Capitolul 1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………….. [627898]

0

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU
FACULTATEA DE INGINERIE
DEPARTAMENTUL DE CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC:
CONF. DR. ING. MIHAI BOGDAN

ABSOLVENT: [anonimizat]
2020

1
UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU
FACULTATEA DE INGINERIE
DEPARTAMENTUL DE CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

SISTEM DE DETECȚIE CUTREMUR CU
ARDUINO

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC:
CONF. DR. ING. MIHAI BOGDAN

ABSOLVENT: [anonimizat]
2020

2
Cuprins

Capitolul 1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 3
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 3
1.1. Scop ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 3
1.2. Obiective ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 3
1.3. Descrierea problemei ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 3
1.4. Necesitate ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 4
1.5. Aplicabilitatea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 4
Capitolul 2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 5
Noțiuni teoretice și introductive ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 5
2.1. Măsurarea mărimilor neelectrice ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 5
2.2. Traductoare și senzori ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 6
2.3. Senzori pentru măsurarea vibrațiilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. 12
2.3.1. Măsurarea accelerație i vibrației – Accelerometre ………………………….. ………………………….. ……… 12
2.3.2. Măsurarea vitezei vibrației ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 15
2.3.3. Măsurarea deplasării vibrației ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 16
2.4. Platforma de dezvoltare Arduino ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 17
2.4.1. Arduino UNO R3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 18
2.4.1.1. Microcontrolerul ATMEGA 328P -PU………………………….. ………………………….. ………………….. 19
2.4.1.2. Memoria ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 20
2.4.1.3. Pinii plăcii de dezvoltare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 20
2.4.1.4. Alimentarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 25
2.4.1.5. Protecția la supracurent a portului USB ………………………….. ………………………….. ………………… 25
2.4.1.6. Comunicarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 26
2.4.1.7. Programarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 26
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 27

3
Capitolul 1
Introducere

1.1. Scop

Lucrarea prezentată are ca scop proiectarea și realizarea unui sistem de detec tare, monitorizare
și alertare în timp real , cu privire la iminența producerii unei activități seismice . Astfel, ansamblul are
un rol esențial și poate contribui chiar la evitarea pierderilor de vieți omenești și reducerea pagubelor
materiale prin furnizarea de avertizări audio , cât și vizuale în cazul producerii unui cutremur.
Sistemul precizat anterior de detectare, monitorizare și al ertare a seismelor utilizează platform a
de dezvoltare Arduino în funcționarea sa. Principalele componente utilizate în această lucrare sunt : o
placă de dezvoltare Arduino Uno R3, un accelerometru de tip ADXL 335, un ecran LCD, diode
luminescente și un buz er.

1.2. Obiective

Elaborarea demersului de cercetare în cadrul lucrării de diplomă impune mai multe obiective clar
definite, principalele tratate în această lucrare sunt:
– Studiul sistemelor încorporate;
– Studiul senzorilor și traductoarelor de accelerație;
– Studiul platformei de dezvoltare Arduino;
– Implementarea sistemului de detecție a cutremurului cu Arduino ( realizarea schemei de conexiuni,
realizarea practică a proiectului și realizarea programului aplicației ) .

1.3. Descrierea problemei

Cutremurele și activitățile seismice au reprezentat dintotdeauna un subiect important al omenirii.
Astfel, dezastrel e provocate de seisme în diferitele regiuni ale globului, de -a lungul anilor au atras atenția
de nenumărate ori, fiind evident faptul că umanitatea n -a fost niciodată preg ătită pentru a face fată unui
seism de magnitudini ridicat e. Marea problemă este repr ezentată de undele cutremurelor ce apar f ără
vreo avertizare prealabilă , fenomenul creat fiind imposibil de evitat , provocând de cele mai multe ori
distrugeri materiale de mari proporții și chiar pierderi de vieți omenești.
Problema principală ce se dorește a fi rezolvată în lucrarea elaborată este implementarea unui
sistem de detecție a cutremurelor. Prin urmare, dacă seismele sunt analizate în mod corect, ele pot fi
detectate înainte de a se produce mișcări puternice ale so lului, oferindu -ne timp prețios pentru a ne

4
pregăti de impact, sau chiar pentru a îl evita . În consecință, se tinde ca sistemul de detectare a
cutremurului cu Arduino, să monitorizeze și să detecte ze mișcarea seismică de vibrație a p ământului cu
ajutorul s enzorului de tip accelerometru ADXL335 , măsurând cantitatea de accelerație și afișându -ne în
timp real pe un ecran LCD coordonatele celor 3 axe cu unghiul de înclinație respectiv fiecăreia în parte,
iar în caz de vibrații intense să ne alerteze vizual pe e cranul LCD și acustic cu ajutorul unui buz er.

1.4. Necesitate

Utilitatea unui astfel de sistem de detecție a cutremurelor este crucială, fie că locui ți într-o regiune
activă seismic sau nu , cutremurele pot izbi fără avertisment, iar atunci când se întâm plă acest dispozitiv
vă alertează ajutându -vă să luați măsuri pentru a minimiza efectul negativ al consecințelor unui seism .
În acest sens, tehnologia recentă joacă un rol vital, mișcările seismice la care este supus detectorul
cu Arduino sunt măsurate prompt și exact de un accelerometru de o mare receptivitate și capabil de un
răspuns rapid, putând semnala producerea unui cutremur în doar câteva secunde de la detectarea primei
vibrații, deci cu câteva zeci de secunde ca undele distructive să ajungă în locația unde este amplasat ,
ceea ce îl caracterizează ca fiind un dispozitiv indispensabil în prevenirea dezastrelor . Astfel, conform
unei celebre zicale latine ce datează încă din secolul al XIII -lea este mai bine și mult mai util să preveni ți
o problemă la timp decât să căutați un remediu după ce prejudiciul a avut loc, această afirmație
evidențiind perfect necesitatea unui detector de cutremur.

1.5. Aplicabilitatea

Detectorul de cutremur cu Arduino are un vast domeniu de aplicabilitate , amplasarea acestuia se
realizează într -o manieră simplă, iar datorită dimensiunilor reduse își g ăsește locul în orice încăpere , fie
că este vorba de propria locuință, a unui spațiu comercial sau a unei clădiri de birouri. Astfel, acesta
este proiectat să furnize ze avertizări în timp real despre activitatea seismică , oferindu -vă siguranță
permanentă și înlăturând orice incertitudine cu privire a producerii seismelor.

5
Capitolul 2
Noțiuni teoretice și introductive

2.1. Măsurarea mărimilor neelectrice

Știința care are obiect efectuarea măsurătorilor extrem de precise, a stabilirii unităților de măsură
și a procedeelor de măsurare a mărimilor fundamentale ale sistemelor de unități se numește metrologie.
Aceasta cuprinde toate aspectele teor etice și practice ale măsurărilor, indiferent de incertitudinea de
măsurare și domeniul de aplicare. [1]
Măsurarea este definit ă ca ansamblu de procedee prin care se ob ține o informa ție cantitativ ă
asupra unei m ărimi fizice , fiind un proces experimental, obiectiv, prin care are loc atribuirea de numere
proprietăților , obiectelor și fenomenelor din lumea înconjurătoare.
Astfel, c aracterul obiectiv al măsurătorii exprimă faptul că rezultatul măsurării nu trebuie să
depindă de operatorul care o efectuează , iar ceea ce supunem măsurării reprezintă proprietățile obiectelor
și fenomenelor . Descrierea din punct de vedere cantitativ și calitativ a fenomenelor, a caracteristicilor și
proprietăților corpurilor din lumea înconjur ătoare, se face cu ajutorul unor măr imi. Pentru cunoa șterea
valorilor acestor m ărimi se a pelează la măsurători.
Opera ția de măsurare constă în compararea cantitativ ă a mărimii de măsurat cu o mărime
cunoscută, de aceeași natură. Mărimea supusă opera ției de m ăsurare se nume ște măsurand, iar rezultatul
măsurării se numește valoare măsurată , iar ansamblul operațiilor efectuate pentru realizarea unei
măsurători reprezintă metoda de măsurare. Astfel, dacă notăm cu [ U ] unitatea măsurată a mărimii M
și cu ,,m” valoarea numeric ă măsurată atunci ecuația măsurării este :
M=m ×[ U ] Ecuația 2.1.1 – Ecuația
măsurării

Realizarea măsurătorilor se realizează cu un instrument care convertește măsurandul într-o
valoare măsurată, perceptibilă operatorului. Aparatul de măsurat este un dispozitiv destinat a fi utilizat
pentru a efectua măsurări, singur sau asociat cu unul sau mai multe dispozitive suplimentare în timp ce
un sistem de măsurare este un ansambl u complet de mijloace de măsurare și alte echipamente reunite
pentru efectuarea unor măsurări specificate. [2]
În prezent, pentru măsurarea mărimilor neelectrice sunt utilizate semnalele electrice ca suport al
informației metrologice, ca urmare a numeroaselor avantaje pe care le prezintă. Semnalele electrice se
obțin, fie direct de la un traductor sau senzor activ, fie indirect în cazul traductoarelor pasive. [3]
Astfel, senzorul este deci un dispozitiv care reacționează la anumite proprietăți fizice sau chimice ale
mediului din preajma lui. Ca parte componentă a unui aparat sau sistem, acesta realizează

6
măsurători /înregistrări, ca de exemplu ale accelerației, presiunii, umi dității , câmpul ui magnetic, a forței,
a intensit ății sonoră, a radiații lor, etc. [2]
Schema de principiu a unei măsurări este :

Figura 2 .1.1. – Schema de principiu a unei măsurări [2]

Obiectivele principale ale măsurărilor sunt :
– Monitorizarea / supravegherea unui proces ;
– Controlul unui proces;
– Verificarea unor modele sau experimente.
Proiectarea și operarea unui sistem de măsurare presupune considerarea următoarelor etape :
– Sesizarea mărimii de măsurat;
– Condiționarea și prelucrare a semnalului;
– Transmiterea semnalului ce conține informația;
– Memorarea datelor;
– Afișarea rezultatelor ;
– Asigurarea surselor de energie ;
– Protecția și asigurarea unei funcționări corecte ;
– Service, calibrare și mentenanță. [4]

2.2. Traductoare și senzori

Traductorul este definit ca fiind un dispozitiv capabil să convertească energia dintr -o formă a sa
în altă formă. Această conversie este făcută înainte și după unitatea de prelucrare, prin urmare
traductoarele sunt la interfața fizică dintre sist emul de măsurare (sistemul electronic) și procesele sau
experimentele ce se studiază sau controlează. Astfel, se realizează prin transformarea mărimii fizice ce
se dorește a se măsura, de cele mai multe ori o mărime neelectrică într -o mărime electrică, în altă mărime

7
electrică dar cu o gamă diferită de variație. Transformare nu este întotdeauna realizată direct de un
singur element fizic, ci poate fi făcută indirect, printr -o serie de transformări succesive ale cantităților
fizice. [4]
În terminologia rom ânească ,,traductor” înseamnă în mod curent ,,traductor de măsură”,
înglobând ,,senzorul” și eventualele circuite de prelucrare adiacente. De exemplu, o termorezistență este
un sen zor, pe când termorezistența plus circuitul de condiționare înglobat formeaz ă un traductor. În
limba engleză pentru această combinație se utilizează termenul de ,, transmitter ” și nu ,,transducer” care
este identic cu definiția traductorului . Acest sens al termenului ,,traductor” în limba română vine în
contradicție, de exemplu, cu noțiunea de ,,senzor integrat” sau de ,,senzor inteligent” , care de asemenea,
conține senzori și circuite de prelucrare a semnalului. [4]
Criteriile principale de clasificare a traductoarelor sunt poziția pe care o ocupă în sistemul de
măsurare și modul de obținere a energiei la ieșirea traductorului.
După poziția pe care o ocupă în sistemul de măsură traductoarele se clasifică în :
– Elemente sensibile;
– Elemente de execuție.
Dacă traductorul se găsește la intrarea sistemului de măsură este denumit senzor, pentru că
sesizează, adică simte mărimea fizică dorită și o convertește în altă formă de energie. De astfel, termenul
de senzor sugerează extensia achiziției de informații la mărimi nepercep ute de simțurile umane.
Când traductorul se află la ieșirea sistemului de măsurare este denumit element de execuție,
respectiv executor sau actuator, respectiv element de acționare pentru că el convertește energia primită
într-o formă de energie la care e ste sensibil, adică poate reacționa un sistem independent, fie el tehnic
sau biologic. [4]
Pentru sistemul tehnic elementul de execuție poate fi un dispozitiv de acționare a unei uși, sau
un dispozitiv de frezare.
Pentru sistemul biologic, adică observa torul uman, elementul de execuție poate fi un ecran LCD
sau un buzer , la care pot reacționa senzorii vizuali sau acustici, precum sistemului de detectare a
cutremurului cu Arduino, elaborat în lucrarea prezentată.
Conform diagramei bloc a sistemului de m ăsură, reprezentat în figura 2. 2.1., se observă c ă
senzorul convertește energia în care se află informația în acea formă de energie în care se face
prelucrarea. Aceasta, teoretic, poate fi oricare din următoarele domenii energetice , fie ea electrică,
mecan ică, chimică, termică, magnetică, acustică, optică, nucleară, etc. [4]

8

Figur a 2.2.1. – Diagrama bloc a unui sistem de măsură [4 ]

Dintre domeniile energetice prezentate, prelucrarea în domeniu electric se evidențiază prin
susținerea a mai mul tor factori :
– Datorită structurii electronice a materiei, variația unui parametru neelectric, determină modificarea
unui parametru electric, fiind posibilă conversia oricărei mărimi ne electrice în una electrică ;
– Posibilitatea de transmisie la distanțe mari a semnalului metrologic ;
– Consumul de energie redus al procesului de măsurare, miniaturizare, simplitate în operare, datorită
existenței amplificatoarelor și a integrării pe scară larg ă a noilor tehnologii ;
– Ușurința memorării, prelucrării și afișării rezultatelor măsurării, fie ele de tip text, imagini, diagrame
sau grafice.
Un alt domeniu energetic de prelucrare este domeniul optic. Astfel, chiar dacă cea mai mare
ponderă în sistemele de măsurare o au traductoarele electrice, există domenii în care se face prelucrarea
și transmisia semnalelor și cu ajutorul traductoarelor optice, mai mult chiar, sunt sisteme de măsurare în
care se face prelucrarea în ambele domenii energetice (electric și optic). [4]

Senzorii pot fi clasificați după mai multe criterii, așa cum se prezintă în continuare :
a) După modul de variație a mărimii de ieșire există:
– Senzori analogici;
– Senzori numerici.

9
Senzorii analogici produc un semnal sau o tensi une de ieșire continuă, care este în general
proporțională cu cantitatea măsurată. Totodată aceștia reprezintă cea mai extinsă clasă de senzori.
Mărimile fizice, cum ar fi temperatura, viteza, presiunea, deplasarea, tensiunea, etc. sunt toate
cantități an alogice, întrucât tind să fie continue în natură. Astfel, ca să înțelegem mai bine, ne gândim la
un termometru sau la un termocuplu care pus în practică răspunde continuu la schimbările de
temperatură, pe măsura ce lichidul se încălzește sau se răcește , conform figurii prezentate mai jos (figura
2.2.2). [4] [5]

Figura 2 .2.2. – Producerea unui semnal analogic cu utilizarea unui termocuplu [5]

Senzorii analogici tind să producă semnale de ieșire care se schimbă lin și continuu în timp.
Aceste semnale tind să fie foarte mici ca valoare pornind de la câțiva mico -volți (uV) până la mili-volți
(mV), astfel încât este necesară o anumită formă de amplificare. De asemen ea, circuitele care măsoară
semnalele analogice au de obicei un răspuns lent și / sau o precizie scăzută.
Semnalele prezentate pot fi transformate cu ușurință în semnale de tip digital pentru utilizare în
sisteme de micro -controler prin utilizarea conver toarelor analogice -digitale sau ADC. [5]

Senzorii numeric i necesită o condiționare mai simplă a semnalului și sunt mai puțin sensibili la
interferențele electromagnetice . Așa cum sunt numiți , senzorii digitali produc semnale sau tensiuni de
ieșire digitale discrete care exprimă o reprezentare digitală a cantității măsurate .
Senzorii digitali produc un semnal de ieșire binară sub forma un ui „1” logic sau a un ui „0” log ic,
(„ON” sau „OFF”). Astfel, înseamnă că un semnal digital produce numai valori discrete (necontinu e)
care pot fi transmise ca un singur „bit”, (transmisie serială) sau prin combinarea biților pentru a produce
o singură ieșire „byte” (transmisie paralelă). [4] [5]

10

Figur a 2.2.3. – Producerea unui semnal digital prin utilizarea unui senzor de lumină [5]

În figura prezentată mai sus (fig ura 2 .2.3.), se observă că viteza arborelui rotativ se măsoară cu
ajutorul unui senzor de lumină digital. Astfel, discul care este fixat pe un arbore rotativ, are un număr de
fente transparente în construcția sa. Pe măsură ce discul se rotește cu viteza arborelui, fiecare fantă trece
pe lângă senzor, acesta producând la rândul s ău un impuls de ieșire reprezentat de 1 sau 0 logic. Aceste
impulsuri sunt trimise la un registru al contorului și în final la un afișaj de ieșire pentru a arăta viteza sau
revoluțiile arborelui. Prin creșterea numărului de fante sau „ferestre” din disc se pot produce mai multe
impulsuri de ieșire pentru fiecare revoluție a arborelui. Avantajul acestui lucru este că se obține o
rezoluție și o precizie mai mare, deoarece pot fi detectate fracțiuni ale unei revoluții.
În comparație cu semnalele analogice, se mnalele digitale au precizii foarte mari , dar sunt mai
predispuse la pierderea calității în procesul de traducere a datelor. [5]
b) După modul de obținere a energiei la ieșirea traductorului există :
– Senzori modulatori sau parametrice ;
– Senzori generatori .
Senzorii de modulare necesită o putere auxiliară pentru a funcționa , în timp ce senzorii generatori
funcționează fără o sursă de alimentare auxiliară . [4]
c) După modul de operare există :
– Senzori de deflexie ;
– Senzori de nul.
Senzorii de deflexie se bazează pe o derivație sub acțiunea măsurandului, iar senzorii de nul se
bazează pe principiul opoziției folosind o mărime de referință. [4]
d) După relația care există între intrare și ieșire sau caracteristica de transfer senzori i pot fi :
senzori de ordinul zero, senzori de ordinul unu, senzori de ordinul doi, senzori de ordinul n. [4]

11
e) După natura mărimii de intrare sau altfel spus a mărimii de măsurat există : senzori de
deplasare, sen zori de câmp electric, senzori de temperat ură, etc. [4]
f) După natura mărimii de ieșire există : senzori rezistivi, senzori inductivi, senzori capacitivi. [4]

Așa cum s -a arătat traductorul și in special senzorul este veriga principală dintr -un sistem de
măsurare. Astfel, de -a lungul timpului s -a dezvoltat o serie întreagă de senzori , numiți și senzori speciali .
Din categoria acestor a se evidențiază :
i. Senzori pentru măsurarea simultană a mai multor mărimi
Există senzori care pot detecta mai multe mărimi deodată chiar din domenii energetice diferite.
Unul dintre ei este bucla cu o singură sarcină, un senzor de câmp magnetic, de tip generator.
ii. Senzori integrați
Senzorii integrați sunt realizați prin tehnici microelectronice , prin combinarea mai multor
tehnologii cu senzori într -un singur ansamblu.
În acest fel pe substratul de siliciu pe lângă senzorul propriu zis sunt incluse și circuitele
electronice de condiționare a semnalul ui. Această abordare ,,all-in-one” permite senzorului să trimită
semnale care pot fi utilizate imediat, fără procesare sau amplificare suplimentară.
Există o multitudine de aplicații a utilizării acestor senzori , dar adesea sunt folosiți pentru
colectarea datelor de poziție, unghi, distantă, accelerație.
iii. Senzori inteligenți
Un senzor inteligent este un dispozitiv care preia intrarea din mediul fizic și folosește resurse de
calcul încorporate pentru a îndeplini funcții predefinite la detectarea intrării s pecifice și apoi procesarea
datelor înainte de a le transmite , fiind construit din două părți principale :
– Un lanț de măsurare pilotat de microprocesor ;
– Interfață de comunicare bidirecțională .
Aceștia permit colectarea mai precisă și automatizată a datelor și sunt utilizați pentru
monitorizarea și controlul mecanismelor într -o mare varietate de medii și un număr mare de aplicații
științifice. [4] [6]
Conform listei globale a producătorilor de senzori , în anul 2017 pe piață se regăseau peste 60 de
tipuri de senzori , utilizați în diverse industrii sau aplicații , pentru măsurarea proprietăților fizice . Aceștia
sunt regăsiți cel mai des în domeniul hardware, al autovehiculelor, aviației, marinei, telecomunicațiilor,
precum și în industria chimică , în producției , cât și în sectorul medical. [7]

12
2.3. Senzori pentru măsurarea vibrațiilor

Vibrațiile sunt mișcări oscilante care apar în urma aplicării unei forțe variabile sau oscilante
asupra unei structuri. Vibrațiile pot fi continue sau intermitente, periodice sau neperiodice. Oscilațiile
depind de natura forței aplicate și de structură.
Măsurarea vibrațiilor este descrisă ca fiind un procedeu complex datorită numeroșilor parametrii
ai acesteia – accelerație, deplasare , viteză. Astfel, p entru măsurarea vibrațiilor cele mai utilizate
instrumente sunt traductoarele de vibrații. [8]
Senzorii utilizați la măsurarea vibrațiilor sunt de mai multe tipuri :
• Senzori de accelerație;
• Senzori de viteză;
• Senzori de deplasare .

2.3.1. Măsu rarea accelerației vibrației – Accelerometre

Accelero metrul sau senzorul de măsurare a accelerației este cele mai frecvent tip de traductor
utilizat în măsurarea vibrațiilor.
Astfel, după cum sugerează și denumirea, accelerometrul măsoară accelerația pe baza inerției
corpurilor , fiind utilizat în măsurarea vibrației, a șocului, a mișcării, a înclinației, a intensi tății seis mice
și a forței.
Dacă cunoaștem accelerația putem de duce mai multe valori importante, una dintre ele este forța.
În acest fel, conform ecuației de mai jos (ecuația 2.3.1.1.), dacă cunoaștem masa unui obiect, notă cu
(m), o putem înmulți cu accelerația notată cu (a) și obținem forța, notată cu (F).
𝐹=𝑚×𝑎 Ecuația 2 .3.1.1

Accelerometrele sunt de mai multe tipuri și se împarte în două mari categorii:
I. Accelerometre de curent alternativ ;
II. Accelerometre de curent continuu. [9] [10]

I. Accelerometre de curent alternativ
Accelerometrele de curent alternativ sunt definite pentru măsurarea evenimentelor dinamice. Cu
alte cuvinte nu se utilizează în măsura rea accelerați ei static e, fiind strict utilizate în măsurarea
accelerației dinamice . Prin urmare, în aplicații de monitori zare a vibrațiilor , a monitorizării sănătății
structurale răspunsul accelerometrelor de curent alternativ este de o importanță majoră, deoarece
semnalele de interes pot avea un spectru al frecven ței cu o putere disipată spre o gamă largă de frecvențe .

13
Cel mai frecvent , accelerometre le de curent alternativ folosesc elemente piezoelectrice pentru
detectarea accelerației. Astfel, aceste elemente folosesc efectul piezoelectric descoperit de Pierre și
Jacques Curie în anul 1880 , care au observat că anumite materiale, în special cristale și obiecte ceramice,
la comprimare cauzează apariția unei polarizări electrice, formându -se o diferență de potențial cu
generare de curent electric. [9]
Accelerometrele de curent alternativ se împart la rândul lor î n două categorii :
• Accelerome tre cu modul de încărcare ( sarcină ) piezoelectric (,,Charge Accelerometer Sensors”) ;
• Accelerometre cu modul de tensiune piezoelectric ( ,,IEPE Accelerometer Sensors ”). [10]

Acceleromet rul cu modul de încărcare piezoelectric se definește prin comprimarea cauzată de
accelerație pe axa de deplasare ce generează un flux de ioni încărcați care variază ca intensitate în funcție
de cantitatea de accelerație.
Acesta se găsește de cele mai multe ori înglobat într -o carcasă de metal ermetică și este considerat
unul dintre cei mai durabili senzori, datorită capacității sale de a tolera condițiile de mediu ostile. Astfel,
în interiorul senzorului, un material piezoelectric (de obicei cuarț sau ceramică piezoelectrică) es te
poziționat lângă o masă fixă. Atunci când carcasa senzorului este supusă unei accelerații de -a lungul
axei de măsurare, efectul de tensiune sau comprimare al masei pe materialul piezoelectric induce o ieșire
de sarcină . Cel mai mare avantaj al acestui t ip de accelerometru este că nu necesită alimentare externă ,
iar dezavantaj ul îl reprezintă costul ridicat al unui condiționator de semnal . [9] [11] [13]

Accelerometrul cu modul de tensiune piezoelectric sau ,,IEPE” (Inegrated Electronics
Piezo electric), este un accelerometru cu tehnologie integrată caracterizat de un standard tehnic pentru
senzorii piezoelectrici de conversie a impendanței. Acest amplificator transformă ieșirea cu impendață
ridicată într -una cu impendanță mică.
În interiorul senzorului, se găsește un material piezoelectric ( de obicei cuarț sau ceramică
piezoelectrică ) , fiind poziționat lângă o masă fixă, ca și in cazul accelerometrelor cu modul de încărcare
piezoelectrice, singura diferență fiind că senzorul ,,IEPE ” include suplimentar un amplificator de
semnal. Atunci când carcasa senzorului este supusă unei accelerații de -a lungul axei de măsurare, efectul
de tensiune sau comprimare al masei pe materialul piezoelectric induce o tensiune de ieșire . Avantajul
acestui tip de s enzor îl reprezintă semnalul de ieșire mai mare, deci un condiționator de semnal mai puțin
costisitor, iar d ezavantajul senzorului ,,IEPE” este redat de necesitatea acestuia de a fi alimentat la o
sursă externă. [9] [11] [13]

14
II. Accelerometre de curent continuu
Accelerometrele de curent continuu sunt definite pentru măsurarea cu exactitate a accelerației
statice . De asemenea, acești senzori pot măsura și vibrațiile dinamice, dar nu la același nivel cu cel al
accelerometrelor de curent alternativ, care sunt special concepute pentru aceste măsurători. [9] [10]
Senzori de accelerație de curent continuu se împart în trei categorii :
• Accelerometre capacitive ;
• Accelerometre piezorezistive;
• Accelerometre MEMS.

Accelerometrele capacitive sunt traductoare de c urent continuu special concepute pentru a oferi
performanțe superioare de măsurare a accelerației în domeniul frecvențelor joase.
În funcționarea acestora se utilizează deplasarea unei mase de probă în raport cu carcasa
accelerometrului pentru determinarea accelerați ei. Astfel, în interiorul unui accelerometru capacitiv,
masa de probă este suspendată între două pl ăci, dintre care una dintre ele se află deasupr a acesteia, iar
cealaltă se poziționează sub ea. Mișcările masei de probă ce se produc sunt mici, în general sub 20 de
micrometri. Cei doi condensatori care se formează între masă și plăcile superioare , respectiv inferioare
sunt utilizați într -un mod difer ențial, încât interferențele create să poată fi egalizate în măsurare . În final
producându -se o ieșire electrică proporțională cu accelerația.
Accelerometrele capacitive sunt avantajoase pentru monitorizarea structurilor mari, deoarece
sunt capabile să o bțină măsurători pe o gamă largă de frecvențe , inclusiv accelerație dinamică , având în
general stabilitate, sensibilitate și rezoluție superioar ă în comparație cu accelerometre le piezorezistive .
Cu toate acestea, acestea sunt sensibile la variații de tempe ratură și umiditate și sunt relativ fragile în
comparație cu accelerometrele piezoelectrice. [9] [10]

Accelerometrele piezorezistive sunt traductoare de curent continuu care utilizează efectul de
piezorezistență. Acestea sunt echipate cu un material piez orezistiv, care se deformează sub acțiunea unei
forțe externe, provocând o schimbare a rezistenței, care este convertită într -un semnal electric .
Astfel, în construcția acestora se regăsește o punte Wheatstone de rezistoare, pe unul sau mai
multe brațe, c e își schimbă valoarea rezistenței electrice sub acțiunea efortului. Deoarece , senzorii sunt
alimentați cu tensiune electrică exterioară, ieșirea poate fi cuplată în curent continu pentru a răspunde și
la condiții statice. Sensibilitatea unei punți Wheatst one variază direct proporțional cu tensiunea de
alimentare (de excitație), care trebuie sa fie stabilă și nezgomotoasă.
Ieșirea punții este flotantă, fiind nevoie de un amplificator diferențial sau ambele legături de la
tensiunea de excitație trebuie să f ie flotante pentru ca ieșirea din punte să fie față de masă. Configurația
cu ieșire diferențială are avantajul rejecției de mod comun. Cele mai multe punți cu senzori piezorezistivi

15
folosesc două sau patru elemente active. Tensiunea la ieșire a unei punți cu două brațe active este
jumătate din cea a unei punți cu patru brațe active.
Avantajul traductoarelor piezore zistive este dat de capacitatea de măsurare a acestora pe un
interval larg, de până la 0 Hz, fiind ideale pentru a calcula cu exactitate informațiile despre viteză sau
deplasare , iar dezavantajul acestora îl reprezintă sensibilitate a foarte scăzută , ceea ce le face mai puțin
utile pentru testarea exactă a vibrațiilor. [9] [10]

Accelerometrele MEMS (micro electromechanical systems) reprezintă un sistem micro
electromecanic de accelerometr e de curent continuu, ce utilizează tehnologia accelerometrel or
capacitive sau piezorezistivi.
Tehnică MEMS folosește mecanisme de dimensiuni de ordinul micronilor, capabile să execute
mișcări foarte precise. Adesea aceste mecanisme sunt acționate fie de forțe electromagnetice, fie de
energie chimică . Astfel, MEMS sunt sisteme integrate foarte mici (de ordinul micronilor sau
milimetrilor) având în componență elemente mecanice și electrice. Fabricarea lor este similară cu cea a
circuitelor integrate, dar sunt proiectate astfel încât proprietățile electrice și mecani ce ale
semiconductorului de siliciu sa poată fi exploatate. Pe lângă structurile componente miniaturizate, există
și micro senzori sau elemente de acționare responsabil e pentru conversia unui semnal mecanic într -unul
electric. Tehnologia MEMS își atinge po tențialul prin combinarea componentelor sale împreună cu
circuitele integrate.
Dezvoltarea accelerometrelor MEMS a revoluționat aplicațiile originale ale accelerometrelor,
făcându -le mai mici , mai exacte, mai ieftine și cu un consum de energie mai redus. Acestea fiind ideale
în măsurări statice , excelând în măsurarea unghiurilor statice pe una, două sau trei axe, în funcție de
tipul de accelerometru. [9] [1 2] [13]

2.3.2. Măsurarea vitezei vibrației

Viteza vibrației se măsoară folosind :
– Senzori electrodinamici de viteză;
– Vibrometre cu laser ;
– Traductoare de viteză cu integrarea accelerației.
Senzorii electrodinamici de viteză conțin un magnet fixat pe un sistem cu arc pentru a forma un
sistem inerțial. Magnetul este suspendat într -o carcasă cu un a sau mai multe bobine cu spire. Când
carcasa vibrează la frecvențe peste frecvența naturală a sistemului masă și arc, masa magnetului este
izolată de vibrația carcasei. Astfel, magnetul este staționar și carcasa cu bobine se mișcă peste el cu
viteza struc turii de care este atașată. Tensiunea electrică generată la ieșire este proporțională cu viteza

16
bobinei care se mișcă în câmp magnetic. Senzorii de viteză sunt folosiți pentru frecvențe între zeci și
sute de Hz, au dimensiuni mari, sunt grei, supuși la uzu ră și pot produce tensiuni electrice false la ieșire.
Vibrometrele cu laser sunt instrumente noi, denumite și vitezometre cu laser, având sensibilitate
mare și acuratețe. Folosesc un fascicol laser care este divizat în fascicol obiectiv și fascicol de ref erință.
Fascicolul obiect reflectat de obiectul de vibrație are imprimată o deplasare instantanee de frecvență
Doppler, proporțională cu viteza instantanee a vibrației obiectului. Un modulator acusto -optic (celulă
Bragg) introduce o deplasare statică de fr ecvență de 40MHz pe unul din fascicule. Astfel, alinierea și
distanța fată de obiectul care vibrează sunt critice. Gama de frecventă la care operează este cuprinsă pe
un interval de la 0 Hz la 1 MHz, iar gama dinamică pe un interval de la 0 m/s la 10 m/s.
O versiune a vibrometrului cu laser scanează fascicolul laser pe suprafața unui câmp de imagine,
măsurând viteza în fiecare punct. Semnalul compus rezultat este afișat ca o hartă a contururilor sau o
imagine pseudocolor . Harta vibrațiilor este suprapusă p e o imagine video pentru a obține cantitatea
maximă de informații despre variațiile vitezei pe o suprafață mare.
Traductoarele de viteză cu integrarea accelerației folosesc circuite de procesare numerică pentru
integrarea semnalelor de la accelerometre. E xistă și accelerometre care au în aceeași capsulă integratoare
electronice analogice sau numerice, crescând astfel raportul semnal / zgomot. [10]

2.3.3. Măsurarea deplasării vibrației

Pentru măsurarea deplasării vibrației se folosesc :
– Tehnici optice de măsurare;
– Senzori electromagnetici și capacitivi de deplasare;
– Senzori de deplasare pe bază de contact;
Tehnicile optice de măsurare diferă în funcție de frecvență. La frecvențele joase și când
deplasarea este mare ( >2,5 mm) se folosesc pentru măsurare rigle, șublere, filme de mare viteză, camere
video sau stroboscoape. La frecvențe mari, tehnicile optice sunt mai complicate, de exemplu variația
intensității sau a unghiului unui fascicol de radiație optică pe o suprafaț ă reflectrorizantă. Instrumentul
cel mai sensibil și mai precis care poate fi folosit în aceste cazuri este interfer ometrul Michelson.
Principiul de funcționare este următorul : fascicolul reflectat de piesa în mișcare interferează cu fascicolul
reflectat d e o oglindă plată fixă, producând franje de interferență. Se pot măsura astfel deplasări de peste
100 mm, prin numărarea franjelor. Interferometrele cu laser se folosesc drept instrumente standard de
calibrare până la frecvențe ale vibrațiilor de peste 25 kHz.
Senzorii electromagnetici de proximitate sunt fără contact și măsoară distanța relativă în funcție
de cuplajul electromagnetic sau capacitiv (electrostatic). Deoarece, acești senzori se bazează pe efecte

17
inductive sau capacitive , este necesar ca obi ectul de măsurat (țintă) sa fie conductiv. Calibrarea se face
pentru fiecare tip de material dintre țintă și sonda senzorului, dar și pentru fiecare țintă.
Senzorii de proximitate electromagnetici sunt denumiți și senzori de curenți induși deoarece,
folos esc ca mecanisme de conversie curenții generați în țintă prin legea inducției electromagnetice. Cu
cât distanța dintre bobina senzor și țintă este mai mare, cu atât cuplajul electromagnetic este mai mic,
curenții induși în țintă mai mici și energia genera tă mai mică.
Traductoarele capacitive de proximitate măsoară capacitatea între senzor și țintă și o convertesc
în distanță.
Senzorii de deplasare pe bază de contact folosesc contactul direct între două obiective pentru a
măsura distanța dintre ele, prec um traductoarele potențiometre rezistive. [10]

2.4. Platforma de dezvoltare Arduino

Arduino este o companie de software și hardware fondată în Italia, care reprezintă o platformă
electronică open source (cu sură deschisă) .
Compania produc e atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software
destinată funcționării programării acestora . Pe lângă toate acestea Arduino include și o comunitate
numeroasă care se ocupă cu dezvoltarea și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive
care pot sesiza și controla diverse activității sau procese în lumea reală. Fiind un proiect open source,
Arduino permite producerea și distribuirea produselor sale de către oricine. Majoritatea produselor fiind
licențiate de GPL (General Public License). [15]
Proiectul se bazează pe proiectarea plăcilor cu diverse tipuri de microcontroler e, care oferă
utilizatorilor pin i I/O, digitali și analogici care pot interfața cu diverse plăci numite scuturi și / sau alte
circuite. Ace ste plăci au interf ețe de comunicații seriale , iar unele modele includ port USB, care ajută la
încărcarea programelor direct de pe computererele personale. Pentru programarea microcontrolerului,
Arduino vine cu un mediu de dezvoltare integrat , numit Ardui no IDE care este bazat pe proiectul
Processing, incluzând suport pentru limbaje de programare precum C și C ++.
Software -ul celor de la Arduino, respectiv Arduino IDE este disponibil gratuit pe site -ul
companiei, iar plăcuțele cu microcontroler sunt dispo nibile comercial sub formă preasamblată sau sub
forma unor kituri ușor de ansamblat. [14] [15]
Produsele Arduino se găsesc într -o gamă largă de plăci, module și scuturi (elemente care pot fi
conectate pe o placă pentru a -i oferi funcții suplimentare). Ast fel, acestea se clasează pe mai multe
categorii de la produse pentru începători, la produse cu caracteristici îmbunătățite, la produse avansate,
dar și la produse utilizate în internetul obiectelor (Internet of Things) . Printre acestea, cele mai utilizate

18
tipuri de plăci sunt Arduino U no, Arduino Mega, Arduino Nano, Aduino Micro, Arduino Leonardo,
Arduino Due și Arduino Ethernet. [14]
Primul proiect Arduino a fost lansat în anul 2005 în Ivrea, Italia, având ca scop asi gurarea unei
soluții ieftine și simple pentru utilizatori de tot felul, atât începători, cât și profesioniști cu obiectivul de
a crea dispozitive capabile să interacționeze cu mediul, folosind senzori și sisteme de acțioanre. La
început partea de hardware a plăcuțelor Arduino a fost produsă de compania italiană Smart Projects,
urmând ca apoi și alte companii din lumea întreagă, ca Adafruit Industries sau SparkFun Electronics să
înceapă procesul de fabricare a plăcilor Arduino. [14] [15]

2.4.1. Arduino UNO R3

UNO este o placă de dezvoltare Arduino, definită ca fiind o platformă de procesare de tip open
source, bazată pe microcontrolerul ATMEGA 328P -PU, cu un hardware și software flexibil și ușor de
utilizat.

Figura 2.4.1.1. – Placa de dezvoltare Arduino UNO
cu etichetarea fiecărei componente în parte [16]

Placa de dezvoltare Arduino UNO este formată dintr -o platformă de mici dimensiuni (6.8 cm pe
5.3 cm – varianta standard) conform figurii de mai sus (figura 2.4.1.1), și este concepută in jurul unui
procesor de semnal, fiind capabilă de a prelua date din mediul înconjurător printr -o seri e de senzori și
de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul diodelor luminescente, a motoarelor, a
servomotoarelor si a altor tipuri de dispozitive mecanice și nu numai. Procesorul plăcii are capacitatea

19
de rulare a codurilor scrise într-un limba j de programare care este foarte similar cu limbajul C++ și de a
programa placa să execute comenzile aferente codului. [14] [16]
Caracteristicile tehnice ale plăcii Arduino UNO sunt prezentate în tabelul de mai jos (tabelul 2.4.1.1) :
Microcontroler : ATMEGA 328P -PU
Tensiune de operare : 5 [V]
Tensiune de alimentare recomandată : 7-12 [V]
Limită de ten siune: 6-20 [V]
Pini intrare/ieșire : 14, dintre care 6 pot oferi ieșire PWM
Pini analogici de intrare : 6
Memorie Flash : 35 [KB]
SRAM : 2 [KB]
EEPROM : 1 [KB]
Frecvență de lucru : 16 [MHz]
Tabelul 2.4.1.1 – Caracteristicile tehnice ale plăcii Arduino UNO [14]

2.4.1. 1. Microcontrolerul ATMEGA 328P -PU

Microcontroler -ul este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) , o memorie și
alte periferice cu rolul de a controla circuite electronice, care-i permit interacțiunea cu mediul exterior .
Microcontrolerul utilizat în funcționarea plăcii de dezvoltare Arduino UNO este un
microcontroler ATMEGA 328P -PU fabr icat de către compania Atmel de la Microchip Technology.
Acesta este unul dintre cele mai utilizate microcontrolere la nivel mondial, datorită eficienței ridicate, a
consumului de energie redus și a costului de achiziție scăzut.
ATMEGA328P -PU este un circ uit integrat de înaltă performanță , CMOS, cu o arhitectură redusă
AVR 8 -bit, respectiv pe 8 biți, ce se bazează pe un microcontroler RISC. Acesta poate executa
instrucțiuni complexe într -un singur ciclu de ceas, caracterizându -se ca fiind ideal în procesar ea
codurilor Arduino. Parametrii acestuia sunt prezentați în tabelul de mai jos ( tabelul 2.4.1.1. ) [18]
Parametrii Valori
Tipul memoriei de program : Flash
Dimensiunea memoriei programului : 32 [KB]
Viteza procesorului : 20 [MIPS/DIMIPS]
SRAM : 2,048 [B]
Date EEPROM : 1024 [octeți ]
Periferice de comunicare digitală : 1-UART, 2 -SPI, 1 -I2C
Cronometre (timers) : 2×8 biți, 1×16 biți
Număr de pini: 32
Numărul de comparatori : 1
Interval de temperatură : de la -40 până la 85 ° [C]
Tensiunea de funcționare: De la 1,8 până la 5,5 [V]
Tabelul 2.4.1.1. – Parametrii micrcontroler -ului ATMEGA328P -PU [18]

20
2.4.1.2. Memoria

Microcontrolerul ATMEGA328P -PU utilizat în realizarea plăcii de dezvoltare Arduino UNO are
o capacitate a memoriei de 32 [KB], dintre care 0,5 [KB] sunt destinați folosirii de către ,,bootloader ”
(codul care se execută înainte ca sistemul de operare să rul eze). Totodată, acesta mai include 2 [KB] de
SRAM (Static Random Acces Memory) și un 1 [KB] de EEPROM ( Electrically Erasable Programmable
Read -Only Memory), destinată pentru stocarea datelor ce trebuie să persiste și după întreruperea
alimentării cu elect ricitate. Aceasta poate fi citită și scrisă cu librăriile EEPROM. [14] [16]

2.4.1. 3. Pinii plăcii de dezvoltare

Pinii plăcii de dezvoltare Arduino UNO se pot clasifica în 3 mari categorii, pini digitali, pini
analogici și pini de putere . Astfel, aceștia la rândul lor au mai multe funcții, după cum putem observa în
figurile de mai jos (figura 2.4.1.3.1 . și figura 2.4.1.3.2. ). [14]

Figura 2.4.1.3.1. – Pinii plăcii de dezvoltare Arduino Uno (secțiunea 1) [14]

21

Figur a 2.4.1.3.2. – Pinii plăcii de dezvoltare Arduino UNO (secțiunea 2) [14]

Pinii analogi ai plăcii Arduino UNO sunt 6 la număr și sunt notați la A0 la A5 (figura 2.4.1.3. 1.).
Aceștia utilizează convertorul analogic digital și servesc ca intrări analogice, dar pot func ționa de
asemenea, ca intrări digitale sau ieșiri digitale. Pinul notat cu A4 și A5 au funcții speciale. Pinul A4
(SDA) suportă o comunicare prin 2 fire (I2C) sau (TWI), fiind folosit de cele mai multe ori pentru SDA
(serial data) la TWI. Pinul A5 (SCL) es te identic cu pinul A4, doar că acesta este folosit pentru SCL
(Serial Clock) la TWI. Pentru controlul TWI se folosește librăria WIRE. [14] [16]

22
Pinii de putere sunt 8 la număr și pot fi identificați deasupra pinilor analogici . Conform figurii
2.4.1.3. 1. aceștia se regăsesc deasupra pinului analog A0. Aceștia sunt :
▪ Pinul 1, notat Vin – intrarea pentru tensiune din sursă externă (input Voltage) ;
▪ Pinul 2, notat GND – negativul pentru tensiune din sursa externă (ground Voltage) ;
▪ Pinul 3, notat GND – se utilizează pentru piesele și componentele montate la placa de dezvoltare ca
și negativ/împământare ;
▪ Pinul 4, notat 5V – ieșire pentru piesele și componentele montate la Arduino. Reprezintă o ieșire de
5 [V] dacă placa este alimentată corect, respectiv cu o tensiune cuprinsă între 7 și 12 [V];
▪ Pinul 5, notat 3,3 – ieșire pentru piesele și componentele montate la Arduino. Reprezintă o ieșire de
3 [V] și maxim 50 [mA], dacă placa este alimentată corect, respectiv cu o tensiune cuprinsă între 7
și 12 [V] ;
▪ Pinul 6, notat RESET – se utilizează pentru resetarea controlerului Arduino, dacă se setează pe LOW;
▪ Pinul 7, notat 5VREF – este folosit ca referință pentru shield -uri, pentru a comuta automat la
tensiunea furnizată de placa Arduino, 5 sau 3,3 [V] (Input/Output Refference Voltage);
▪ Pinul 8, nu este notat și este rezervat pentru utilizări ulterioare de producători. [14] [16]

Pinii digitali ai microcontrolerului ATM EGA328 pot fi configurați ca și intrări sau ieșiri
digitale, adică cu nivele logice , unii dintre ei având funcții speciale. Aceștia pot fi controlați cu una din
următoarele funcții: pinMode(), digitalWrite() și digitalRead( ). Astfel, conform figurii 2.4.1 .3.2. îi
regăsim notați pe placă de la PD0 la PD13 , fiind 14 la număr . Aceștia au următoarele caracteristici :
▪ Pinul D 0 (serial) RX – pin digital, serial, utilizat în special pentru recep ția datelor seriale asincrone
(intrare Rx);
▪ Pinul D 1 (serial) TX – pin digital, serial, utilizat pentru trimiterea datelor asincrone (ie șire – Tx);
▪ Pinul D 2 – pin digital cu funcția de întrerupere externă (External Interrupts) . Acest pin poate fi
configurat pentru a declanșa o întrerupere la o valoare mică, un front crescător sau descrescător, sau
o schimbare în valoare ;
▪ Pinul D3 – pin digital cu funcție de semnal modulat în lățimea impulsurilor de comandă – PWM
(pulse with modulation ) și întrerupere externă (External Interrupts) ;
▪ Pinul D 4 (I/O) – pin digital standard intrare/ie șire;
▪ Pinul D 5 – pin digital cu funcție de PWM ;
▪ Pinul D 6 – pin digital cu funcție de PWM ;
▪ Pinul D 7 – pin digital standard intrare/ie șire (I/O) ;
▪ Pinul D 8 – pin digital standard intrare/ie șire (I/O) ;
▪ Pinul D 9 – pin digital cu funcție de PWM ;

23
▪ Pinul D 10 – pin digital cu funcție de PWM și SPI, suportă comunicare prin interfa ța serială (Serial
Peripheral Interface );
▪ Pinul D 11 – pin digital cu funcție de PWM și SPI, se folose ște pentru MOSI/SIMO (Master Output,
Slave Input );
▪ Pinul D12 – pin digital cu funcție SPI, se folosește pentru MOSI/SIMO (Master Output, Slave Input
);
▪ Pinul D 13 – pin digital cu funcție SPI și LED , se folose ște pentru SCK/SCLK ( Ceas serial -output
din master). De asemenea, pe placă este încorporat un LED care este conectat la acest pin. Când
pinul este setat pe valoarea HIGH este pornit, când are valoarea LOW este oprit. [14] [16]

Conform figurii 2.4.1.3.2. pe placa de dezvoltare Arduino UNO, deasupra pinilor digitali se mai
regăsesc încă 4 pini cu diferite funcții, aceștia sunt :
▪ Pinul 14, notat GND – reprezintă un pin de nul ;
▪ Pinul 15, notat AREF (analog reference ) – este utilizat pentru tensiunea de ref erință pentru intrările
analogice . Se poate controla cu ajutorul funcției : analogReference() ;
▪ Pinul 16, notat D18 sau SDA (serial data) – se utilizează pentru o comunicare I2S (Inter -IC Sound),
respectiv pentru conectarea unui dispozitiv audio ;
▪ Pinul 17, notat D19 sau SCL (serial clock) – se utilizează pentru o comunicare I2S (Inter -IC Sound),
respectiv pentru conectarea unui dispozitiv audio; [14] [16]

Tensiune de operare a pinilor este de 5 [V], iar fiecare dintre aceștia pot primi sau trimite un
curent de maximum 40 [mA], având incluse rezistențe de tip PULL -UP cu un interval cuprins între 20 –
50 [kΩ], făcând în unele cazuri excepție pinii cu funcții speciale sau pinii din categoria pinilor de putere.
Înainte de a fi utiliza ți, în cadrul unui program, este necesară configurarea acestora ca fiind de
intrare sau de ie șire. În cazul platformei Arduino, implicit (la pornirea sistemului) pinii digitali sunt
configura ți ca fiind de intrare, adică sunt în starea de înaltă impedan ță. Este de men ționat faptul că daca
se utilizează pinii as tfel configura ți și nu au conectate alte componente care să le stabilească un nivel
logic, există posibilitatea ca nivelele logice ale pinilor să fie influen țate de către mediul ambiant și să
generez modificări ale nivelelor logice „citite”, rezisten ța lor echivalentă de intrare fiind de ordinul
sutelor de Mohm. Prin urmare este necesară stabilirea unui nivel logic stabil prin intermediul unor
componente electronice externe, pentru a fi siguri că nu se ob țin valori influen țate de către mediu. Dacă
pinii res pectivi nu sunt utiliza ți în cadrul programului ca fiind intrări (adică nu sunt „citi ți” de către
program) atunci nu e necesară conectarea altor componente la acei pini. [17]

24
La ini țializare to ți pinii sunt in starea de înaltă impedan ță și din motive de c onsum de energie
electrică, având o rezisten ță electrică echivalentă de valoare mare practic curentul prin circuitul electric
al respectivului pin este de valoare foarte mică și implicit rezultă un consum redus de energie electrică.
Atunci când sunt utili zați ca și pini de intrare este recomandată utilizarea unor rezisten țe externe,
de valori de ordinul 10k, conectate la VCC sau la GND („pull -up” sau „pull -down”). [15]
Microcontrolerul Atmega328 din componen ța platformei Arduino UNO are integrate reziste nțe
electrice de „pull -up”, care pot fi activate utilizând parametrul INPUT_PULLUP în cadrul instruc țiunii
de setare a tipului de pin (de intrare sau de ie șire). Activarea acestor rezisten țe interne de pull -up are ca
efect, oarecum, inversarea comportament ului pinilor de intrare, în sensul în care dacă nu este activ
senzorul de la intrare (de exemplu un comutator) se va citi valoarea HIGH iar când senzorul este activat
se va citi valoarea LOW. Uzual valoarea rezisten țelor interne de pull -up este de ordinul 20k-50k dar
diferă și func ție de tipul microcontrolerului. Conectând un led la GND și la un pin digital (având activă
rezisten ța de pull -up) este foarte probabil ca ledul să lumineze suficient cât să fie vizibil. [14] [17]
În cazul în care se activează rezisten țele de pull -up, senzorii sau comutatoarele care se conectează
la intrare ar trebui să fie active (să comute la activarea lor) pe starea logică de LOW. [17]
Un alt efect al utilizării rezisten țelor interne de pull -up, este datorită faptu lui că registrele care
configurează activarea lor sunt acelea și care controlează și starea logică a ie șirilor pinilor, când sunt
configura ți ca ie șiri, având activate rezisten țele interne de pull -up în momentul în care se configurează
pinul ca fiind de ie șire, starea pinului va fi HIGH ! Acest comportament este valabil și în sens invers,
având setat pinul de ie șire pe nivelul HIGH și comutând respectivul pin ca fiind de intrare se va activa
automat rezisten ța internă de pull -up. [14] [17]
Utilizarea pinilo r ca ie șire digitală implică utilizarea parametrului OUTPUT în instruc țiunea
pinMode(). Pinul configurat ca fiind de ie șire poate furniza curent de maxim 40mA, fie în starea LOW
fie in starea HIGH. Ca urmare pot alimenta sau comanda diverse circuite electr ice pentru care este
suficientă valoarea maximă Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 10 suportata de
circuitul intern al pinului respectiv. Uzual se pot comanda direct leduri (cu utilizarea unei rezistente de
limitare a curentului) dar nu se pot comanda direct relee sau motoare care necesită curen ți mai mari
pentru func ționarea lor. [17]
Scurtcircuitarea pinilor între ei sau conectarea la GND sau VCC poate duce inclusiv la
distrugerea integratului de și de obicei are ca efect distrugerea ci rcuitului intern corespunzător acelui
pin.[17]

25
2.4.1.4. Alimentarea plăcii Arduino

Placa de dezvoltare Arduino UNO poate fi alimentată în trei moduri, fie prin intermediul unei
conexiuni USB de tipul A -B, fie printr -o conexiune de tip jack de 2.1 mm sau fie prin intermediul
conectorului power, prin anteturile pinilor Gnd și Vin.
Alimentarea prin intermediul USB se po ate face direct de la un computer, iar alimentarea prin
intermediul jack și alimentarea prin intermediul conectorului ,,power ” realizându -se de la o sursă
externă. Selectarea sursei de alimentare se realizează în mod automat de către placă. Sursa externă p oate
fi un adaptor de CC -CA pentru alimentarea jack, iar pentru alimentarea în anteturile pinilor se utilizează
un acumulator, respectiv baterie. Selectarea sursei de alimentare se face automat de către placa UNO.
Tensiunea de operare a plăcii Arduino este de 5 [V], limita de tensiune fiind de 6 -20 [V], iar
tensiunea de alimentare recomandată este cuprinsă în intervalul de 7 –12 [V], pentru evitarea
deteriorărilor. [14] [16]
Pinii de alimentare a plăcii UNO sunt :
• VIN – Acest pin se utili zează pentru intrarea tensiunii de alimentare atunci când se folosește o sursă
externă . De asemenea, se poate furniza tensiune prin acest pin sau poate fi accesată în cazul în care
tensiunea de alimentare se face prin intermediul jack -ului de putere.
• 5V – Acest pin furnizează o tensiune stabilizată de 5 [V], obținută cu ajutorul stabilizatorului intern
al plăcii. Alimentarea cu tensiune exterioară prin acest pin nu este recomandată d eoarece, poate
distruge placa.
• 3.3V – Acest pin furni zează o tensiune stabilizată de 3.3 [V], obținută cu ajutorul stabilizatorului
intern al plăcii. Alimentarea cu tensiune exterioară prin acest pin nu este recomandată de oarece,
poate distruge placa.
• GND – Acest pin reprezintă împământarea (masa).
• IOREF – Acest pin generează o tensiune de referință cu care microcontrolerul poate opera. [14] [16]

2.4.1. 5. Protecția la supracurent a plăcii Arduino

Placa Arduino UNO este echipată cu o siguranță resetabilă care protejează portul USB al
computerului de scurtcircuite și supracuren ți. Deși majoritatea computerelor au propria lor protecție
internă, securitatea oferă un nivel suplimentar de protecție. Dacă curentul aplicat portului USB depășește
500 mA, siguranța va deconecta automat până la eliminarea scurtcircuitului sau a supraîncărcării. [16]

26
2.4.1. 6. Comunicarea

Placa de dezvoltare Arduino UNO conține o serie de facilități și metode care permit comunicarea
cu computerele, cu alte plăci de dezvoltare Arduino sau cu alte microcontroler e.
Microcontrolerul ATMEGA 328 asigură comunicații seriale UART TTL (5V), pentru care sunt
prevăzuți pinii digitali D0 (RX) și D1 (TX). Astfel, placa Uno este prevăzută și cu un microcip
ATMEGA16U2 care asigură o comunicație serială USB care apare ca și u n port virtual pentru software –
ul computerului. Firmware -ul din ATMEGA16U2 utilizează drivere USB standard și nu are nevoie de
drivere externe, software -ul IDE având inclus un serial monitor care permite vizualizarea datelor text
transferate. Led -urile mon tate pe pinii digitali D0 (RX) și D1 (TX) se vor aprinde intermitent atunci când
datele circula prin intermediul USB la computer, dar nu și pentru comunicarea serială de pe pinii D0 și
D1. De asemenea, microcontrolerul ATMEGA328 suportă și comunicații I2C (TWI) sau SPI. Software –
ul IDE având inclusă o librărie WIRE ce simplifică comunicare pe bus -ul I2C. Comunicare SPI utilizând
și ea la rândul ei o librărie SPI. [16]

2.4.1. 7. Programarea

Microcontrolerul de pe placa Arduino UNO poate fi programat la fel ca și celelalte plăci de
dezvoltare Arduino, respectiv cu ajutorul software -ulului Arduino IDE.
Microcontrolerul ATMEGA 328 este prevăzut cu un ,,bootloader ” care oferă posibilitatea de a fi
încărcat un nou cod prin intermediul platformei, direct prin p ortul USB, fară utilizarea unui dispozitiv
de hardware extern. Comunicarea realizându -se prin protocolul STK500. De asemenea, programarea se
poate face și cu ajutorul pinilor ICSP (In Circuit Serial Programming) dacă nu se dorește utilizarea
,,bootloader -ului”. Această metodă necesită un programator extern, însă ne oferă și un avantaj de 0,5
[KB] de memorie, care în mod normal era ocupată de ,,bootlaoder ”. [14] [16]

27
Bibliografie

1. Anand K. Bewoor, Vinay A. Kulkarni , ,,Metrology & Measurement ”, Tata McGraw -Hill Education,
New Delhi, anul 2009 .
2. Mihai Bogdan, suport de curs – ,,Măsurări electrice și electronice”, Facultatea de Inginerie,
Universitatea ,,Lucian Blaga” din Sibiu, anul 2015 .
3. Carmen Stănescu, suport de curs – ,,Măsurarea mărimilor neelectrice ” Facultatea de Inginerie,
Universitatea ,,Lucian Blag a” din Sibiu , anul 2018.
4. David Valeriu, ,,M ăsurarea mărimilor electrice și neelectrice ” Facultatea de Electrotehnic ă,
Universitatea Tehnică ,,Gh. Asachi” Iași, anul 2009.
5. https://www.electronics -tutorials.ws/io/io_1.html
6. https://www.wisegeek.com/what -is-an-integrated -sensor.htm#
7. https://web.archive.org/web/20170707204959/http://robotic -material.co m/Sensor -Manufacturers –
Association.html
8. https://www.lionprecision.com/vibration -measurement -vibration -sensors -measuring -vibration –
precisely/
9. https://dewesoft.com/
10. http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_7.pdf
11. Manfred Weber, ,,Piezoelectric Accelerometers”, Metra Mess – und Frequenztechnik in Radebeul,
anul 2012.
12. Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kfraft, Neil White, ,,MEMS Mechanical Sensors”, Artech
House, Boston.
13. Jacob Fraden, ,,Handbook of Moderns Sensors”, Springer.
14. https://www.arduino.cc
15. https://en.wikipedia.org/wiki/Arduino
16. https://microcontrolere.wordpress.com/2016/08/10/arduino -uno/
17. Sebastian Petru Sabou, ,,Îndrumar laborator microcontrolere ARDUINO”, Editura U.T. Press Cluj
Napoca, anul 2015.
18. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel -7810 -Automotive -Microcontrollers –
ATmega328P_Datasheet.pdf