrise) sau chiar în fișiere pe disc, sistemele de baze de date oferă avantaje
considerabile, ceea ce explică extinsa utilizare a acestora.
Câteva dintre avantajele oferite sunt:
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 23
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 • Controlul ce ntralizat al datelor, p utând fi desemnată o persoană responsabila cu
administrarea bazei de date;
• Viteză mare de regăsire și actualizare a informațiilor;
• Sunt compacte: volumul ocupat de sistemele de baze de date este mult ma i redus decât
documetele sc rise;
• Flexibilitatea ce constă în posibilitatea modificării structurii bazei de date fără a fi
necesară modif icarea programelor de aplicație ;
• Redundanță scăzută a datelor memorate, care se obține prin partajarea datelor între mai
mulți utilizatori și aplicații. În sistemele de baze de date, mai multe aplicații pot folosi date
comune, memorate o singură dată. De exemplu, o aplicație pentru gestionarea personalului dintr –
o universitate și o aplicație pentru gestionarea rezultatelor la examene din aceeași universitate
care folosește o singură bază de date, pot folosi aceleași informații referitoare la structurarea
facultăților;
• Posibilitatea introducerii standardelor privind modul de stocare a datelor, ceea ce
permite interschimbarea datelor între organ izații ;
• Menținerea integrității datelor prin politica de securitate (drepturi de acces diferențiate
în funcție de rolul utilizatorilor), prin gestionarea tranzacțiilor și prin refacerea datelor în caz de
funcționare defectuoasă a diferitelor componente hardware sau software;
• Independența datelor față de suportul hardware utilizat. Sistemul de gestiunea a bazelor
de date oferă o vizualizare a datelor, care nu se modifică atunci când se schimbă suportul de
memorare fizic, ceea ce asigură imunitatea stru cturii bazei de date și a aplicațiilor la modificări
ale sistemului hardware utilizat.
Clasificarea sistemelor de baze de date
Se pot lua în considerare mai multe criterii de clasificare ale sistemelor de baze de
date:
Clasificare după modelul de date .
Majoritatea sistemelor de baze de date actuale sunt realizate în modelul de date relațional
sau în modelul de date orientat obiect. Dezvoltarea continuă a acestor modele a condus către o
nouă categorie de baze de date numite obiect -relaționale, care com bină caracteristicile modelului
relațional cu caracteristicile modelului orientat obiect.
Modelul de date relațional (Relational Model) se bazează pe noțiunea de relație din
matematică, care corespunde unei entități de același tip și are o reprezentare uș or de înțeles și de
manipulat, ce constă dintr -un tabel bidimensional, compus din linii și coloane. Fiecare linie din
tabel reprezintă o entitate și este compusă din mulțimea valorilor atributelor entității respective,
fiecare atribut corespunzând unei c oloane a tabelului.
Modelul de date relațional a fost propus de cercetătorul E.F.Codd de la compania IBM,
care a publicat în 1970 lucrarea “Un model relațional de date pentru bănci mari de date
partajate”. Alte lucrări ale lui Codd, ca și ale altor cercet ători ca R. Boyce, J.D. Ullman etc au
perfecționat modelul de date relațional și au permis dezvoltarea sistemelor de baze de date.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 24
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Chiar dacă noțiunile de relație și tabel diferă în esența lor, relația reprezentând o mulțime
de entități și tabelul o repre zentare vizuală a acesteia, cele două denumiri se pot folosi, în general
pentru același scop.
Pe baza acestor noțiuni, se poate sintetiza esența modelului relațional prin următoarele
caracteristici:
• Datele sunt percepute de utilizatori ca tabele
Oper atorii relaționali care pot fi folosiți pentru prelucrarea datelor generează un tabel
rezultat din tabelele operanzi.
• Asocierea dintre tabele se realizează prin intermediul egalității valorilor unor atribute
comune, ceea ce permite rezolvarea oricărei in terogări.
Pe lângă avantajul unui model de date precis și simplu, sistemele de baze de date
relaționale mai beneficiază și de un limbaj de programare recunoscut și acceptat, limbajul SQL
(Structured Query Language), pentru care au fost emise mai multe s tandarde de către Organizația
Internațională de Standardizare (International Standardization Office -ISO). Majoritatea
sistemelor de gestiune a bazelor de date relaționale actuale implementează versiunea din anul
1992 a standardului pentru limbajul SQL, den umită SQL 92 sau SQL2.
Modelul de date orientat obiect (Object Model) este un concept unificator în știința
calculatoarelor, fiind aplicabil în programare, în proiectarea hardware, a interfețelor, a bazelor de
date etc. Sistemele de baze de date orienta te obiect se bazează pe limbaje de programare
orientate obiect cu capacități de persistență, în care datele sunt independente de timpul de viață al
programelor care le creează sau accesează, prin memorare pe suport magnetic (disc).
Există și unele domeni i, în special cele care manipulează tipuri de date complexe, cum ar
fi proiectarea asistată de calculator, sisteme de informații geografice, medicină etc, în care
modelul relațional s -a dovedit a fi insuficient de expresiv și cu performanțe de execuție red use.
Caracteristicile importante ale modelului orientat obiect sunt: abstractizarea, moștenirea,
încapsularea, modularizarea.
În programarea orientată obiect, programele sunt organizate ca și colecții de obiecte
cooperante, fiecare obiect fiind o inst anță a unei clase. Fiecare clasă reprezintă abstractizarea
unui tip de entitate din realitatea modelată, iar clasele sunt membre ale unei ierarhii de clase,
corelate între ele prin relații de moștenire. Orice obiect este încapsulat, ceea ce înseamnă că
reprezentarea lui (adică structura internă a acelui obiect) nu este vizibilă utilizatorilor, care au
acces doar la funcțiile (metodele) pe care acel obiect este capabil să le execute. Clasele și
obiectele unui program orientat obiect sunt grupate în module, c are pot fi compilate separat și
între care există granițe bine definite și documentate, ceea ce reduce complexitatea de manevrare
a datelor.
Din perspectiva realizării bazelor de date, o altă proprietate a modelului obiect,
persistența, este aceea care a sigură memorarea transparentă pe suport magnetic a obiectelor care
alcătuiesc o bază de date orientată obiect.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 25
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Modelul de date obiect -relațional (Object -Relational Model) reprezintă extinderea
modelului relațional cu caracteristici ale modelului obiect, extindere necesară pentru realizarea
bazelor de date care definesc și prelucrează tipuri de date complexe.
În esență, modelul obiect -relațional păstrează structurarea datelor în relații (reprezentate
ca tabele), dar adaugă posibilitatea definirii unor noi tipuri de date, pentru domeniile de valori ale
atributelor. Tipurile de date definite de utilizator pot fi extinse prin mecanismul de moștenire și
pentru fiecare tip sau subtip se pot defini metode pe care le pot executa obiectele de acel tip.
De ase menea mai sunt încă în funcțiune baze de date modele mai vechi: modelul ierarhic
și modelul rețea.
În modelul de date ierarhic (Hierarchical Model) o bază de date se reprezintă printr -o
structură ierarhică de înregistrări de date (records) conectate pri n legături (links). Modelul
ierarhic a fost primul model folosit pentru dezvoltatea bazelor de date.
Schema unei baze de date în modelul ierarhic este reprez entată printr -un număr o arecare
de scheme ierarhice. Schema ierarhică este un arbore direcționat , reprezentat pe mai multe
niveluri, în care nodurile sunt tipurile de înregistări, iar arcele sunt tipurile de legături. Fiecare
nod (cu excepția nodului rădăcină) are o legătură către un nod de pe un nivel superior (nodul
părinte) și fiecare nod (cu exce pția nodurilor frunză) are una sau mai multe legături către noduri
de pe nivelul imediat inferior (noduri fii).
Modelul de date rețea (Network Model) se bazează pe o structură de graf pentru
definirea schemei conceptuale a bazei de date; nodurile grafulu i sunt tipuri de entități
(înregistrări, records), iar muchiile grafului reprezintă în mod explicit asocierile (legăturile, links)
dintre tipurile de entități.
La fel ca și la modelul ierarhic, dezavantajul principal al modelului rețea este acela că
fiecare interogare trebuie să fie prevazută încă din faza de proiectare, prin memorarea explicită a
legăturilor între tipurile de entități. În plus, complexitatea reprezentării datelor în modelul rețea
este deosebit de ridicată, iar programatorii trebuie să o cunosască pentru a putea realiza
aplicațiile necesare.
Clasificare după numărul de utilizatori.
Majoritatea sistemelor de baze de date sunt sisteme multiutilizator, adică per mit accesul
în acelați timp a mai multor utilizatori la aceeași bază de date. E xistă și un număr redus de
sisteme monoutilizator, adică permite accesul doar al unui utilizator.
Clasificare după numărul de stații pe care este stocată baza de date
O altă clasificare este cea după numărul de stații pe care este stocată baza de date E xistă
două categorii de sisteme de baze de date: centralizate și distribuite.
Un sistem de baze de date centralizat (Centralized Database System) este un sistem de
baze de date în care datele și sistemul de gestiune sunt stocate pe un singur calculator.
Un sistem de baze de date distribuit (Distributed Database System) poate avea atât datele,
cât și sistemul de gestiune, distribuite pe mai multe calculatoare interconectate printr -o rețea de
comunicație.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 26
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Securitatea și protecția datelor în bazele de date
Prin securitatea și protecția datelor se înțelege totalitatea mijloacelor, metodelor și a
mecanismelor destinate prevenirii distrugerii, modificării sau folosirii neautorizate a informației
protejate.
Pentru protecția și securitatea datelor, în lit eratura de specialitate se definesc următoarele
concepte de bază:
• Securitatea datelor – totalitatea măsurilor de protecție împotriva distruger ii accidentale
sau intenționate a modificării neautor izate sau a divulgării acestora ;
• Caracterul secret – este un concept ce se aplică la un individ sau organizație și constă
în dreptul acestora de a decide ce informații se pot folosi în com un și în ce condiții ;
• Confidențialitatea – se aplică la date și se referă la statutul acordat, acesta reprezentând
nivelul sau gradul de protecție ce trebuie acordat informației respective;
• Integritatea – se referă la restricția ca sensul datelor să nu difere față de cel înscris pe
documentul sursă, impunând totodată ca datele să nu fie alterate accidental sau voit.
Noțiu nile de mai sus sunt strâns legate între ele, măsurile parțiale se suprapun și se
acoperă reciproc.
Securitatea și protecția datelor din baza de date constituie un domeniu foarte vast, care
prezintă două as pecte principale: pe de o parte, elementele leg ale și etice privind drepturile de
acces la anumite informații, iar pe de altă parte, elementele legate de organizarea sistemelor
informatice din punct de vedere al posibilităților de acces la datele stocate.
La nivelul sistemelor informatice se pot dife renția aspecte de securitate la nivel fizic
(hardware), la nivelul sistemului de operare și la nivelul sistemului de gestiune al bazei de date.
În principal, de problemele de protecție și securitate este responsabil administratorul
bazei de date, care a re un cont privilegiat în sistemul de gestiune (numit în general cont de
sistem – system account) care prevede capabilități foarte puternice, pe care alte conturi sau
utilizatori nu le au. Prin intermediul contului de sistem administratorul bazei de date poate
efectua mai multe operații: crearea conturilor, acordarea sau retragerea privilegiilor, etc.
Orice persoană care dorește să se conecteze (log in) la o bază de date trebuie să dețină
un cont (account, user) și o parolă (password). Sistemul de gesti une verifică contul și parola și
autentifică acel utilizator, dacă acestea sunt corecte. Programele de aplicații sunt considerate de
asemenea utilizatori și se conectează pe un anumit cont și trebuie să furnizeze parola acestuia.
O altă tehnică de protec ție și securitate a datelor este criptarea datelor (Data Encryption),
prin care datele importante sunt codate folosind diferiți algoritmi de codare, mai ales atunci când
sunt transmise prin intermediul rețelelor de comunicație. Interpretarea datelor cripta te este
dificilă dacă nu este cunoscută cheia (cifrul) de codare. În felul acesta numai utilizatorii
autorizați care dețin cheile de decriptare pot interpreta aceste date.
O altă tehincă se securizare a bazei de date pentru aplicațiile web ar fi instala rea unui
firewall, acesta fiind un calculator pe care este instalat un software special care permite accesarea
calculatorului pe care este stocată baza de date numai de către anumite calculatoare.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 27
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Deci, prin securitatea bazei de date se înțelege o multi tudine de măsuri destinate
protecției informațiilor conținute în baza de date împotriva unor alterări, distruger i sau divulgări
neautorizate.
O scurtă clasificare a bazelor de date este următoarea:
Clasificare după modelul de date:
Model de date relation al;
Model de date orientat obiect ;
Model de date obiect -relațional ;
Model de date ierarhic ;
Model de date rețea .
Clasifi care după numărul de utlizatori:
Baze de date multiutilizator ;
Baze de date monoutlizator .
Clasificare după numărul de stații pe care este stocată baza de date:
Sisteme de baze de date centralizate ;
Siste me de baze de date distribuite [10].
2. Codul de bare
Codul de bare este o reprezentare de date codificată, destinată a fi citită pe cale optică .
Un cod de date are aspectul unui șir de bare negre de diverse grosimi pe un fundal alb. În
general , fiecare cifră sau literă se reprezintă p rintr-o anumită combinație de una sau mai multe
bare. Codurile de bare sunt citite și decodate cu ajutorul unor scanere speciale. Acestea măsoară
reflex ia luminii, interpretează codurile drept cifre și litere și trimit acestea unui calculator sau
altui dispozitiv de gestionare a datelor. Scanerele actuale recunosc mai multe formate.
Simboluri le utilizate sunt în general restrâns e (cuprind, de obicei, lite re, cifrele și câteva
semne speciale), dar sistemele de alcătuire al codurilor de bare sunt foarte variate. Multe coduri
de bare constau în bare verticale (paralele cu axa Y), după diverse formate. Lungimea codului de
bare (pe axa X) depinde de cantitatea de date ce trebuie reprezentată.
Toate codurile de bare dispun de un caracter special de start/stop ce permite citirea atât de
la stânga la dreapta, cât și de la dreapta la stânga. Prin convenție caracterul din stânga este
considerat caracterul de start și caracterul din dreapta caracterul de stop.
Codurile de bare au fo st introduse deoarece mașinile, în general , nu citesc cu ușurință
reprezentarea grafică , normală a cifrelor și literelor; pentru aceasta s -a dezvoltat domeniul
specializat numit „Recunoașter ea optică a caracterelor” (în engleză: Optical Character
Recognition, OCR), care încă mai are puncte slabe.
De-a lungul anilor au fost dezvoltate un însemnat număr de standarde și formate (n umite
în engleză simbology).
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 28
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Istoria codurilor de bare
În 1932 , un grup de studenți de la Universitatea Harvard conduși de Wallace Flint au
demarat un proiect destul de îndrăzneț. Produselor le erau anexate puncte de reper din cataloage
de produse și erau centralizate într -o bază de date. Codurile de bare, în forma mode rnă, au
început să apară în 1948.
Bernard Silver, un absolvent al institutului „Drexel Institute of Technology” din
Philadelphia, a primit o cerere de dezvoltare a unui sistem automat de identificare a produselor.
Silver i -a povestit prietenului său Norman Joseph Woodland despre comanda primită. Woodland
avea 27 de ani și era profesor la același institut. Problema l -a fascinat pe Woodland, care a
început să lucreze la acest proiect.
Woodland a avut ideea de a folosi un tip de cerneală care sub acțiunea radi ațiilor
ultraviolete devine strălucitoare. Woodland și Silver au creat un dispozitiv care funcționa, dar
sistemul avea probleme cu instabilitatea cernelii, iar tipărirea modelelor era foarte costisitoare.
Woodland era convis că ideea lor era bună .
La 20 oc tombrie 1949 Woodland și Silver au publicat o lucrare intitulată „Classifying
Apparatus and Method” (Aparat și metodă de clasificat). Inventatorii au descris invenția lor ca
fiind arta de clasificare a produselor pe baza modelelor .
Majoritatea codurilor de bare pe care Woodland și Silver le -au descris erau formate dintr –
o serie de spirale. În timp ce cei doi le descriau ca simboluri, codurile lor de bare se asemănau
foarte mult cu codurile de bare unidimensionale din prezent.
Sistemul era realizat dintr -un model format din 4 linii albe pe un fundal închis. Prima
linie era linia de control, iar celelalte 3 linii erau fixate la distanțe variabile față de prima linie.
Informația era codată prin prezența sau absența unei sau mai multor linii. Astfel se puteau re aliza
identificarea a 7 produse diferite. Prin adăugarea mai multor linii era posibilă distincția între și
mai multe produse. La un număr de 10 linii erau posibile 1023 (210 -1) de clasificări diferite.
Modelul de cod de bare realizat de Woodland și Silver la 7 octombrie 1952 a început să
fie folosit ca model general de identificare a produselor.
Silver a murit în 1962 la vârsta de 38 de ani, înainte de a putea vedea utilizarea codurilor
de bare în comerț. În 1992 Woodland a fost distins cu „National Medal o f Technology” (Medalia
națională a tehnologiei) de către președintele american George H. W. Bush. Nici unul din cei doi
nu s-a gândit că invenția lor va deveni o afacere de peste 2.000 de miliarde de dolari.
Codurile de bare au început să fie folosite în c omerț numai după 1966. „National
Association of Food Chains” (Asociația națională a lanțurilor alimentare) a comandat unui
producător de echipamente electronice realizarea unui echipament care să poata realiza citirea
codurilor de bare pentru o evidență și un inventar mult mai rapid al produselor. În 1967 a fost
instalat primul cititor de coduri de bare la un magazin din Cincinnati. Codurile de bare erau
reprezentate după modelul realizat de Woodland și Silver. Aceste coduri de bare nu erau
imprimate direct pe ambalaje ci pe etichete pe care angajații magazinului le lipeau pe produse.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 29
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Astfel sistemul a fost recunoscut ca un model de automatizare și identificare a produselor și a
fost adoptat de toți producătorii și distribuitorii de produse.
În 1969 aceeași asociație a comandat la compania Logicon dezvoltarea unui sistem pentru
industria codurilor de bare. Rezultatele au fost realizarea standardului UGPIC (Universal
Grocery Products Identification Code, Codul de identificare universal al produselor alimentare )
în vara anului 1970. Trei ani mai târziu s -a adoptat simbologia UPC pentru indentificarea
produselor în SUA. A fost implementat de compania IBM și dezvoltat de George Laurer, care a
continuat ideea lui Woodland și Silver. La vremea aceea Woodland era ang ajat IBM.
În iunie 1974 primul scaner UPC realizat de NCR Corporation (care se numea pe a tunci
National Cash Register Co ) a fost instalat la supermarketul Marsh din Troy, Ohio. La 26 iunie
1974 a fost scanat și înregistrat primul produs cu cod de bare. Pro dusul era un pachet de 10 lame
de gumă de mestecat de marca Wrigley. Produsul acesta nu a fost special realizat pentru a fi
primul produs scanat, ci pur și simplu a fost o întâmplare. Din păcate , istoria nu a păstrat și
numele cumpărătorului. Astăzi pachet ul respectiv de gumă de mestecat este expus la
„Smithsonian Institution's National Museum of American History”.
Prima încercare de aplicare în industrie a identificării automate a fost demarată la
sfârșitul anilor 1950 de către Asociația Americană a Transp ortatorilor. În 1967 s -a adoptat un
format de cod de bare. Etichetarea mașinilor și instalarea de cititoare a început la 10 octombrie
1967. După 7 ani erau etichetate 95 % din mașini. Din mai multe motive , sistemul nu a putut
funcționa și a fost în cele di n urmă abandonat (în 1970).
În 1981 Ministerul Apărării al SUA a adoptat formatul de cod de bare Code39 în
industria militară.[ 11].
3. RFID
RFID este prescurtarea termenului englez Radio -Frequency Identification (Identificare
prin frecvența radio); se citește aproximativ ar 'ef ai.'di. Este o metodă de identificare automată
care se bazează pe stocarea și regăsirea datelor fără atingere, la distanță, prin unde radio, folosind
dispozitive numite etichete RFID (engleză: RFID tag ) și transpondere RFID. Tehnologia necesită
o cooperare a unui aparat cititor de RFID cu eticheta RFID.
O etichetă RFID este un obiect mic sau foarte mic (chiar sub 1 mm x 1 mm) care poate fi
aplicat sau încorporat în orice produs sau obiect, dar și în corpul animalelor sau persoanelor, cu
scopul de identificare și urmărire, folosind undele radio. Unele etichete pot fi citite de la mulți
metri depărtare, chiar mult peste 50 m, iar eticheta se poate afla și în afara raz ei de vedere a
cititorului de RFID.
Cele mai multe etichete RFID conțin cel puțin două părți:
un circuit integrat (cip) pentru stocarea și prelucrarea de informații, modulare și
demodulare a unui semnal de radio (RF), și alte funcții de specialitate;
o ant enă pentru recepționarea și transmiterea de semnale radio.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 30
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Viitorul RFID fără cip va permite identificarea extrem de discretă a etichetelor fără
circuit integrat, permițând astfel ca etichetele să fie imprimate direct pe obiectele de identificat,
de obicei activele unei întreprinderi, la un cost mai mic decât etichetele tradiționale. În present,
nici unul dintre conceptele fără cip nu a devenit încă practicabil.
Tehnologia RFID este folosită în domenii foarte numeroase, un exemplu este lanțul de
aprovizion are al întreprinderilor, pentru a îmbunătăți eficiența inventarelor, pentru urmărirea
produselor în cursul fabricației și pentru managementul produselor. Alte exemple care sunt deja
automatizate cu ajutorul RFID:
măsurarea timpului realizat la cursele atle tice;
controlul pașapoartelor (actualmente nu se practică în UE );
aplicarea taxelor rutiere pe anumite autostrăzi etc.;
urmărirea produselor (vacile unei cirezi, cărțile unei biblioteci, transcontainerele
unui vapor);
urmărir ea locomotivelor și vagoanelor a căilor ferate;
autentificarea persoanelor care doresc să intre în zone speciale (cu condiția să -și fi
implantat etichete RFID sub piele);
paza și inventarierea în muzee.
Din cauza miniaturizării permanente a etichetelor RFID, ajunsă până acolo încât ele sunt
din ce în ce mai greu de văzut și recunoscut cu ochiul liber, a apărut și o problematică gravă – cea
a potențialului pentru spionaj aproape invizibil, în cele mai diverse domenii.
Există temerea că cei care nu vor accepta etichetele RFID implantate v or fi aproape
excluși din societate, acestea putând ține loc de card, asigurări medicale și carte de identitate .
Societatea civilă din România a reacționat împotriva folosirii microcipurilor în documentele de
călătorie, prin intermediul a mii de semnături contra pașapoartelor electronice, prin acțiuni
juridice împotriva Guvernului României și prin proteste de stradă. [12].
3.1.2. Sisteme cu microcontroller
Un microcontroller (MCU) este un microcomputer integrat într -un singur chip.
Platformele de dezvoltare cu m icrocontroller cel mai des intalnite sunt sistemele
ARDUINO, care ofera o foarte mare flexibilitate in aplicații si pot fi programate cu usurință.
Arduino MEGA și Arduino UNO sunt cele mai cunoscute modele.
Arduino UNO
Arduino UNO este o placă cu microco ntroler ATmega328 (Fig. 3.1.). Ea are 14 intrări/
ieșiri digitale (din care 6 pot fi folosite ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator de
16MHz ceramic, o conexiune USB, o mufă de alimentare, un conector ICSP și un buton de
resetare. Ca si Arduino MEGA, Arduino UNO poate fi alimentat prin USB sau de la o sursă
dealimentare externă. Sursa de energie este selectată automat. ATmega328 are 32 KB de
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 31
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 memorieflash (cu 0,5 KB utilizați pentru bootloader), 2 KB de SRAM și 1 KB de EEPROM
(care pot ficitite ș i scrise cu biblioteca EEPROM).
Arduino Uno poate fi alimentat prin conexiunea USB sau prin o sursă de alimentare
externă. Sursa de energie este selectat a automat.
Externe (non -USB) de putere poate veni fie de la un adaptor AC -DC (perete -neg) sau
baterie. Adaptorul poate fi conectat prin conectarea un centru pozitiv plug -2.1mm în mufa de
alimentare consiliului. Duce la o baterie poate fi introdus în GND și Vin header -pini de
conectorul de alimentare.
Consiliul poate funcționa pe o sursă externă de 6 si 20 d e volți. În cazul în care este
furnizat cu mai puțin de 7V, cu toate acestea, PIN -5V poate furniza mai puțin de cinci volți și
placa poate fi instabilă. Dacă utilizați mai mult de 12V, regulator de tensiune se poate
supraîncălzi și deteriora placa. Interva lul recomandat este de 7 -12 volți.
Arduino MEGA
Arduino MEGA este o placă cu microcontroler A Tmega1280 sau ATmega2560 (Fig .3.2).
Ea conține 54 de intrări / ieșiri digitale (dintre care 14 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 16 intrări
analogice, 4 UART -uri (porturi seriale asincrone hardware), un oscilator de 16 MHz, o
conexiune USB, o mufă de alimentare, un conector ICSP și un buton de resetare.
Arduino MEGA poate fi alimentat prin conexiunea USB sau cu o sursă de alimentare
externă. Sursa de energie este selectată automat.
Sursele externe (non -USB) de putere pot fi reprezentate fie de un adaptor AC -DC, fie de
o baterie. Adaptorul poate fi conectat prin mufa Jack în conectorul de alimentare a plăcii. Placa
poate funcționa la o alimentare externă cu tensiun ea cuprinsă între 6 și 20 V. Gama recomandată
este de 7 la 12 V. Microprocesorul ATmega1280 are 128 KB de memorie flash pentru stocarea
codului (din care 4 KB sunt folosiți pentru bootloader), 8 KB de SRAM și 4 KB de EEPROM
(care pot fi citite și scrise cu biblioteca EEPROM). Versiunea cu ATmega 2560 are 256 KB de
memorie flash (din care 8 KB sunt folosiți pentru bootloader), 8 KB de SRAM și 4 KB de
EEPROM.
Fiecare dintre cei 54 de pini digitali de pe MEGA poate fi utilizat ca intrare sau ieșire,
utilizând funcțiile pinMode(), digitalWrite() și digitalRead(). Liniile funcționează la 5 volți.
Fiecare pin poate furniza sau primi un maxim de 40 mA și are un rezistor pull -up intern
(deconectat implicit) de 20 -50 kOhms. În plus, unii pini au funcții specializate .
Arduino Mega poate fi programat cu software -ul Arduino. Microcontroller -ul vine cu un
bootloader prescris care permite încărcarea de cod nou fără utilizarea unui programator hardware
extern. De asemenea, există posibilitatea de a trece de bootloader și programa microcontroller -ul
prin ICSP (In -Circuit Serial Programming).
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 32
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig. 3.1 Arduino UNO
Fig. 3.2 Arduino MEGA [13]
Interfețe de comunicație
Pentru fiecare dintre plăcile prezentate anterior, există câte un așa numit SHIELD care
permite executarea diferitelor operații. Un shield este o plăcuță care se atașează sistemului cu
microcontroller cu rolul de a oferi funcții suplimentare sau capacitate mărită față de ceea ce se
găsește deja pe placa principală.
Exemple de as tfel de shield -uri:
Arduino GSM shield (conectează Arduino la internet utilizând rețeaua fără fir
GPRS);
Arduino Ethernet shield (permite conectarea la Internet printr -o interfață Ethernet,
Fast-Ethernet);
Arduino Wi -Fi shield (conectează Arduino la inte rnet, wireless);
Arduino Wireless SD shield (permite comunicația fără fir).
Fig. 3.3. Arduino GSM shield [14] Fig. 3.4. Arduino Ethernet shield [1 5]
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 33
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig. 3.5. Arduino Wi -Fi shield [1 6] Fig 3. 6. Arduino Wireless SD shield [17 ]
USB (Universal Serial Bus)
Prezentare generală a magistralei USB
[18]Apariția magistralei USB (Universal Serial Bus) a început în anul 1995 de către un
grup de firme, printre care și Compaq , Digital, IBM, Intel, Microsoft, N EC și Northern Telecom.
Firmele s-au unit în asociația USB Implementers Forum (USB -IF, http://w ww.usb.org), care a
făcut publică prima versiu ne a standardului USB. Asociația , care s -a extins cu un număr mare de
firme, con tinuă să actualizeze standardele USB pentru controlerele USB și diferitele categorii de
periferice care se pot conecta la magistrala USB.
Pentru magistralele USB , au fost simplifica te interconexiunile dintre calculator și
periferice prin reducerea numărul ui de cabl uri care se conectează la calcu lator și utilizarea
aceluiași tip de conector pentru diferite categorii de periferice. Într -un sistem c e conține o
magistrală USB, perifericele se pot conecta în ser ie sau într -o topologie sub for mă de stea pe mai
multe nivele, un singur periferic fiind conectat la un port USB al calculato -rului gazdă. O altă
motivație pentru elaborarea magistralei USB a fost asigurarea unei rate de transfer mai ridicate
decât cele permise de porturile seriale și paralele. Deși la pr imele versi uni (1.0 și 1.1) ale
magistralei USB rata maximă de transfer era de numai 12 Mbiți/s, această rată a crescut în mod
semnificativ (până la 480 Mbiți/s) la versiunea 2.0 . Un alt scop a fost posibilitatea adăugării
perifericelo r la calculator într -un mod sim plu, fără deschiderea carcasei acestuia, fără
deconectarea tensi unii de alimentare și fără reîn cărcarea sistemului de operare.
Calculatorul echipat cu un port USB , detectează adă ugarea unui nou periferic și
determină în mod automat resursele nec esare acestuia, inclusiv driverul software și rata de
trans fer. De exemplu, tastatura sau monitorul, se conectează la conectorul USB al calculatorului.
Alte periferice se conectează la un distribuitor (“hub”) aflat în cadrul tastaturii sau monitorului,
fiind posibilă realizarea unor conexiuni sub formă de ar bore. Perifericele se pot afla la o distanță
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 34
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
de până la 5 m unele față de altele sau față de un distribuitor. În total, se pot conecta până la 127
de periferice USB la un calculator, iar acestea sunt ali mentate cu o tensiune de +5 V prin cablul
USB.
Componentele principale ale unui sistem care conține o magist rală USB sunt:
dispozitive le USB, cablurile USB și programele de sistem. Dispozitivele de pe magistrala USB
sunt conec tate fizic la calculatorul ga zdă utilizând o topologie sub formă de stea pe mai multe
nivele, du pă cum se observă în figura 3 .7.
Există două categorii de dispozitive USB: distribuitoare și funcții. Un distribuitor
reprezintă o clasă specială de dispozitiv USB, care asigură puncte de conectare suplimentare
pentru alte dispozitive USB. Aceste puncte de conectare se numesc porturi. Calcula torul gaz dă
conține un distribuitor rădăcină, care asigură unul sau mai multe puncte de conectare. În plus,
acest distribuitor conț ine controlerul magi stralei USB. Fiecare magistrală are un singur controler.
Figura 3.7 . Topologia magistralei USB.
Figura 3.8 prezintă un distribuitor USB. Unul din porturile distribuitorului per mite
conectarea la calculatorul gazdă sau la un distribuitor de pe nivelul superior al topologi ei. Fiecare
din celelalte șapte porturi permit conectarea la un distribuitor sau la o funcție de pe nivelul
inferior. Distribuitoarele pot fi conectate în cascadă până la cinci nivele. Distribuitorul detectează
conectarea și deconectarea dinamică a unui periferic și asigură o putere de cel puțin 0,5 W ,
pentru fiecare periferic în timpul inițializării. Sub controlul programului de sistem, distribuitorul
poate asigura o putere suplimentară pentru funcționarea perifericelor, până la 2,5 W (un curent
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 35
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
de 0,5 A). Unele periferice, cum sunt tastatura, mouse -ul sau creionul optic, pot fi alimentate
numai cu tensiunea furnizată de cablul magistralei, în timp ce altele pot avea o sursă proprie de
alimentare.
Figura 3 .8. Port urile unui distribuitor USB tipic.
Un distribuitor constă din două părți: un controler și un repetor. Controlerul conține
registre de interfață pentru comunicația cu calculatorul gazd ă. Comenzile de stare și de con trol
permit calculatorului gazdă configur area distribuitorului, m onitorizarea și controlul portu rilor
sale. Repetorul este un comutator controlat prin protocol între portul de nivel superior și porturile
de nivel inferior. De asemenea, repetorul monitorizează semnalele de pe porturi și gestioneaz ă
tranzacțiile care îi sunt adresate. Toate celelalte tranzacții sunt repetate la disp ozitivele atașate.
Fiecare port de nivel inferior , poate fi validat individual și poate fi conectat la dispozitive cu
viteză ridicată sau cu viteză redusă. Porturile cu v iteză redusă sunt izolate de semnalele cu viteză
ridicată.
Figura 3.9 prezintă modul în care distribuitoarele USB asigură conectarea într -un sistem
de calcul tipic.
Figura 3 .9. Utilizarea distribuitoarelor USB într -un sistem de calcul tipic.
O funcție este un dispozitiv USB care poate transmite sau recepționa date sau inf ormații
de control pe magistrală. Acest dispozitiv trebuie să răspundă la cererile de tranzacție transmise
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 36
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 de calculatorul gazdă. O funcție este implementată în mod o bișnuit c a un periferic separat,
conectat printr -un cablu la un port al unui distribuitor. Un singur dispozitiv fizic poate conține
însă funcții multiple. De exemplu, o tastatură și un dis pozitiv de trasare pot fi combi nate într -un
singur dispozitiv fizic. În cadru l unui asemenea di spozitiv compus, funcțiile indi viduale sunt
atașate la un distribuitor intern , iar acest distribuitor este conectat la magistrala USB.
Fiecare funcție conține informații de configurație care descriu posibilitățile sale și
resursele neces are. Aceste informații sunt transmise calculatorului gazdă ca răspuns la o
tranzacție de control. Înaintea utilizării unei funcții, aceasta trebuie configurată de calculatorul
gazdă. C onfigurare a presupune alocarea unei lățimi de bandă în cadrul magistrale i USB și
selectarea opțiunilor specifice de configurație.
Programele de sistem asigură o tratare uniformă a sistemului de I/E de către toate
programele de aplicații. Prin ascunderea detaliilor de implem entare hardware, se asigură
portabilitatea programelo r de aplicații. Programele de sistem gestionează conectarea și
deconectarea dinamică a perifericelor. Faza de conectare, numită enumerare, implică
comunicarea cu un periferic pentru determinarea driverului de dispoziti v care trebuie încărcat și
asigur area unei adrese unice acestuia. În timpul funcționării, calculatorul gazdă inițiază tranzacții
cu anumite periferice. Informațiile sunt transmise pe magistrală sub form a unor pachete, care
sunt recep ționate de fiecare periferic.
Contro llerul magistralei USB, aflat pe placa de bază a c alculatorului gazdă, are propri ile
specificații. În cazul primelor versiuni ale magistralei USB, existau două specificații pentru
aceste controlere. Prima dintre ele, Universal Host Controller Interface (UHCI), a fost elabo rată
de firma Intel și permitea simplificarea circuitelor, parte a mai complexă fiind cea de sof tware. A
doua specificație, Open Host Controller Interface (O HCI), a fost elaborată de firme le Compaq,
Micr osoft și National Semiconductor, această specificație permite a simplificarea părții de
software, partea mai complexă fiind cea de hardwar e. Odată cu introducerea versiu nii 2.0 a
magistralei USB, a fost necesară elaborarea unei noi specificații pentru control lerele de
magistrală. Această specificație, numită Enhanced Host Controller Interface (EHCI), a fost
elaborată de mai multe firme, printre care Intel, Compaq, NEC, Microsoft și Lucent
Techno logies.
Există specificații separate pentru difer ite categorii periferice USB. O clasă USB
reprezintă un grup de periferice sau interfețe cu atribute sau servicii similare. De exem plu, două
periferice sau interfețe sunt incluse în aceeași clasă dacă utilizează șiruri de date cu același
format . Dintre clasele de periferice USB se amintesc următoarele dispositive: audio, de
comun icație (modemuri, telefoane analogice și digitale, adaptoare de rețea), dispozitive de
interacțiune cu utilizatorul (HID – Human Interface Device), dispozitive de captare a imaginilor
fixe (aparate foto digitale), im primante, memorii de masă, dispozitive v ideo.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 37
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Versiuni USB
Versiunea 1.0 a standardului USB a fost publicată în anul 1996, aceasta fiind urmată de
versiunea 1.1, adoptată în anul 1998. Rata de transfer max imă specificată de aceste versi uni este
de 12 Mbiți/s. Această rată de transfer este sufi cientă pentru periferice cum sunt tele fonul sau
difuzorul digital (care conține un convertor digital -analogic). Pentru periferice le lente, cum este
tastatura sau creionul optic, a fost prevăzut un canal de viteză redusă, cu rata de transfer de 1,5
Mbiți/s.
Versiunea 2.0 a standardului USB a fost publicată în anul 2000. Această versiune (numită
și Hi -Speed USB) permite creșterea ratei de transfer cu un factor de 40 față de versiu nea 1.1, de
la 12 Mbiți/s până la 480 Mbiți/s. Această extensie a specificațiil or USB permite utilizarea
acelorași cabluri, conectori și drivere software. Utilizatorii pot beneficia însă de o varietate
suplimentară de periferice, de exemplu, camere video digitale, scanere, imprimante, adaptoare
ISDN, unități de discuri magnetice sau unități de discuri optice. Figura 3.10 ilustrea ză simbolul
magistralei USB 2.0.
Figura 3.10 . Simbolul magistralei USB 2.0.
Perifericele USB 2.0 cu viteze de transfer superioare sunt conectate la un distribuitor
USB 2.0. Un distribuitor USB 2.0 acc eptă tranzacții de viteză ridicată și furnizează datele cu
ratele corespunzătoare perifericelor USB 2.0 și perifericelor USB 1.1. Posibilitatea de a utiliza
transferuri cu viteză ridicată este negociată cu fiecare periferic, iar dacă un periferic nu permi te
aceste transferuri, legătura cu acest periferic va funcționa la o viteză mai redusă de 12 Mbiți/s
sau 1,5 Mbiți/s. Aceasta implică o complexitate mai rid icată a distribuitoarelor și ne cesită
memorarea temporară a datelor recepționate. Un distribuitor USB 2.0 are porturi de ieșire pentru
transferuri cu viteză ridicată și porturi de ieșire p entru transferuri cu viteză nor mală.
Specificațiile USB “On -The-Go” (OTG) au fost elabo rate ca un supliment al
specifi cațiilor USB 2.0 cu scopul de a permite conexiuni directe între echipamente mobile, fără
utilizarea unui calculator. Magistrala USB standard utilizează o arhitectură master/slave, la care
calculatorul gazdă are rolul de master, iar un periferic are rolul de slave. Doar calculatorul gazdă
poate iniția tran sferuri de date pe magistrală. Perifericele pot doar răspunde la cererile de transfer
inițiate de calculatorul gazdă. În cazul versiunii USB OTG, un periferic poate avea fie rolul de
master, fie cel de slave. Rolurile de master și de slave se pot schimba î n mod di namic în timpul
funcționării cu un protocol numit Host Negotiation Protocol (HNP). Astfel, orice periferic
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 38
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
compatibil cu specificațiile USB OTG poate iniț ia transferuri de date pe magis trală. Condiția este
ca cele două echipamente care comunică înt re ele să fie conectate direct și nu printr -un
distribuitor.
Un exemplu de utilizare a versiunii USB OTG este cel al unui terminal PDA (Perso nal
Digital Assistant) sau telefon mobil, care poate avea rolul implicit de slave pentru un cal culator
PC (în scopu l sincronizării datelor) sau rolul implicit de master pentru o imprimantă. Un alt
exemplu este cel al unei imprimante, care poate avea rolul de slave pentru un terminal PDA și
rolul de master pentru un aparat foto digital, dacă permi te citirea fișierelor d e la apa ratul foto î n
scopul tipăririi lor. Figura 3.11 ilustrează simbolul magistralei USB OTG.
Figura 3.11 . Simbolul magistralei USB OTG.
Specificațiile versiunii 3.0 a standardului USB au fost finalizate de USB 3.0 Promoter
Group în anul 2008 și au fost transferate asociației USB Im plementers Forum. Această versi une
introduce magistrala SuperSpeed, care permite un nou mod de transfer cu viteza maximă de 5
Gbiți/s. În modul SuperSpeed, se utilizează două canale simple, diferențiale în plus față de
canalul diferențial existent pentru modul convențional. Tehnologia este similară cu cea a
versiunii 2.0 a magistralei PCI Express. Se utilizează aceeași codificare 8b/10b, ceea ce per mite
o rată maximă de transfer de 500 MB/s. C onform specificațiilor, e ste posibilă obținerea unei rate
de transfer de 400 MB/s dacă se ia în considerare întârzierea introdusă de execuția protocolului.
Primele produse bazate pe această versiune a ma gistralei USB au început să apa ră în cursul
anului 2009. Figura 3.12 ilustreaz ă simbolul magistralei USB 3.0.
Figura 3.12 . Simbolul magistralei USB 3.0.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 39
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Conectori și cabluri
Specificațiile inițiale ale interfeței USB definesc două tipuri de fișe, amplasate la ca petele
unui cablu USB, și două tipuri de mufe, amplasate înt r-un distribuitor sau periferic. Fișele și
mufele pot fi de tip A sau de tip B.
Distribuitoarele (de exemplu ale unui calculator) conțin o mufă rectangulară de tip A, cu
patru pini. Perifericele se conectează la această mufă printr -o fișă rectangulară de tip A (figura
3.13. Cablurile care sunt atașate permanent la periferice conțin o fișă de tip A. De obicei ,
perifericele sunt conectate printr -un cablu detașabil. Perifericele conțin o mufă pătrată de tip B,
iar cablul care conectează perifericele la un dis tribuitor conține o fișă de tip B la capătul care se
conectează la periferic și o fișă de tip A la capătul care se conectează la distribuitor. În acest fel,
nu este posibilă conectarea incorectă a cablului.
Figura 3 .13. Fișe și mufe utilizate la interfața USB.
Specificațiile USB 2.0 au fost modificate după publicarea acestora pentru a include o fișă
și o mufă de tip B de dimensiuni mai reduse . Acești conectori, numiți mini -B, conțin cinci pini și
se utilizează pentru echipamente mobile cum sun t terminale PDA, telefoane mobile și aparate
foto digitale. Aceste echipamente conțin o mufă mini -B, iar cablurile utilizate pentru conectarea
acestor echipamente la un calculator conțin o fișă mini -B la un capăt și o fișă de tip A la celălalt
capăt. Dimen siunile conectorilor mini -B sun t de aproximativ 7×3 mm. Ulteri or, a fost definit ș i
un conector mini -A. Figura 3.14. ilustrează o fișă mini -B alăturată cu o fișă de tip A.
În anul 2007 au fost definiți conectori de tip A și de tip B de dimensiuni și mai r eduse,
numiți micro -A și micro -B. Acești conectori au aceeași lățime ca și conectorii mini -B, dar
grosimea este redusă la aproximativ jumătate. Noii conectori sunt destinați înlocuirii conecto –
rilor mini -A și mini -B, care nu se mai utilizează la noile echi pamente mobile.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 40
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Figura 3.14 . Fișă USB de tip mini -B alăturată cu o fișă de tip A.
Specificațiile USB OTG descriu noi tipuri de socluri, mini -AB și micro -AB. Aceste
socluri permit, printr -o proiectare mecanică adecvată, conectarea fie a une i fișe de tip A, fie a
unei fișe de tip B cu dimensiunea corespunzătoare. Tipul fișei inserate este detectat cu ajuto rul
unui pin suplimentar ID, care este conectat la masă într -un conector de tip A și este neco nectat
într-un conector de tip B. Atunci când într-un soclu AB se inserează un conector de tip A, soclul
va furniza tensiune de alimentare cablului și echipamentul cu soclul AB va avea rolul de master.
Atunci când într -un soclu AB se inserează un conector de tip B, soclul va fi alimentat cu
tensiunea cablului și echipamentul cu soclul AB va avea rolul de slave. Specifi cațiile USB OTG
descriu și diferite tipuri de cabluri care utilizează conectori de dimensiuni reduse sau o
combinație între un conector de dimensiuni red use și unul de dimensiuni norma le. Figura 3.15
ilustrează un soclu micro -AB și un soclu micro -B.
Figura 3.15 . Socluri micro -AB și micro -B.
Transferul semnalelor și a tensiunii de alimentare pe magistrală, utilizează un cablu cu
patru fir e, ilustrat în figura 3.16 . Semnalele se tr ansmit pe li -niile D+ și D -, formate din două fire
răsucite. Semnalul de ceas este codificat împreună cu datele. Sistemul de codificare utilizat este
numit NRZI (Non Return to Zero Invert). În cazul acestui sistem , un bit de 1 este reprezentat
printr -o lipsă a schimbării nivelului tensiunii, iar un bit de 0 este reprezentat printr -o schimbare a
nivelului tensiunii, fără revenire la tensiunea de referință (zero) între biții codificați. Sunt
adăugați biți suplimentari în datele transmise pentru a asigura tran ziții suficiente ale semnalelor,
în scopul garantării unei sincronizări corecte. Este adăugat un bit de 0 după fiecare șase biți
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 41
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
consecutivi de 1 înainte de codificarea datelor, pentru a forța o tranziție în șirul de date. Fiecare
pachet de date este prece dat de un câmp de sincronizare pentru a permite receptorilor
sincronizarea ceasului lor de recepție.
Figura 3.16 . Cablul USB.
Prin c ablul USB se transmite și tensiunea de alimentare pentru periferice pe liniile VBUS
și GND. Tensiunea pe linia VBUS este de +5 V la sursă. Pentru a a sigura nivele de tensiune
corec te la intrarea perifericelor și o impedanță de terminare corespunzătoare, se utilizează
terminatori de magistrală la fiecare capăt al cablului. Terminatorii de magistrală permit, de
asemenea, detectarea conectării sau deconectării unui periferic și diferențierea între perifericele
cu viteză normală și cele cu viteză redusă. La capătul cablului din partea distribuitorului, se
utilizează terminatori rezistivi de 15 K, prin intermediul cărora lini ile D+ și D – ale cablului sunt
conectate la masă. La capătul cablului din partea perifericului, se utilizează ca terminator o
rezistență de 1,5 K, prin intermediul căreia una din liniile D+ sau D – este conectată la o sursă de
tensiune cuprinsă între 3 V și 3,6 V. Pentru un periferic cu viteză normal de 12 Mbiți/s, re zistența
este conectată la linia D+, în timp ce pentru un periferic cu viteză redusă rezistența este conectată
la linia D –.
Există două tipuri de cabluri USB. Primul tip se utiliz ează pentru co municația de vi teză
redusă (1,5 Mbiți/s). Acest tip de cablu trebuie să fie atașat permanent de echipamentul care îl
utilizează. Al doilea tip de cablu este destinat pentru comunicația cu viteza normală (12 Mbiți/s)
și înaltă (480 Mbiți/s). Ac est tip de ca blu poate fi atașbil de echipament sau poate fi detașabil.
Deosebirea dintre cele două tipuri de cabluri este că, în cazul cablului pen tru viteza redusă nu
este necesară utilizarea unor fire răsucite (standardul recomandă însă uti lizarea unor asemenea
fire). Un cablu detașabil trebuie să fie terminat cu o fișă de tip A la un capăt și cu o fișă de tip B
la celălalt capăt. Standardul USB specifică diferite caracteristici electrice ale cablurilor utilizate
pentru comunicația de viteză ridicată.
Pentru identif icarea simplă a firelor din cablurile USB, standardul specifică utilizarea
culorilor indicate în tabelul 3 .1 pentru aceste fire. Acest tabel indică și asignarea pinilor
conector ilor la semnalele magistralei.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 42
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Tabelul 3 .1. Asignarea pinilor conectorilor la semnalele magistralei
USB și culorile firelor cablurilor.
Observație
Nu este posibilă interconectarea a două calculatoare printr -un cablu USB obișnuit.
Chiar dacă s -ar utiliza un cablu cu doi conectori de tip A, prin interconectarea
calcula toarelor ar exista două controlere USB într -un sistem, ceea ce nu este
permis. Există însă cabluri speciale care conțin o punte USB sub forma unui
circuit i ntegrat, prin in termediul căruia este posibilă comunicația între două
calculatoare gazdă.
Tipuri de transfer
Arhitectura USB permite patru tipuri de transferuri de date: de control, de întrerupere, de
date voluminoase și izocrone.
Transferurile de control se utilizează de driverele calculatorului gazdă pentru
configurarea dispozitivelor care sunt atașate la sistem. Alte drivere pot utiliza transferuri de
control în moduri specifice implementării.
Transferurile de întrerupere se utilizează pentru date c are trebuie trans ferate cu o
întârziere limitată. Transferul acestor date poate fi solicitat de un dispozitiv în orice moment, iar
rata de transfer pe magistrală nu poate fi mai redusă decât cea specificată de dispozitiv. Datele
pentru care se utilizează transferurile de î ntrerupere constau din notificarea unor evenimente, din
caractere sau coordonate care sunt organizate pe unul sau mai mulți octeți. Un exemplu îl
reprezintă coordonatele de la un dispozitiv indicator (mouse, tabletă grafică). Datele inter active
pot avea an umite limite ale timpului de răspuns care trebuie garantate de magistrala USB.
Transferurile de date massive se utili zează cu periferice cum sunt me morii de masă,
imprimante sau scanere. Aceste date sunt secvențiale. Fiabi litatea transferuri lor este asigu rată la
nivel hardware prin utilizarea unui cod detector de erori și reluarea unui transfer cu erori de un
număr de ori. Rata de transfer poate varia în funcție de alte activități de pe magistrală.
Transferurile izocrone (isos – egal, chronos – timp) se ut ilizează pentru datele care
trebuie furnizate cu o anumită rată de transfer constantă și a c ăror sincronizare trebuie garan tată.
Izocron are semnificația “cu durată egală” sau “care apare la intervale regulate”. Datele izocrone
sunt generate în timp real ș i trebuie furnizate cu rata cu care sunt recepționate pentru a păstra
sincronizarea lor. Pe lângă rata de transfer impusă, pen tru datele izocrone trebuie res pectată și
întârzierea maximă cu care acestea sunt furnizate. F urnizarea la timp a datelor izo crone este Nr. pin Semnal Culoare
1 VBUS Roșu
2 D- Alb
3 D+ Verde
4 GND Negru
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 43
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 asigurată cu prețul unor pierderi potențiale în șirul de date. Deci, erorile de trans misie nu sunt
corectate prin mecanisme hardware, cum ar fi retransmiterea lor. În concluzie, transferurile
izocrone se caracterizează prin furnizarea la timp a datel or și prin lipsa retransmi terii lor în cazul
unor erori, deoarece datele întârziate nu mai sunt utile. Spre deosebire de transferurile izocrone,
transferurile asincrone se caracterizează prin faptul că fiabilitatea transmiterii datelor este mai
importantă decât asigurarea sincronizării. De aceea, se utilizează retransmiterea datelor în cazul
unor erori, chiar dacă apar întârzieri din această cauză.
Un exemplu de date izocrone este reprezentat de imaginile video. Dacă rata de transfer a
acestor șiruri de da te nu este menținută, va avea loc pierderea unor date datorită de pășirii
capacității bufferelor. Chiar dacă datele sunt furnizate de magistrala USB cu rata potrivi tă,
întârzierile introduse de programe pot afecta negativ aplicațiile care utilizează aceste date, cum
sunt aplicațiile pentru video -conferințe.
Șirurilor de date izocrone li se alocă o porțiune dedicat ă a lățimii de bandă a magistra lei
USB. Această magistrală este proiectată și pentru o întârziere minimă a transferurilor de date
izocrone.
Mode lul comunicației USB
Un sistem USB permite comunica rea intre un program de aplicație (client) rulat pe un
calculator gazdă și unul sau mai multe dispozitive USB conectate la acest calculator. Un
dispozitiv fizic USB conține o interfață cu magistrala USB, un dispozitiv logic USB și o func ție.
O funcție USB poate avea cerințe diferite ale fluxului de co municație pentru diferite inter acțiuni
între acea funcție și calculatorul gazdă. Prin separarea diferitelor f luxuri de comunica ție cu o
funcție USB, sistemul USB asigură o utilizare mai eficientă a magistralei. Fluxurile de
comunicație utilizează magistrala USB pentru realizarea comunicației între programul de
aplicație și funcția USB. Fiecare flux de comunicație se termină la un punct terminal dintr -un
dispozi tiv USB.
Un punct terminal este o parte a unui dispozitiv USB, reprezentând punctul de sfârșit al
fluxului de comunicație dintre calculatorul gazdă și dispozitiv. Fiecare dispozitiv logic USB este
format din mai multe puncte terminale independente. Fiecar e dispozitiv logic are o adresă unică,
care este asignată de sistem în momentul conectării dispozitivului la magistrala USB. Fiecare
punct terminal dintr -un dispozitiv USB este identificat printr -un număr unic, care este atribuit la
proiectarea dispozitivu lui. De asemenea, fiecare punct terminal are o anumită direcție a fluxului
de date: intrare (IN), pentru transferul datelor de la dispozitivul USB la calculatorul gazdă, sau
ieșire (OUT), pentru transferul datelor de la calculatorul gazdă la dispozitivul U SB. Combinația
dintre adresa dispozitivului, numărul punctului terminal și direcția acestuia permite identificarea
unică a fiecărui punct terminal.
Punctele terminale conțin buffere de intrare sau de ieșire prin intermediul cărora se
realizează comunicați a între calculatorul gazdă și dispozi tivul USB. De exemplu, dacă pro gramul
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 44
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 de aplicație rulat pe calculatorul gazdă transmite un p achet adresat unui anumit dispo zitiv USB,
acest pachet va fi depus în bufferul unui punct terminal de ieșire al dispozitivului . Ulterior,
controlerul dispozitivului va citi din buffer pachetul recepționat. Dacă dispozitivul trebuie să
transmită date la calculatorul gazdă, nu poate depune datele direct pe magistrală, deoarece toate
tranzacțiile sunt inițiate de calculatorul gazdă. Dispozitivul va depune datele în bufferul unui
punct terminal de intrare, iar aceste date vor fi transferate la calculatorul gazdă atunci când
calculatorul va transmite un pachet de intrare prin care solicită transferul unor date, dacă acestea
sunt dispon ibile.
Fiecare dispozitiv trebuie să conțină cel puțin p unctele terminale cu numărul 0, atât
punctul terminal de intrare, cât și cel de ieșire. Dispozitivele cu viteză redusă (1,5 Mbiți/s) pot
conține doar două puncte terminale suplimentare, pe lângă cele două cu numărul 0. Dispozitivele
cu viteză normală (12 Mbiți/s) sau viteză ridicată pot conține un număr ma xim de 15 puncte
terminale de intrare și 15 puncte terminale de ieșire, pe lângă cele două puncte terminale cu
numărul 0.
O colecție a unor puncte terminale dintr -un dispozi tiv USB implementează o interfa ță. O
asemenea interfață indică clasa dispozitivului USB, iar a ceastă clasă va determina drive rul
generic de dispozitiv care va fi utilizat de sistemul de ope rare pentru comunicația cu punc tele
termi nale care implementează interfața respectivă.
Comunicația dintre programul de aplicație de pe calcu latorul gazdă și un punct termi nal
dintr -un dispozitiv USB se realizează printr -o conexiune logică numită conductă. O conductă
reprezintă o legătură între u n buffer din memoria calculatorului gazdă și un punct terminal din
dispozitivul USB. Fiecărei conducte i se asociază anumite informații, cum sunt rata de transfer
necesară, tipul transferului și caracteristicile pu nctului terminal asociat ca di recția și di mensiunea
bufferului.
Există două moduri de comunicație printr -o conductă: șir sau mesaj. În modul șir, datele
nu au o structură definită de specificațiile USB. Datele sunt transferate secvenți al și au o direcție
predefinită de intrare sau de ieșire. Cond uctele de tip șir permit transferuri de între rupere, de date
voluminoase sau izocrone. Aceste conducte sunt controlate fie de calculatorul gazdă, fie de
dispozitivul USB. În modul mesaj, datele au o an umită structură definită de spe cificațiile USB.
Cu toat e acestea, conținutul datelor transferate printr -o conductă de tip mesaj nu este interpretat
de controlerul USB. Aceste conducte sunt controlate de calculatorul gazdă și permit doar
transferuri de control, în ambele direcții.
Comunicația între punctele te rminale de intrare și de i eșire cu numărul 0 și calculato rul
gazdă se realizează printr -o conductă specială, numită conductă implicită de control. Această
conductă de tip mesaj este disponibilă imediat după ce dispozitivul USB este conectat și resetat,
asigurând o legătură bidirecțională pentru interogarea dispozitivulu i de către pro gramele de
sistem ale calculatorului gazdă și transmiterea informațiilor de configurație de la dispozitiv către
calculatorul gazdă. După configurarea dispozitivului USB, vor fi disponibile alte conducte
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 45
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
necesare pentru transferurile de date; conducta imp licită de control va fi utiliza tă în continuare de
programele de sistem ale calculatorului gazdă pentru transferurile de control.
Protocolul USB
Similar cu alte interfețe mai rec ente, interfața USB utilizează un protocol bazat pe
pachete. Toate transferurile sunt inițiate de controlerul USB a l calculatorului gazdă. Tranzac țiile
de pe magistrală implică transmisia a patru tipuri de pachete:
Pachet antet (simbol – “token”);
Pachet de date;
Pachet de confirmare (“handshake”);
Pachet special.
Fiecare tranzacție începe în momentul în care controlerul USB transmite, pe baza unei
planificări, un pachet antet care descrie tipul tranzacției, direcția acesteia, adresa dispozitivului
USB și numărul punctului terminal. Sursa tranzacției transmite apoi un pachet de date conținând
datele care trebuie transferate, sau poate indica faptul că nu are date de transmis prin faptul că
pachetul de date nu conține informații utile. În general, destin ația răspunde cu un pachet de
confirmare indicând dacă transferul s -a terminat cu succes sau dacă punctul terminal nu este
disponibil.
Formatul pachetelor USB
Această secțiune prezintă formatul pachetelor de antet, SOF, de date și de confirmare.
Pachete de antet
Aceste pachete sunt transmise doar de calculatorul gazdă. Structura unui pachet de antet
este ilustrată în figura 3.17 .
Figura 3 .17. Structura unui pachet USB de antet.
Câmpul de identificare al pachetului, PID, poate specif ica un pachet de antet cu subti pul
IN, OUT sau SETUP. Pachetele cu subtipul IN sau OUT informează dispozitivul USB asupra
direcției transferului care urmează: intrare (citire de către calculatorul gazdă), respectiv ieșire
(scriere de către calculatorul gazdă). Un pachet cu sub tipul SETUP se utilizează la în ceputul
transferurilor de control. În cazul pachetelor cu subtipul OUT sau SETUP, câmpurile ADDR și
ENDP identifică în mod unic punctul terminal care va recepționa următorul pachet de date. În
cazul unui pachet cu subt ipul IN, câmpurile ADDR și ENDP identifică punctul ter minal care va
transmite un pachet de date. Câmpul CRC5 conține codul CRC pentru câmpuri -le ADDR și
ENDP.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 46
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Pachete SOF
Pentru sincronizarea întregului sistem USB, calculat orul gazdă transmite câte un pa chet
SOF (Start Of Frame) la fiecare interval de timp corespunzător î nceputului unui cadru sau
micro cadru. Un cadru reprezintă un interval de timp de 1 ms 0,0005 ms și este definit pentru
magistrala USB cu viteza normală (12 Mbiți/s). Un micro -cadru reprez intă un interval de timp de
125 s 0,0625 s și este definit pentru magistrala USB cu viteza ridicată (480 Mbiți/s). Un pachet
SOF constă dintr -un câmp de sincronizare, un câmp PID și un câmp de 11 biți reprezentând
numărul cadrului, după cum se ilustrează î n figura 3.18. În cazul magistralei USB cu viteza
ridicată, numărul cadrului va fi același pentru opt pachete SOF consecutive, pe durata unei
perioade de 1 ms.
Figura 3.18. Structura unui pachet USB SOF.
Pachete de date
Informațiile propriu -zise sun t transmise pe magistrala USB în pachetele de date. Un
pachet de date constă din câmpul de sincronizare SYNC, un câmp de identificare al pachetului
PID, un câmp de date, un câmp CRC de 16 biți și câmpul de sfârșit al pachetului EOP (figura
3.19). Codul CRC se calculează numai din câmpul de date. D atele sunt transmise într -un nu măr
întreg de octeți. Pentru dispozitivele cu viteză redusă, lungimea maximă a câmpului de date este
de 8 octeți. Pentru dispozitivele cu viteză normală (12 Mbiți/s) lungimea maximă a câmpului de
date este de 1023 octeți, iar pentru cele de viteză ridicată (480 Mbiți/s) lungimea maximă este de
1024 octeți.
Figura 3.19 . Structura unui pachet USB de date.
Comenzi USB
Fiecare dispozitiv USB trebuie să răspundă la comenzile USB tran smise de calculato rul
gazdă. Comenzile sunt transmise de calculatorul gazdă pe conducta implicită de control, iar
răspunsul este transmis de dispozitiv pe aceeași conductă. Specificațiile USB definesc o serie de
comenzi standard care trebuie implementate d e fiecare dispozitiv USB. În plus, pot exista
comenzi specifice pentru diferite clase de dispozitive . De asemenea, producătorii dis pozitivelor
pot defini comenzi proprii.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 47
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Transmiterea și execuția unei comenzi USB poate necesita două sau trei faz e de trans fer.
În prima fază, calculatorul gazdă transmite comanda și parametrii acesteia într -un pachet SETUP
utilizând un transfer de control. În faza a doua, care este opțională, se transferă date de la
calculatorul gazdă la dispozitivul USB sau invers. În faza a treia, se transferă informații de stare
de la dispozitivul USB la calculatorul gazdă sau invers. Direcția transferului din faza de stare
este inversă direcției transferului din faza de date. Dacă faza de date lipsește, în faza de stare
direcția transferul ui este de la dispozitivul USB la calculatorul gazdă.
Fiecare pachet SETUP conține opt octeți. Structura unui pachet SETUP este ilustrată în
tabelul 3.2. Dimensiunea câmpurilor este indicată în octeți. Biții din cadrul octetului care descrie
caracteristic ile comenzii sunt indicați prin b7.. b0.
Offset Câmp Dimensiune Descriere
0 bmRequestType 1 Caracteristici ale comenzii:
b7: Direcția transferului de date
0 = De la calculator la dispozitiv
1 = De la dispozitiv la calculator
b6..b5: Tipul comen zii
0 = Standard
1 = Specific clasei
2 = Definit de producător
3 = Rezervat
b4..b0: Destinația comenzii
0 = Dispozitiv
1 = Interfață
2 = Punct terminal
3 = Altă destinație
4..31 = Rezervat
1 bRequest 1 Codul comenzii
2 wValue 2 Parametru ; variază în funcție de comandă
4 wIndex 2 Parametru; în mo d tipic, numărul interfeței sau al
punctului terminal
6 wLength 2 Numărul octeților de transferat în faza de date
Tabelul 3.2. Structura unui pachet SETUP. [18]
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 48
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
4. PROIECTAREA SISTEMUL UI MECATRONIC DE
CĂU TARE A COMPONENTELOR ELECTRONICE
4.1. Structura sistemului
Sistemul este construit peu structură ce este formată din:
dulap cu 33 de sertare, din material plastic,
un cadru metalic, care are rolul de a sustine dulapul și permite axei orizontale sa
se deplaseze in miscare detranslație ;
o axă culisantă pe verticală;
o axă culisantă pe orizontală;
doua motoare de curent continuu ce au înglobate câte un reductor cu un raport de
transmisie 120:1
un actuator liniar .
Proiectarea si realiza rea componentelor sistemului este realizată in programul de
proiectare CATIA V5. Acest program suporta stagii multiple de dezvoltare a
produselor, pentru design (CAD), industria de fabricație (CAM) și inginerie (CAE),
permite crearea pieselor in 3D, din s chițe in 2D.
4.1.1. Dulapul
Dulapul este de material plastic, avand 32 de sertare mici, de dimensiune
129x68x36mm(Lxlxh) prezentat in figura 4.1 . și un sertar mare de dimensiuni 292x129x36mm
(Lxlxh) , amplasat in partea de jos a dulapului si este reprezentat in figura 4.2. Dimensiunile lui
fiind 302x133x402mm(Lxlxh), și este prezentat in figurile 4.3 și 4.4
Fig 4.1. Sertar mic
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 49
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig 4.2. Sertar mare
Fig 4.3 . Dulap fara sertare,vedere laterala Fig 4.4. Dulap fara sertar e,vedere din fata
În figura 4.5 este prezenată proiectarea virtuală CAD a dulapului cu sertarele
incorporate.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 50
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig 4.5. Dulap asamblat
4.1.2. Cadrul
Cadrul din țeavă rectangulară de oțel, are dimensiunile 20x20x1.5mm (Lxlxh) și
țeavă rotundă 17.2×1.5mm (dxh).
Proiectarea în programul virtual CAD este prezentată in figurile de mai jos.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 51
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig 4.6. Vederea lar ală a c onfectiei Fig 4.7. Vederea din față a confecției
Fig 4.8. Vederea de sus a confecției
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 52
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
De cadrul metalic se vor prinde și suporții tijei filetate care are rol ul de a urca, respectiv a
cobor pe axa culisantă verticală. Acești suporți conțin o carcasă din metal ce î nmagazinează
rulmentul.
Fig 4.9. Suportul tijei filetate
4.1.3. Axa culisantă pe verticală
În imaginile de mai jos, este prezentată culisanta orizontală, care ajuta la deplasarea pe
verticală a suportului actuatorului.
Fig 4.10. Axa culisantă pe vertica lă, vedere de sus
Fig 4.11 . Axa c ulisant ă pe vertica lă, vedere de jos
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 53
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig 4.12. Axa culisantă pe vertica lă, vedere laterală
4.1.4. Suport culisant pe orizontală
Culisanta are rolul de a mișca actuatorul pe direcția stanga – dreapta.
Fig 4.13. Suport culisant pe orizontal ă
4.1.5. Tija filetată pentru axa verticală
Tija filetată verticală are rolul de a deplasa cu lisanta orizontală pe verticală, fiind din
material metalic zincat cu diametrul de 8 milimetri si pas de 1.5. Această axa este pusă in
miscare de un motor de curent continuu cu, cutie de viteze cu un raport de transmisie 120:1.
Fig. 4.14 . Tija filetată verticala
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 54
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
4.1.6. Tija filetată pentru axa orizontală
Tija filetată verticală are rolul de a deplasa culisanta verticala pe direcția stanga –
dreapta, fiind din material metalic zincat cu diametrul de 6 milimetri si pas de 1.5. Această axa
este pusă in miscare de un motor de curent continuu cu, cutie de viteze cu un raport de transmisie
120:1.
Fig. 4.15. Tija filetată orizonta lă
4.1.7. Actuatorul liniar
Are rolul de a oferi sertarelor o miscare de translație.
Fig 4.16. Actuator liniar
4.1.8. Motor POLOLULU
Motorul dispune de cutie de viteze cu un raport de t ransmisie 120:1 si este prezentat
in figurile 4.17 și 4.18.
Fig. 4.17 . Motor cc. Fig. 4.18 . Motor cc.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 55
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
4.1.9. Asamblarea finală a componentelor
Fig. 4.19. Asamblare finală, ve dere Fig. 4.20 Asamblare finală, vedere
din față din spate
4.2. Sistemul de dez voltare Arduino
Arduino UNO
Arduino Uno este o placa microcontroler bazat pe ATmega328 (datasheet). Ea are 14 pini
digitale de intrare / ieșire (din care 6 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un
rezonator ceramic de 16 MHz , o conexiune USB, un jack de alimentare, un conector ICSP, și un
buton de resetare. Acesta conține tot ce este necesar pentru programarea un microcontroler; pur
și simplu îl conectați la un calculator printr -un cablu USB. Poate fi alimentat de la o bater ie sau
printr -un adaptor AC -DC.
Uno diferă de celelalte plăci cu microcontroller precedente în care nu se folosea
cip driver FTDI USB -to-serial. În schimb, este dotat cu Atmega16U2 (Atmega8U2 până la
versiunea R2), programat ca un convertor USB -to-serial.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 56
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Revizia 2 are o rezistență trăgând linia 8U2 CAF la masă, ceea ce face mai ușor
punerea în modul DFU.
Revizia 3 are următoarele caracteristici noi:
pinout: adăugat pini SDA și SCL, care sunt aproape de pinul Aref și alte două
știfturi noi plasate aproape d e pinul RESET, IOREF care permit adaptarea scuturilor la tensiunea
furnizată de la UNO. În viitor, scuturi vor fi compatibile atât cu versiuni care utilizează AVR,
care operează la 5V dar și cu Arduino Due care funcționează la 3.3V. Al doilea este un pin c are
nu este conectat, dar care este rezervat pentru scopuri viitoare.
Circuit RESET mai puternic.
Atmega 16U2 a înlocuit 8U2.
"Uno" înseamnă unul în limba italiană și este numit după versiunea Arduino 1.0. Uno și
versiunea 1.0 vor fi versiunile de referin ță ale Arduino. Uno este cel mai recent dintr -o serie de
placi Arduino USB, și modelul de referință pentru platforma Arduino.
Arduino Uno care urmatoarele caracteristici:
Microcontroler ATmega328
Tensiune de alimentare 5V
Tensiune de intrar e (recomandat) 7-12V
Tensiune de intrare (limite), 6-20V
Digital I / O Pins 14 (din care 6 au PWM de ieșire)
Pinii de intrare analogice 6
DC curent pe I / O Pin 40 mA
Curent DC 3.3V pentru Pin 50 mA
Din care memorie flash 32 KB (ATmega328) 0.5 KB utilizate de bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Frecventa 16 MHz
Designul de referință Arduino poate utiliza un ATmega8, 168, sau 328, modele curente
utilizând un ATmega 328, dar ATMEGA8 este prezentată în schema de referință(fig. 4.21.).
Configurația pinilor este identică la toate cele trei microcontrollere.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 57
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig.4.21. Schema de referin ță
Arduino Uno poate fi alimentat prin conexiunea USB sau cu o sursă de alimentare
externă. Sursa de energie este selectată automat.
Surse de energie externe (non -USB) pot veni fie de la un adaptor AC -DC sau de la o
baterie. Adaptorul poate fi conectat prin conectarea un jack tată de 2.1mm în mufa de alime ntare.
Bornele de la o baterie pot fi introduse în pinii GND și Vin pentru alimentare.
Arduino UNO poate funcționa de la o sursă externă de 6 si 20 de volți. În cazul în care
este furnizat cu mai puțin de 7V, cu toate acestea PIN -5V poate furniza mai puți n de cinci volți
și placa poate fi instabilă. Dacă utilizați mai mult de 12V, regulator de tensiune se poate
supraîncălzi și deteriora placa. Intervalul recomandat este de 7 -12 volți.
Pinii de alimentare sunt după cum urmează:
VIN. Tensiunea de intrare la placa Arduino atunci când este utilizată o sursă de
alimentare externă (spre deosebire de 5 volți prin conexiunea USB sau alte surse de
energie reglementate).
Pin 5V. Acesta furnizează o tensiune de 5V prin regulatorul de pe pe
placă. Placa poate fi alime ntată cu energie electrică, fie de la mufa de alimentare DC (7 –
12V), conectorul USB (5V), sau PIN -ul VIN a plăcii (7 -12V).
3V3. O tensiune de 3.3 volți este generate de regulatorul plăcii Arduino.
Curentul maxim este de 50 mA.
GND. Pinul de minus.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 58
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 IOREF . Acest pin de pe placa Arduino oferă tensiune de referință cu care
funcționează microcontrolerul. Un scut configurat corect poate citi tensiunea pinului
IOREF și selecta sursa de alimentare corespunzătoare .
Memoria microcontroller -ului ATmega328 este de 32 KB (cu 0,5 KB folosit pentru
bootloader). De asemenea, mai are 2 KB de SRAM și 1 KB de EEPROM (care poate fi citit și
scris cu b iblioteca EEPROM).
Fiecare dintre cele 14 pinii digitale pe Uno poate fi utilizat ca intrare sau ieșire, folosind
functiile pinMode (), digitalWrite (), și digitalRead (). Ei funcționează la 5 volți. Fiecare pin
poate oferi sau primi un maxim de 40 mA și au un rezistor pull -up intern (deconectat implicit)
de 20 -50 kOhms. În plus, unii pini au specializat funcții:
Serial: 0 (R X) și 1 (TX). Folosit pentru a primi (RX) și transmite (TX) date seriale TTL.
Acesti pini sunt conectati la pinii corespunzători din ATmega8U2 USB -to-serial TTL cip.
Intreruperi externe:. 2 și 3 Acesti pini pot fi configurati pentru a declanșa o întreruper e la
o valoare scăzută,la o margine în creștere sau care se încadrează, sau la o schimbare în
valoare. Consultați funcția attachInterrupt () pentru detalii.
PWM:. 3, 5, 6, 9, 10, și 11 Furnizează 8 biți PWM de ieșire cu funcția analogWrite.
SPI: 10 (SS), 1 1 (Mosi), 12 (MISO), 13 (SCK). Acesti pini sprijină comunicatia SPI
folosind biblioteca SPI.
LED 13 Există LED conectat la pinul digital 13. Atunci când pinul primeste valoarea
HGH, ledus se aprinde, iar cand primeste valoare LOW, ledul se stinge.
Uno a re 6 intrări analogice, etichetate de la A0 pana la A5, fiecare dintre ele oferă 10 de
biți de rezoluție (de exemplu, 1024 valori diferite). În mod implicit se măsoară de la masă până
la 5 volți, deși este posibil să se schimbe capătul de sus a intervalu lui lor, folosind PIN -ul Aref și
(funcția analogReference). În plus, unii pini au funcții speciale:
TWI: A4 sau pin SDA și A5 sau SCL PIN. Suport de comunicare TWI folosind biblioteca
WIRE.
Există o serie de alți pini pe placa:
AREF. Tensiune de referință pentru intrări analogice. Folosit cu analogReference ().
Reset. Prin valoarea LOW se va realiza resetarea microcontroler. De obicei este folosit
pentru a adăuga un buton de resetare pentru scuturi care blochează butonul de pe placa.
De asemenea, maparea pentru ATME GA8, 168, și 328 este identică.
Arduino Uno are o serie de facilități pentru a comunica cu un computer, un alt Arduino, sau
alte microcontrolere. ATmega328 oferă UART TTL (5V) de comunicație serială, care este
disponibilă pe pinii digitale 0 (R X) și 1 (TX). ATmega16U2 este o comunicație serială pe USB
și apare ca un port COM virtual pentru software -ul de pe computer. '16U2 foloseste driverele
standard de COM USB, și nu este nevoie de nici un alt driver extern. Cu toate acestea, pe
Windows, este necesar un fișier inf. Software -ul Arduino include un monitor serial care permite
transferul de date de tip text simplu, la și de la placa Arduino. LED -urile RX și TX de pe placa
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 59
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 vor clipi atunci când datele sunt transmise prin intermediul cip -ului USB -to-serial și conexiunea
USB la calculator (dar nu pentru comunicare serial pe pinii 0 și 1).
ATmega328 utilizează interfețe de tipul I2C (DST), și SPI de comunicare. Software -ul
Arduino include o bibliotecă pentru a simplifica utilizarea interfeței I2C. Pent ru interfața SPI de
comunicare, are de asemenea o bibliotecă de programe specializată SPI.
Arduino Uno poate fi programat cu software -ul Arduino . Selectați "Arduino Uno de la
Tools> meniul Board (în funcție de microcontroler de pe bord).
ATmega328 pe Ard uino Uno vine cu un bootloader care permite să fie încărcat un cod de
program compilat, fără utilizarea unui programator hardware -ul extern. Acesta comunică
folosind protocolul inițial STK500.
Puteți trece, de asemenea peste bootloader și programa microco ntrollerul prin ICSP (Serial
Programming In -Circuit).
ATmega16U2 (sau 8U2 în rev1 și plăci Rev2) codul firmware sursă este disponibil.
ATmega16U2/8U2 este încărcat cu un bootloader DFU, care poate fi activat prin:
Pe plăcile REV1: conectarea unui jumper pe partea din spate a plăcii (lângă harta de Italia) și
apoi resetarea 8U2.
Pe panouri Rev2 sau mai târziu: există un rezistor care trage linia 8U2/16U2 CAF la masă,
ceea ce face mai ușor pentru a pune în modul DFU.
Apoi, puteți utiliza software -ul Atmel F LIP (Windows) sau programator DFU (Mac OS X și
Linux) pentru a încărca un nou firmware. Sau puteți folosi ISP cu un programator extern
(suprascrie bootloader DFU).
Mai degrabă decât să solicite o apăsare fizică a butonul de resetare înainte de o încărcare ,
Arduino Uno este proiectat într -un mod care îi permite să fie resetat de software care se execută
pe un computer conectat. Una dintre liniile de control al fluxului de hardware (DTR) ale
ATmega8U2/16U2 este conectat la linia de resetare a ATmega328 print r-un condensator de 100
nanofarazi. Când această linie este atinsă, linia de resetare scade suficient de mult timpul pentru
a reseta cip -ul. Software -ul Arduino utilizează această capacitate pentru a vă permite să încărcați
codul prin simpla apăsare a buto nului de încărcare în mediul Arduino. Acest lucru înseamnă că
încărcătorul de sistem poate avea o pauză scurtă, scăderea DTR poate fi bine coordonată cu
începerea încărcării.
Această configurare are alte implicații. În cazul în care Uno nu este conectat l a nici un
calculator care rulează Mac OS X sau Linux, se resetează de fiecare dată când o conexiune este
făcută de la software -ul (prin USB). Pentru următoarea jumătate de secundă sau cam asa ceva,
bootloader -ul se execută pe Uno. În timp ce este programat să ignore datele incorecte (de
exemplu, nimic în afară de o încărcare a noului cod), se vor intercepta primi biti de date trimiși la
placă, după ce conexiunea este deschisa.
Uno poate evita resetarea si poate dezactiva auto -resetare. Plăcuțele de pe fiec are parte a
urmelor poate fi lipite împreună pentru a re -activa aceasta.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 60
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Arduino Uno are o protecție resetabilă care protejeaza porturile USB ale computerului de
suprasarcină. Deși cele mai multe calculatoare asigura protecția internă a acestora, siguranța
oferă un strat suplimentar de protecție. Dacă mai mult de 500 mA este aplicat la un port USB,
siguranța va rupe în mod automat conexiunea până suprasarcina este eliminată.
Lungimea maximă și lățimea PCB Uno este de 2,7 și respectiv 2,1 inch, iar conectoru l
USB și mufa de alimentare se extind dincolo de această dimensiune. Patru orificii pentru
șuruburi permite plăcii să fie atașată la o suprafață sau carcasă. Rețineți că distanța dintre pinii
digitali 7 și 8 este de 160 mil (0,16 "). [19].
4.3. Acționarea motoa relor și a actuatorului liniar
Pentru acționarea motoarelor se folosesc doua tipuri de relee, cu bobină de curent
continuu cu tensiune nominală 12V și respectiv 5V.
Axa vertical este pusă in mișcare cu ajutorul unei punți H construite din doua relee din
seria 40.61.9.012.0000 de la Finder, reprezrntat in figura 4.21, av ând urmatoarele caracteristici:
Tensiunea nominală de alimentare 8.8 – 18v
Capacitate de comutare 4000VA
Curent de comutare 16A
Material de contact AgCdO
Contact de tip SPDT -CO
Bobină cu rezistenta 220 ohm
Curentul bobinei 55mA
Inălțime 25 mm
Lățime 12,4 mm
Lungime 29 mm
Fig. 4.21. Releu Finder 40.61.9.012.0000 (21) .
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 61
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Acționarea motorul ui care pune in miscare axa y și p entru mișcarea de avans și de retragere a
actuatorului liniar se folosesc relee de tip 36.11.9.005.4011 de la Finder,reprezentate in figura
4.22, cu urmatoarele caracteristici :
Configurația contactelor este SPDT.
Tensiunea nominal a bobinei este de 5 V (curent continuu).
Sarcina de rezistență este de maxim 10 A/250 V.
Contacții suportă un curent de 15 A.
Tensiune bobină minim 3.75 V (c.c.).
Tensiune bobină maxim 7.5 V (c.c.).
Consumul de energie al bobinei este de 400 mW
-Temperatura de lucru -40….85°C.
Fig.4.22. Releu electromagnetic [20 ]
4.3.1. Proiectarea sistemului electronic
Pentru sistemul mecatronic de căutare a componentelor electronice s -au realizat sche mele
electronice, iar montajul a fost realizat pe placa bablaj de test, pe care s -au realizat traseiele.
Sistemul este format din:
Sursă de încărcare acumulator, prezentată in figura 4.23
Acumulator 12V, aratat in figura 4.24;
Stabilizator d e tensiune de 5V; prezentat in figura 4.25.
Trei punți de tip H construite din cate doua relee, necesare funcționării motoarelor și a
actuatorului liniar;
Driver ULN 2003 necesar activării releelor, prezentat in figura 4.26
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 62
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig. 4.23. Sursă î ncărcare accumulator [21 ]
Fig. 4.24. Acumulator Uultracell 12V (23)
Fig. 4.25. Stabilizator 5V (24).
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 63
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig.4.26 ULN 2003 [25 ]
4.4. Interfețe de comunicație folosite pentru programarea sau
transferul de informații (USB ).
Transferul datelor de pe PC la placa de dezvoltare se va face prin interfața de comunicație
USB. Mai multe aspect despre această interfață de comunicare se găsesc la capitolul 4.1.13.
4.5. Subsistemul hardware
4.5.1. Programele de funcționare pentru sistemul c u microcontroller
Reali zarea programului de verificare a func ționalității driverelor de motoare.
int r1 = 2; // Motor 1 sens stanga;
int r2 = 3; // Motor 1 sens dreapta;
int r3 = 4; // Motor 2 sens stanga;
int r4 = 5; // Motor 2 sens dreapta;
int r5 = 6; // Motor 3 sens stanga;
int r6 = 7; // Motor 3 sens dreapta;
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 64
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
void setup() // Se declara pinii alocati variabilelor r1 -r6 ca iesiri;
{
pinMode(r1, OUTPUT);
pinMode(r2, OUTPUT);
pinMode(r3, OUTPUT);
pinMode(r4, OUTPUT);
pinMode(r5, O UTPUT);
pinMode(r6, OUTPUT);
}
void loop() // Pogramul de test activeaza fiecare releu pentru 5 secunde.
{
digitalWrite(r1, HIGH);
digitalWrite(r2, LOW);
delay(5000);
digitalWrite(r1, LOW);
digitalWrite(r2, HIGH);
delay(5000);
digitalWrite(r2, LOW);
digitalWrite(r3, HIGH);
digitalWrite(r4, LOW);
delay(5000);
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 65
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
digitalWrite(r3, LOW);
digitalWrite(r4, HIGH);
delay(5000);
digitalWrite(r4, LOW);
digitalWrite(r5, HIGH);
digitalWrite(r6, LOW);
delay(5000) ;
digitalWrite(r5, LOW);
digitalWrite(r6, HIGH);
delay(5000);
digitalWrite(r6, LOW);
}
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 66
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
5. REAL IZAREA SISTEMULUI ME CATRONIC DE
CĂUTARE A COMPONENTELOR ELECTR ONICE
5.1. Realizarea sistemului
După finalizarea proiectării ansamblului și simulare a lui în programul de proiectare CAD,
prezentat în capitolul 4.1, s -a început analiza materilelor folosite și s -au luat piesele pe rand:
5.1.1. Cadrul metalic
Pentru construcția cadrului metalic s -a folosit teavă rectangulară 20x20x1.5mm, și teavă
rotundă cu di ametrul 33mm. Îmbinările țevilor s -a realizat prin sudare, electrozii folosiți fiind
supertit fin de 2,5mm.
La realizarea cadrului s -au folosit 3570 mm. de teavă rectangulară și 1000 mm. țeavă
rotună, taiate la urmatoarele dimensiuni:
4 x țeavă pătrată 150 mm.;
6 x țeavă pătrată 145 mm.;
4 x țeavă pătrată 315 mm.;
2 x țeavă pătrată 420 mm.;
2 x țeavă rotundă 420 mm.;
În figura 5.1. este reprezentată masurarea și taiera materialelor, respectiv curățare a
țevilor, iar în figura 5.2 este prezentată asamb rarea pieselor și începerea procesului de sudare.
La cadrul metalic s -au atasat doua lagăre cu rulmenți, lagărele fiind confecționate prin
strunjire la cotele rulmenților.In figura 5.3 este prezentat un lagar cu rulment.
Fig 5.1. Taierea țevi lor
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 67
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig.5. 2 Asamblarea pieselor
Fig.5. 3 Lagăr cu rulm enți
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 68
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
5.1.2. Axa culisantă pe verticală
Această axă este prezentată în figura 5. 4. Ea are rolul de a deplasa pe verticală suportul
actuatorului.
Construcția e i este realizată dintr -un profil U, in ambele capete fiind montate două lagăre
cu rulmenți în care se fizează tija filetată, fiind necesara miscarii pe orizontală a suportului
actuatorlui.
Culisarea pe cadru a axei este realizată cu ajutorul unei bucse, care alunecă pe teava
rotunda a cadrului existent.
Fig. 5.4 Axa culisantă pe verticală
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 69
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Axa este pusă in miscare cu ajutorul unei tije filetate cu metric 8 mm acționată de un
motor de curent continuu cu redactor cu raport de transmisie 100:1.
5.1.3. Suportul culisant pe orizontală
Acest suport , arătat in figura 5.5 are rolul de a susține și deplasa actuatorul liniar pe
verticală. El este pus in mișcare cu ajutorul unei tije filetate cu metric 6, acționate de doua
motoare de cure nt continuu ce dispune de cutie de viteze cu un raport de transmisie 120:1 .
Figura 5.5. Suport culisant
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 70
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Pentru o mișcare ușoară a tijelor filetate s -au folosit rulmenți din seria 696Z pentru axa
verticală și rulmenți din s eria 6000Z pentru axa orizontală, ei având dimensiunile trecute in
tabelul 5.1.
Tab 5.1 Dimensiunile rulmentilor
5.2. Motoarele și tijele filetate
Deplasarea pe ve rticală este realizată cu ajutorul a două motoare de curent continuu , ce
dispun de cutie de viteze cu raport de transmise 120:1 de la PO LOLULU. Montajul motoarelor
pe tija filetată poate fi observată în figura 5.6.
Fig. 5.6 Montajul motoarelor pe t ija filetată
Suportul actuatorului se deplasează pe orizontală cu ajutorul unui motor de curent continuu cu
redactor ( fig 5.7 și fig. 5.8 ),avand un raport de transmisie 100:1.
Motoarele sunt alimentate la 12 V.
Fig. 5.7. Motor de curent contin uu cu redactor.
Serie rulment 696Z 6000Z
Diametru interior 6mm 8
Diametru exterior 15mm 25
Latime 5mm 7
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 71
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig. 5.8. Cuplarea motorului cu tija filetată
5.3. Micro întrerupatoarele
Microîntrerupato arele prezentate in figurile 5. 9 și 5.10 au rolul de a trimite semnal la fiecare
revoluție a tijei filetate, la microcontroller. Acționarea mi croîntreru pătotului se face prin intermediul
unei came montate pe tija filetată.
Fig. 5.9.Microîntrerupător
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 72
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Fig. 5.10 Pozitionarea microîntrerupătorului
5.4. Sistemul electric
Componentele sistemului electric sunt:
Sursă de încă rcare accumulator;
Acumulator 12V;
Stabilizator de tensiune de 5V;
Trei punți de tip H construite din cate doua relee, necesare funcționării motoarelor și a
actuatorului liniar;
ULN 2003 necesar activării releelor.
5.4.1. Sură de încărcare accumulator (Redresor)
Acest redresor pentru baterii de acumulatori de 12 V este un aparat care supraveghează în
mod automat tensiunea si curentul de incarcare al bateriei.
Principiul de functionare este identic cu cel al releului de încărcare de pe alternatorul
autovehiculu lui.Tensiunea la bornel bateriei este monitorizat și stabilizat în urul valorii de 13,8 –
14,4 V. Dacă tensiunea este la valoarea de 13,8 – 14,4 V, acumulatorul este încărcată complet,
iar tirisorul este blocat și curentul de încărcare scade la valori de cațiva mA. În momentul cand
tensiunea bateriei scade, din cauza creșterii curentului de sarcină de pe aceasta, atunci imediat
intră in funcțiune circuitul de incărcare prin tiristor, care se deschide și controlează tensiunea la
bornele bateriei, care urcă până la valoarea de 13,8 V si se menține acolo. Deci aceste redresor
face și funcția de stabilizare a tensiunii la bornele bateriei. Acest mod de încărcare este foarte uril
in cazul folosirii bateriei de acumulatori pentru alimentarea unui circuit, unde menținerea
tensiunii de alimentare în limite normale este foarte importantă.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 73
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Sursa de alimentare este un transformator în care are în secundar o înfașurare care
debiteaza tensiunea de aproximativ 17 V la un curent de 5 A. Puntea redresoare folosită suport ă
acest curent. Elementul de comandă folosește un tiristor de tip 2N4444, dar se poate utiliza
orice model care este capabil să suporte curentul de încărcare, tiristorul trebuie montat pe un
radiator potrivit.
Pentru monitorizarea ciclului tensiunii, s e folosește un circuit format din trei tranzistoare
care comandă trei LED -uri de culori diferite. Așadar dacă tensiunea bateriei se situează sub
pragul de 11 V, lumineaza LED -ul roșu. Când tensiunea se situează intre 11 V și 12,4,
luminează LED -ul galb en. Atunci când tensiunea se situează între 12,4 si 14,4 luminează LED –
ul verde, care indică funcționarea în limite corecte de tensiune a redresorului. Dacă din diverse
motive, tensiunea la bornele bateriei depaseste 14,4 V, atunci peste LED -ul verde se aprinde și
LED -ul roșu care indică supra -tensiunea si regimul de avarie, acest lucru fiind periculos pentru
că poate sulfata bacteria de acumulatori. [26]
În figura 5. 11 este reprezentată aprinderea LED -urilor în funcție de tensiunea din baterie.
Fig. 5. 11. Ledurile indicatoare a redresorului
Transformatorul folosit este de tip toroidal, prezentat în figura 5.12.
Fig. 5.12 . Transformator toroidal
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 74
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Puntea redres oare, reprezentată in figura 5.13. Este montata pe un radiator de al uminiu,
pe care s -a montat un ventilator de PC pentru a mari randamentul de racire a punții redresoare.
Fig. 5 .13. Punte de diode [27]
Schema redresorulu i este prezentată în figura 5.14.
Fig. 5.15 .Schema redresorului
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 75
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 Componentele nec esare realizării incărcă torului acumulatorului sunt:
L.E.D. -uri : ROSU, GALBEN, VERDE;
R1 – 470
Q1 – BC171,
D6 – PL15,
R6 – 2K2
R9 – 15K,
D5 – PL10,
R7 – 2K2,
R4 – 2K2,
R2 – 470,
Q2 – BC171,
D7 – 1N40001,
D4 – PL11,
R8 – 2K2,
R5 – 2K2,
R3 – 470,
Q3 – BC171,
D10 – 1N4001,
R10 – 120,
RV1 – 100,
R11 – 470,
D8 – PL8V2,
R12 – 100,
R13 – 1K,
R14 – 4K7,
Q4 – BC178,
D9 – 1N4001,
Q5 – BC178,
C2 – 100 nF (ceramic),
R15 – 220,
C1 – 1uF (electrolitic),
R16 – 1K,
R17 – 1K,
U1 – 2N4444,
VENTTILATOR 12Vcc,
PUNTE DE DIODE,
SIGURANTA FUZIBILA DE 5A,
TRANSFORMATOR 220V PRIMAR, APROX 17V SECUNDAR.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 76
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Realizarea practică a redresorului este prezentată in figurile de mai jos:
Fig. 5.16 Montajul componentelor pe placă
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 77
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
5.4.2. Acumulatorul
Bateria este prezentată in figura 4.24. și are rolul de a proteja placa integrată de
perturbații externe in reteaua de alimentare și întreruperea tensiunii de alimentare, oferindu -i
sistemului mecatronic sa funcționeze independent de rețea.
5.4.3. Stabilizatorul de tensiune de 5V
Pentru alimentarea celor patru relee care comanda motorasul care pune in mișcare axa
orizontală și a mișcarea de avans și retragere a actuatorul liniar este nev oie de o tensiune de 5V.
Pentru a a ajunge la tensiunea de 5 V se folosește un circuit cu un stabilizator de tensiune
L7805CV, arătat în figura 5.17.
Fig. 5.17. Schema stabilizatorului de tensiune
5.4.4. Puntea H realizată cu ajutorul relee -lor și driv erul ULN 2003
Pentru punerea în mișcare a motoarelor, respectiv a actuatorului liniar, s -a realizată
puntea H cu ajutorul releelor. Fiecare punte are nevoie de câte doua relee, iar comanda lor este
realizată de driverul ULN 2003.Montajul este realizat in figura de mai jos:
Fig. 5.18. Montajul pe placaa releelor si a driverului ULM 2003
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 78
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
Realiza rea practică a shieldul ui este prezentata in figurile de mai jos:
Fig. 5.19.Vederea de sus a plăcii
Fig. 5.20 Realizarea traseelor
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 79
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 6. MĂSURI DE PROTEC ȚIE A MUNCII
Protecția muncii este o parte din procesul de muncă, percepută ca fiind un sistem, compus
din următoarele componente ce interacționează:
EXECUTANTUL: omul care r ealizează o sarcină de muncă;
SARCINA DE MUNCĂ: totalitatea acțiunilor ce trebuie efectuate, pentru realizarea
scopului procesului de muncă;
MIJLOACELE DE PRODUCȚIE: totalitatea mjloacelor de muncă și a obiectelor muncii
utilizate în procesul de muncă;
MED IUL DE MUNCĂ: ansamblul condițiilor fizice, chimice, biologice și psihosociale în
care unul sau mai mulți executanți își realizează sarcina de muncă.
Măsuri esențiale de protecție:
utilizați sistemul cu atenție pentru a preveni accidentarea, țineți mâinil e departe de
axele sistemului;
Sursa de alimentarea sistemului se va face la 220V , sursa de incarcare a
acumulatorului este de 12V ;
în cazul stocării, sistemul trebuie ferit de umezeală, șocuri și amplasat într -un
ambalaj de protecție
în timpul funcționăr ii, se interzice pătrunderea în perimetrul de lucru a sistemului
temperatura stocării și folosiri acestui sistem trebuie să fie cuprinsă între -40 și
85°C
în cazul defecțiunilor tehnice, trebuie oprit tot sistemul și chemat un personal
specializat pentru r emedierea defecțiuni
în caz de incediu se scoate de sub tensiune sistemul și se va stinge incendiul cu
CO 2, pentru protecția echipamentelor electrice
manipularea și programarea sistemului se va face de către un personal autorizat și
instruit despre modul de funcționare
Echipament individual de protecție – totalitatea mijloacelor individuale de protecție cu
care este dotat executantul în timpul îndeplinirii sarcinii de muncă, în vederea asigurării
protecției sale împotriva pericolelor la care este expus.
Zgomotele agravează situațiile de stres, agravează afecțiunile cardio -vasculare și
digestive, generează insomnii, măresc oboseala generală și îndeosebi oboseala nervoasă,
accentuează deficiențele de comportament (agresivitatea, anxietatea). Urmare a acest or efecte se
mărește riscul accidentelor la locul de muncă, a accidentelor de circulație și a celor de traseu.
Dacă expunerea personală zilnică la zgomot depășește limita de 80 dB ca intensitate , sau
dacă presiunea acustică instantanee neponderată este ma i mare de 112 Pa, angajatorul trebuie să
asigure următoarele măsuri:
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 80
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014
1. Să ofere pentru angajați informații adecvate, prin instruire, asupra:
riscurilor potențiale pentru auz, datorită expunerii la zgomot;
măsurilor luate pentru respectarea preved erilor acestor norme;
purtării echipamentului individual de protecție împotriva zgomotului.
2. Să permită angajaților sau reprezentanților acestora, accesul la determinările și
măsurătorile de zgomot efectuate.
Dacă expunerea personală zilnică la zgomot depășește 85 dB , sau valoarea maximă a
presiunii acustice instantanee neponderate este mai mare de 200 Pa , purtarea echipamentului
individual de protecție împotriva zgomotului devine obligatorie.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 81
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 7. CONCLUZII
În urma realizării lucrării Sistem mecatronic de căutare a componentelor
electronice s -au dedus urmatoarele concluzii, printre care există atât avantaje cât și
dezavantaje:
Avantaje:
Alimentarea sistemului poate fi și independentă de rețea;
Simplitate constructive;
Ușor de folosit și de adaptat ;
Costuri reduse de realizare a sistemului;
Dezavantaje:
Durată mare de executare, datorată tijei filetate cu pas mărunt;
Sunt folosite motoare de current continuu
Domeniile de utilizare a sistemului pot fi multiple și diverse, ca de exemplu :
magazine piese electronice, farmacii, cosmetic, etc
OBIECTIVE
Pentru scăderea duratei de așteptare a deplasării actuatorului pe axe, se pot
înlocui tijele filetare cu șurub uri cu bile cu pas mare, ce oferă sistemului o uzura
mai mică . De asemenea, mo toarele de curent continuu se inlocuiesc cu motoare pas
cu pas , pentru o precizie ridicată in deplasarea actuatorului.
Mișcarea de translație a corpurilor cilindrice se poate îmbunătăti prin
adăugarea unor lagăre cu elemente de rostogolire(rulmenți).
Implementarea unei baze de date și a unui soft ce permite gestionarea
automata a sistemului mecatronic.
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 82
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 BIBLIOGRAFIE
1. Mecatronica -noțiuni introductive [accesat la data 21.05.2014]
http://inmecatronica.blogspot.ro/2009/12/notiuni -introductive.html
2. Detalierea subsistemelor [accesat la data 21.05.2014]
http://www.rasfoiesc.c om/inginerie/tehnica -mecanica/Robotul -sistem -mecatronic –
mode96.php .
3. Carusele orizontale [accesat la data 21.05.2014]
http://www.systemlogistics.com/usa/split -case-picking_hc.php
4. Kardex Remstar Orizontal [accesat la data 21.05.2014] http://www.kardex –
remstar.com/en/storage -retrieval -systems/horizontal -systems.html
5. Stația Tall cu pla tformă de ridicare [accesat la data 21.05.2014] http://www.kardex –
remstar.com/en/storage -retrieval -systems/horizontal -systems.html
6. Communicator Pro [accesat la data 21.05.2014] http://www.kardex –
remstar.com/en/storage -retrieval -systems/horizontal -systems.html
7. Kardex Remstar Shuttle XP1000 [accesat la data 21.05 .2014]
http://www.kardexremstar.com/us/materials -handling -storage -solutions/vertical -lift-
modules/shuttle -xp1000/te chnical -data.html
8. Lift vertical Randex [accesat la data 21.05.2014]
http://www.randex.com/product/automated -industrial -storage/randex -compact -vertical-
lift.html
9. Sistem lift vertical SPSS [accesat la data 21.05.2014]
http://www.spssonline.com/automated -vertical -storage.php
10. Baza de date [accesat la data 24.05.2014]
http://www.cs.ubbcluj.ro/~vcioban/Matematica/Anul3/BD/Bd.pdf
11. Cod de bare [accesat la data 24.05.2014] http://ro.wikipedia.org/wiki/C od_de_bare
12. RFID [accesat la data 25.05.2014] http://ro.wikipedia.org/wiki/RFID
13. Arduino MEGA [accesat la data 25.05.2014]
http://www.robofu n.ro/arduino/arduino_mega2560
14. Arduino GSM shield [accesat la data 25.05.2014]
http://arduino.cc/en/uploads/Main/ArduinoGSMShield_Front.jpg
15. . Arduino Ethernet shield [accesat la data 25.05.2014]
http://australianrobotics.com.au/sites/default/files/imagecache/product_full/IMG_0632.jp
g
16. Arduino Wi -Fi shield [accesat la data 2 5.05.2014]
http://ktjjnx9q5vgx99fk.zippykid.netdna -cdn.com/wp -content/uploads/2013/06/arduino –
wifi-shield.jpeg
Universitatea Transilvania din Brașov – Facultatea de Design de Produs și Mediu 83
DEPARTAMENTUL DE DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
PROIECT DE DIPLOMĂ
Brasov
2014 17. . Arduino Wireless SD shiel d [accesat la data 25.05.2014]
http://www.rhydolabz.com/bmz_cache/9/980c88f2e047204794a4714d1241450c.image.2
50×250.jpg
18. USB (Universal Serial Bus) [accesat la data 27.05.2014]
http://users.utcluj.ro/~baruch/sie/labor/Interfata -USB.pdf
19. Arduino UNO [accesat la data 27.05.2014]
http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno
20. Releu Finder [accesat la data 27.05.2014]
http://www.soselectronic.ro/a_info/img_data/h/F40.61.jpg
21. . Releu electromagnetic [acce sat la data 27.05.2014]
http://www.tme.eu/en/details/36.11.9.005.4001/miniature -electromagnetic –
relays/finder/361190054011/
22. Sursă încăr care accumulator [accesat la data 27.05.2014] http://www.e –
acumulatori.ro/files/product/350×350/redresor -auto-h-tronic -al600 -compact -527.jpg
23. Acumulator Uultracell 12V [accesat la data 27.05.2014]
http://www.evomag.ro/img/94871/320/produse_gsmnet_6404149.jpg
24. Fig. 4.25. Stabilizator 5V [accesat la data 27.05.2014]
https://wiki.techinc.nl/images/5/54/Lm7805 -pinout -diagram.gif
25. Driver ULN 2003 [accesat la data 27.05.2014]
http://www.engineersgarage.com/sites/default/files/ULN2003%20Pin%20Diagram.jpg?1
301060647
26. Încărcător de acumulator la 12V [accesat la data 2805.2014]
http://dc388.4shared.com/doc/R6Relzul/preview.html
27. .Punte de diode [accesat la data 2805.2014]
http://www.syscomelco.ro/uploads/produse/KBJ15J_m.jpg
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Alexandru Bogdan Licenta 07.07.2014 [603658] (ID: 603658)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.