Detecția și semnalarea wireless a accidentelor rutiere [308715]

Universitatea “Politehnica” [anonimizat] a accidentelor rutiere

Lucrare de disertație

Prezentată ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Inginer

în domeniul Electronică și Telecomunicații

programul de studii de disertație Electronică și Informatică Aplicată

(ETC –EIA)

2018

Declarație de onestitate academică

Prin prezenta declar că lucrarea cu titlul “Detecția și semnalarea wireless a accidentelor rutiere”, [anonimizat] a Universității “Politehnica” [anonimizat] a mai fost prezentată niciodată la o facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate.

[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]. Reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori face referință la sursă. Înțeleg că plagiatul constituie infracțiune și se sancționează conform legilor în vigoare.

[anonimizat], [anonimizat], experimente și măsurători. Înțeleg că falsificarea datelor și rezultatelor constituie fraudă și se sancționează conform regulamentelor în vigoare.

București, Iulie 2018 Absolvent: [anonimizat]……………………………………………………………………………………..i

Lista acronimelor………………………………………………………………………………..iii

Introducere……………………………………………………………………………………….1

Capitolul 1 Sisteme automate

Capitolul 1.1. Scurt istoric al evoluției automatizări………………………………………………2

Capitoul 1.2. Etapele și avantajele automatizării…………………………………………….……4

1.3 Scurta prezentare a elementelor de circuit reale……………………………………………….7

1.3.1 Componente active (tranzistoare, [anonimizat])..….7

1.3.2 Componente pasive (R, L, C, cristale de quartz) …………………………………………..16

1.4 Arhitectura microcontrolerelor………………………………………………………………24

1.4.1Caracteristici generale………………………………………………………………………24

1.4.2 Microcontrollerul ATMEL Atmega328 …………………………………………………….27

1.4.2.1 Arhitectura internă a familiei ATmega pe 8 biți …………………………………………29

1.4.2.2 Interfețe de comunicație (I2C, SPI, UART) …………………………………………….33

1.4.2.3 Caracteristici principale si performanțe …………………………………………………35

1.4.2.4 Moduri de programare (ICSP, UART) ………………………………………………….36

Capitolul 2- Senzori și traductori

2.1. Traductorul…………………………………………………………………………………..39

2.2. Tipuri de traductoare și caracteristici principale…………………………………………….39

2.3. Senzori de accelerație……………………………………………………………………….42

2.3.1. Tipuri de senzori………………………………………………………………..…………45

2.4. Modulul GSM……………………………………………………………………………….47

2.4.1 Tipuri de GSM……………………………………………………………………….…….48

2.4.2 Releu si antene GSM …………………………………………………………………..….49

Capitolul 3. Mediul de dezvoltare Arduino Uno

3.1 Generalități Arduino…………………………………………………………………………53

3.2 Hardware Arduino Uno………………………………………………………………………57

3.3 Programarea………………………………………………………………………………….61

3.4 Mediul de dezvoltare Arduino IDE………………………………………………….……….65

3.5 Schema logică a programului software………………………………………………………66

3.6 Comunicația serială și USB (convertorul de comunicație CH340)……………….………….67

Capitolul 4. Sisteme de comunicație radio (wireless)

4.1 Generalitați, tipuri de sisteme RF……………………………………………………………69

4.2 Benzi libere pentru comunicații comerciale (CB, 433, 868, 2.4GHz) ………………………71

4.3 Antene si propagare radio in spații deschise (tipuri de antene) ……………………………..72

4.4 Sisteme integrate de comunicație (transceivere integrate – nRF24) …………………………73

4.5 Protocoale de comunicații radio (Bluetooth, GSM, Wi-Fi)………………………………….75

Capitolul 5. Realizarea practică

5.1 Schema bloc a proiectului ……………………………………………………………………79

5.2 Descrierea realizării practice…………………………………………………………………79

5.2.1. Procesul de realizare………………………………………………………………………84

5.2.2 Rezultatul final……………………………………………………………………………..85

5.2.3 Schema electrică……………………………………………………………………………88

Concluzii…………………………………………………………………………………………89

Bibliografie………………………………………………………………………………………91

Anexe……………………………………………………………………………………………93

Lista figurilor

Capitolul 1.

Figura 1.1.Tranzistorul bipolar……………….…………….…………….…………….…………8

Figura 1.2. Tensiunile tranzistorului bipolar…………….…………….…………….……….……8

Figura 1.3. Tranzistorul MOS…………….…………….…………….…………….……………10

Figura 1.4. Tensiunile tranzistorului MOS…………….…………….…………….…………….10

Figura 1.5. Regulator liniar de tensiune…………….…………….……….………………………13

Figura 1.6 Reprezentarea rezistorului…………….…………….…………….………………….17

Figura 1.7. Reprezentarea rezistoarelor in serie…………….…………….………………….…..19

Figura 1.8. Reprezentarea rezistoarelor in paralel…………….…………….…………….……..19

Figura 1.9. Tipuri de condensatoare………….…………….…………….………….……….….20

Figura 1.10. Reprezentarea condensatoarelor in paralel…………….…………….………..……19

Figura 1.11. Reprezentarea condensatoarelor in serie…………….…………….……………….21

Figura 1.12. Inductanța…………….…………….…………….…………….…………………..21

Figura 1.13. Tipuri de bobine…………….…………….…………….…………….……………22

Figura 1.14. Reprezentarea tensiunii si intensității pentru bobină…………….………………….22

Figura 1.15. Conectarea bobinelor in paralel…………….…………….…………….…..………23

Figura 1.16. Conectarea bobinelor in serie…………….…………….…………….…………….23

Figura 1.17. Rezonator cu cuarț…………….…………….…………….…………….….………24

Figura 1.18. Schema unui microcontroller Atmega 328……….…………….………..………….27

Figura 1.19. Interfața UART…………….…………….…………….…………….……….…….31

Figura 1.20. Funcționare SPI…………….…………….…………….…………….…………….34

Figura 1.21. Funcționare I2C…………….…………….…………….…………….…………….35

Figura 1.22 Microcontrolerul folosit de placuta Arduino ………………………………………37

Capitolul 2.

Figura 2.1. Structuri ale sistemelor senzoriale.…………….…………….……………..…..……42

Figura 2.2 Senzori de acceleratie ………………………………………………………….…….43

Figura 2.3 Model simplificat al traductorului capacitiv si circuitul electric echivalent.….……..45

Figura 2.4 Senzori de acceleratie Low g …………………………………………………………46

Figura 2.5 Modulul GSM sim800l ……………………………………………………………….48

Figura 2.6 Releu si antenna GSM …………………………………………………….…..……..50

Figura 2.7 Reteaua GSM …………………………………………………………………………50

Figura 2.8 Tipuri de cartel GSM ………………………………………………………….……..51

Capitolul 3.

Figura 3.1. Arduino Diecimila…………….…………….…………….…………….……………55

Figura 3.2. Arduino Duemilanove…………….…………….…………….…………….…….…55

Figura 3.3 Arduino UNO…………….…………….…………….…………….…………..…….55

Figura 3.4 Arduino Leonardo…………….…………….…………….…………….……………56

Figura 3.5 Arduino Mega…………….…………….…………….…………….…………….….56

Figura 3.6 Scut Adafruit Motor cu terminale cu șurub pentru conectarea la motoare………..….56

Figura 3.7 Scut Adafruit cu date de logare cu un slot SD și cip cu ceas în timp real……………56

Figura 3.8 Sistemul de dezvoltare Arduino Uno…………….…………….……………….……57

Figura 3.9 Sistemul de dezvoltare Arduino Uno…………….…………….……………..…….59

Figura 3.10. Grafic corespunzător duratei de resetare (măsurat) …………….………………….61

Figura 3.11. Selectarea plăcii potrivite din meniul programului Arduino…………………….…62

Figura 3.12 Selectarea portului potrivit din meniul programului Arduino………………..….….62

Figura 3.13 Exemplu program simplu Arduino…………….…………….…………..…….……64

Figura 3.14. Schema soft TX…………….…………….…………….…………….…….………66

Figura 3.15. Schema soft RX…………….…………….…………….…………….………….…66

Figura 3.16 Comunicatie serial si USB ………………………………………………………….68

Capitolul 4.

Figura 4.1 Transceiver integrat NRF24L01…………….…………….…………….……………71

Figura 4.2. Schema transceiverului integrat nRF24…………….…………….………………….73

Figura 4.3. Sisteme inteligente de comunicatie (GSM) …………….…………….….………….77

Capitolul 5.

Figura 5.1. Schema bloc pentru “TX” și “RX” …………….…………….………………………79

Figura 5.2. Microcontrollerul ATmega 328…………….…………….…………….…………….79

Figura 5.3. Convertor USB-Serial…………….…………….…………….………………….….80

Figura 5.4. Consumul in functie de puterea de emisie…………….…………….……………….81

Figura 5.5. Principalele caracteristici electrice ale tranzistoarelor IRFL014……………….……82

Figura 5.6 Modulul GSM/GPRS sim800l ……………………………………………………….83

Figura 5.7 Schema bloc a arhitecturii microcontrolerului ATMEGA 328……..………………..84

Figura 5.8 Proiectul cablajului imprimat …………………………………………………….….85

Figura 5.9 Cablaj frezat fara componente …………………………………………………….…85

Figura 5.10 Cablaj frezat cu componente.……………………………………………………….85

Figura 5.11 Cablaj RX fata ………………………………………………………………………86

Figura 5.12 Cablaj TX fata ………………………………………………………………………86

Figura 5.13 Cablaj RX si TX ……………………………………………………………………87

Figura 5.14. Schema sistemului………………….…….………….………….………………….……88

Lista Acronimelor

AC – Alternative current ( CA – Curent alternativ)

ADC – Analog to digital converter ( Convertor analog digital)

ALU – Arithmetic Logic Unit ( Unitatea aritmetică logică)

CISC – Complex instruction set computer (Set complex de instrucțiuni pentru calculator)

CPU – Central processing unit (Unitate centrală de procesare)

DAC – Digital to analog convertor (Convertor digital analog)

DC – Direct current (CC – Curent continuu)

EPROM – Erasable programmable read only memory (Memorie numai pentru citire care nu poate fi stearsă)

EEPROM – Electrically erasable programmable read only memory (Memorie numai pentru citire care poate fi stearsă electric)

GND – Ground (Împământare)

H – Henry

Hz – Hertz

I²C – Inter-Integrated Circuit (Circuit inter-integrat)

J – Joule

k – Kilo

KB – kilobyte

m – Mili

mm – Milimetru

M – Mega

MIPS – Million Instructions per Second (Milioane de instrucțiuni pe secunda)

RAM – Random access memory (Memorie cu acces aleatoriu)

RISC – Reduced instruction set computing (Set redus de instrucțiuni pentru calculator)

ROM – Read-only memory (Memorie numai pentru citire)

s – Secundă

SRAM – Static random acces memory (Memorie statică cu acces aleatoriu)

UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ( Receptor/Emitor universal asincron)

USB – Universal serial bus (Magistrală serială universală)

μ – Micro

VCC – Power supply pins (Pin de alimentare)

W – Watt

° C – grad Celsius

Introducere

Producția de automobile din România are o creștere solidă și continuă. Conform estimărilor Asociației Constructorilor de Automobile din România (ACAROM) piața auto din România a crescut aproximativ 11% din 2017 până în present.

La nivel global, cererea generală de automobile și de componente se află pe un trend ascendent. În prognoza creșterii producției de automobile ușoare până în 2021, se estimează că cele mai mari creșteri vor fi înregistrate pe segmentele B, clasa mică (36%), și C, clasa compactă (32%), unde se plasează autoturismele produse în România.

Industria autovehiculelor este în dezvoltare continuă. Ȋn scopul reducerii numărului de accidente rutiere din întreaga lume s-au dezvoltat numeroase aplicații de asistență a conducătorului auto. Este deosebit de importantă dezvoltarea de sisteme care îmbunătățesc percepția mediului exterior și avertizează șoferul în situațiile dificile.

La ora actuală, toate autovehiculele noi sunt dotate cu sisteme de asistență pentru creșterea siguranței și confortului, tot mai multe dintre aceste sisteme fiind integrate treptat în dotarea standard a autovehiculelor. Se tinde astfel tot mai mult spre ușurarea sarcinilor conducătorului auto. Majoritatea sistemelor de control electromecanice sunt ȋnlocuite cu sisteme electronice.

Ȋn autovehiculele moderne existӑ peste 70 de unitӑți electronice de control. Dintre acestea majoritatea sunt sisteme ȋn timp real ce trebuie sӑ acționeze cât mai rapid.

Siguranța rutieră reprezintă o problemă de importanță majoră. Creșterea continuă a numărului de autovehicule depășește adeseori capacitatea de proiectare a infrastructurii rutiere, provocând astfel aglomerări și crescând riscul producerii de accidente.

Pe drumurile Uniunii Europene, în anul 2009, și-au pierdut viața din cauza accidentelor rutiere peste 35.000 persoane, iar numărul persoanelor rănite s-a ridicat la peste 1.500.000. Ȋn ultimii ani s-au înregistrat progrese considerabile în domeniul siguranței autovehiculelor rutiere.

Ȋncercarea de a optimiza continuu siguranța și confortul persoanelor aflate în autovehicule, cât și reducerea costurilor în ceea ce privește consumul de combustibil și creșterea performanțelor autovehiculelor face ca numărul sistemelor electronice de pe autovehicule să crească în mod continuu.

Marea provocare cu care se confrunta companiile producatoare de componente și subansambluri auto este determinată de nevoia de a reduce costurile de producție, de a accelera timpul de proiectare si lansare in fabricație, de a creste diversitatea si complexitatea produselor fara însa a face compromisuri de calitate.

Capitolul 1 Sisteme Automate

Scurt istoric al evoluției automatizării

Conceptul de sistem a apărut și s-a dezvoltat de-a lungul timpului ca rezultat al evidențierii unor trăsături și comportamente comune pentru o serie de procese și fenomene din diferite domenii, fapt ce a permis tratarea acestora, din punct de vedere structural-funcțional, într-un mod unitar, sistemic.

Noțiunea de sistem are o sferă de cuprindere foarte largă și, în consecință, este frecvent întâlnită în știintă și tehnică, în general în toate domeniile gândirii și acțiunii umane, însă aproape întotdeauna în asociație cu un atribut de specificare; de exemplu, sistem automat, sistem de transmisie, sistem informațional, sistem de semnalizare, sistem de producție, sistem filozofic, sistem social etc. In literatura de specialitate există diverse definiții ale conceptului de sistem, unele reflectând tendința definirii conceptului în întreaga sa generalitate, altele tendința de particularizare la un anumit domeniu al cunoașterii.

Descoperim în ultimii ani tot mai multe informații cu privire la echipamentele deja foarte sofisticate ale mașinilor, care au “coborât” până în clasa compactă, ceea ce ne face să conștientizăm ușor ușor că suntem deja la începutul unei noi ere în ceea ce privește siguranță auto. O perioada în care ne vom putea baza pe mașini să înțeleagă și să acționeze în locul nostru când, din diferite motive, nu o facem.

Bineînțeles că ABS-ul și ESP-ul rămân principalele funcționalități în materie de siguranță, iar în viitorul apropiat nici o mașînă, fie ea și de clasa mini, nu va mai fi vândută fără aceste două sisteme. Însă din păcate acestea nu mai sunt suficiente. Traficul este tot mai dens, se circulă din ce în ce mai repede, iar oamenii nu se responsabilizează prea ușor.

Așa că s-a trecut la o nouă abordare. După apariția mașinilor care atenționează, acum ne dorim mașini care să și acționeze. Din acest punct de vedere, deja există pe piață câteva sisteme care au succes, însă din păcate nu sunt accesibile și la clasa medie a autoturismelor. Cele mai populare sisteme de siguranță în acest moment sunt:

– sistemul de evitare a coliziunilor în oraș, adică ceea ce Volvo numește City Safety. Acest sistem are capacitatea de a acționa până la 30 km/h și poate opri complet mașînă, dacă șoferul nu observă că mașînă din față a redus brusc viteză sau a oprit. În felul acesta foarte multe din accidentele ușoare ar putea fi evitate. Cu siguranță au existat momente în care am fost distrasi de altceva și nu am observat în timp util faptul că mașînă din față noastră a frânat brusc și am fost la un pas de accident. În în astrfel de momente, în aglomerațiile din orașe, acest sistem este extrem de util. Și va fi pus pe din ce în ce mai multe mașini.

– tempomat-ul cu capacitate de frânare. Aceste este un sistem pentru traficul extraurban, dar acționează la fel. Țînând cont că de dată această viteză este mult mai mare, accidentele pot fi mult mai grave. Știm cu toții cum se circulă pe autostrada, de exemplu, și știm cât de periculoase sunt blocajele. Nu-i nimic mai înfricoșător decât să fii oprit în coloana pe autostrada și să vezi că cel care vine tare, din spate, nu observă blocajul la timp. Din fericire acest sistem poate acționa înaintea noastră, evitând astfel coliziunile. Chiar dacă acest sistem nu poate opri de tot mașînă, îți atrage atenția, atunci când frânează, că mașinile din față au redus viteză și ai timp să acționezi. Un astfel de sistem se regăsește la toți producătorii premium , echipamentul fiind deja implementat tot mai mult în gamele inferioare de modele.

sistemul care te avertizează când treci peste marcaje. Are deja ani buni de când acest sistem de siguranță este pus pe mașini obișnuite, dar eu cred că în viitor se va răspândi și mai mult. Acesta atenționează prinț-o vibrare de câteva secunde că bandă a fost depășită și că direcția trebuie remediată. Pentru un drum de lungă durata, acest sistem este unul extrem de folositor, mai ales că attunci intervine oboseală cel mai des.

sistemul de supraveghere a presiunii din pneuri. La fel, există de mulți ani, dar deocamdată nu-i atât de răspândit. Cu toate că verificarea presiunii din pneuri ar trebui să se facă reguat, acest lucru se întâmplă destul de rar. Acesta este unul din motivele pentru care pneurile se pot încinge foarte tare, ceaa ce poate duce oricând la o explozie a pneului. Eu îl consider foarte important.

În concluzie, pentru a spori siguranță la volan și pentru a evita cât mai multe accidente mai ușoare dar și pe cele mai grave, aceste sisteme de securitate vor fi într-o continuă dezvoltare. Asta nu înseamnă că atenția noastră nu ar trebui să fie măcar la fel de mare atunci când ne aflăm la volan, însă este clar că avem șanse mult mai mari să evităm o mulțime de situații urâte, chiar și atunci când talentul nu e la el acasă..

Primul automat programabil în variantă industrială a apărut în SUA sub numele de MODICON 084 (Modular Digital Controller). La mijlocul anilor ’70 automatele programabile erau realizate în principal în tehnologia microprocesoarelor cu prelucrare pe bit, iar în 1973 au apărut primele protocoale de comunicație între automate. În anii ’80 au apărut primele automate cu microprocesoare cu prelucrare pe cuvânt, și de asemenea au apărut primele tendințe de standardizare a protocoalelor de comunicație.

Tot în această perioadă s-a pus accentul pe reducerea dimensiunii PLC-urilor și prin introducerea programării software simbolice, realizarea programelor putându-se realiza din ce în ce mai mult pe calculatoare personale în locul consolelor de programare dedicate, utilizate exclusiv pentru programarea PLC-urilor până în acel moment. În perioada anilor ’90 s-a pus un accent din ce în ce mai mare asupra standardizării atât a modurilor de programare cât și a protocoalelor de comunicație.

Anii ’90 au fost de asemenea martorii unei tendințe de înlocuire a sistemelor de automatizare bazate pe automate programabile cu sisteme de automatizare bazate pe calculatoare personale, tendință care nu sa generalizat (automatele programabile dominând cu autoritate piața echipamentelor cu logică programată) din următoarele motive:

Automatul programabil este garantat pentru utilizare în condiții severe de "stres" industrial (variații de tensiune și temperatură, noxe, vibrații).

Unitatea centrală este o unitate logică special concepută să interpreteze un set restrâns de instrucțiuni proprii controlului de proces. Acestea exprimă funcții de bază ca: evaluarea expresiilor booleene (logice) cu atribuirea rezultatului unei variabile memorate sau unui canal de ieșire, secvențe de numărare sau temporizare, calcule matematice ș.a.

Programarea structurilor de tip automat programabil este simplă și constă în scrierea directă de la un terminal a unui șir de instrucțiuni, conform unor diagrame de semnal, ciclograme, organigrame sau a unui set de ecuații booleene. Intenția producătorilor de AP este de a se adapta cunoștințelor și preferințelor utilizatorilor.

Execuția instrucțiunilor este ciclică, ceea ce face ca derularea rapidă a unui program în raport cu timpii de răspuns ai procesului să permită sesizarea evenimentelor la puțin timp după ce apar, fără riscul pierderii de informație sau perturbare a procesului. Există de asemenea posibilitatea lucrului cu întreruperi pentru procese foarte rapide.

Etapele si avantajele automatizării

Activitatea umană a parcurs de-a lungul timpului o serie de etape, în vederea obținerii de bunuri materiale necesare:

etapa mecanizării – etapa în care omul este preocupat de a reduce la minim efortul său fizic. Etapa a început odată cu crearea primelor unelte și continuă și în prezent, când omul a realizat nu numai mijloace care să-i permită reducerea efortului fizic, ci și a celui intelectual (mașinile de calcul). În aceasta etapă, rolul omului în producția de bunuri materiale a fost și este direct, nemijlocit, realizarea oricărui proces de producție fiind condiționată de activitatea sa;

etapa automatizării – etapa în care omul s-a preocupat să găsească soluții care să reducă sau să elimine complet intervenția să directă, care condiționa desfășurarea proceselor de producție. Astfel, prin automatizare, omului îi rămâne doar rolul de conducere, de asigurare a condițiilor de desfășurare a proceselor și controlul desfășurării lor, adică o activitate de ordin intelectual;

etapa cibernetizării – etapa în care omul s-a preocupat ca pentru procesele automatizate să-și reducă sau să elimine și activitatea de conducere; aceasta a fost posibil prin realizarea de obiective materiale capabile să efectueze operații de gândire logică, caracteristică activității intelectuale.

Etapele au apărut succesiv, pe măsura cunoașterii mai profunde a realității obiective, dar ele nu se elimină, ci se desfășoară paralel. Automatizarea proceselor tehnologice, indiferent de natura lor, prezintă probleme complexe care nu pot fi rezolvate decât în condițiile unei strânse colaborări între tehnolog și automatist.

Când se urmărește realizarea unor sisteme automatizate, proiectarea instalației tehnologice (care urmează a deveni instalație automatizată) prezintă unele aspecte particulare care în unele cazuri, o fac diferită de instalația neautomatizată; aceasta, deoarece însăși proiectarea procesului tehnologic de prelucrare sau montaj (în construcția de mașini) ca proces susceptibil de automatizare, presupune existența unor particularități, comparativ cu procesul tehnologic neautomatizat.

Introducerea mecanizării, automatizării și cibernetizării în industria constructoare de mașini este diferențiata pentru două situații posibile:

cazul proceselor tehnologice existente (care se desfășoară), pentru care rezolvările sunt uneori limitate de utilaje și organizarea existentă;

cazul proceselor tehnologice nou proiectate, pentru care utilajele urmează a fi proiectate sau procurate, iar organizarea trebuie astfel făcută încât să favorizeze introducerea automatizării și cibernetizării. În etapa actuală de dezvoltare a tehnicii pe plan mondial și național, mecanizarea și automatizarea producției reprezintă principala modalitate de asigurare a creșterii productivității muncii.

Este de remarcat faptul că productivitatea muncii și costurile de producție pot fi modificate favorabil printr-un ansamblu de măsuri de natură tehnică care trebuie să preceadă introducerea mecanizării și automatizării.

Procesele tehnologice pentru sistemele automatizate de prelucrare se proiectează după principiile generale ale proiectării tehnologiilor, ele trebuie să împlinească, pe lângă cerințele tehnologice și tehnico-economice generale, și o serie de cerințe specifice:

succesiunea de prelucrare stabilă să asigure posibilitatea automatizării tuturor mișcărilor de lucru și auxiliare necesare realizării procesului;

stabilirea bazelor de orientare trebuie să fie făcută astfel încât să se îndeplinească condiția tehnologică (de erori în limitele admise) și în același timp, pentru liniile tehnologice automate, să se reducă la minim numărul schimbărilor de poziție ale pieselor, creându-se posibilitatea fixării automate a pieselor la posturile de lucru;

pentru sistemele de prelucrare automatizate la care piesele sunt deplasate pe palete, bazele rămân unice până la părăsirea paletei, iar suprafețele de fixare stabilite să nu împiedice prelucrările;

pentru liniile tehnologice automatizate se impune realizarea unor timpi de mașină egali pentru toate posturile, sau a unor timpi multipli pentru diferite operații, în vederea asigurării sincronizării funcționării posturilor liniei și a unor depozite interoperaționale de capacități convenabile;

prevederea unor operații, respectiv a unor posturi și a unor echipamente care să asigure funcționarea fără avarii a sistemului de prelucrare. Procesul tehnologic pentru sistemele automatizate de prelucrare trebuie astfel proiectat încât acesta să cuprindă un număr cât mai mic de mașini sau de posturi de lucru.

Aceasta se poate utiliza prin concentrare la maxim a operațiilor (prevăzând la același post de lucru un număr mare de axe principale, folosind magazine de scule sau de capete de forță etc.). Nu se va accepta concentrarea la același post sau mașină a operațiilor de degroșare sau de finisare. În procesele tehnologice pentru sisteme automatizate trebuie prevăzute numai acele tipuri de procedee de prelucrare care asigură condiții pentru automatizare.

În cazul proiectării liniilor tehnologice automatizate flexibile, toate operațiile care diferă de la o piesă la alta, se vor plasa către sfârșitul fluxului, asigurând astfel timp minim pentru reglarea liniei la trecerea de la o piesă la alta.

Tot în această situație, de comun acord cu proiectantul de produs, se pot propune modificări constructive neesențiale ale pieselor (prevederea unor bosaje sau lamaje etc.) care să asigure prelucrarea lor fără reglaje importante ale liniei.

Stabilirea bazelor de orientare la prelucrare în sisteme automatizate trebuie astfel făcută încât ele să coincidă pe cât posibil cu bazele de măsurare, să fie permanente pe tot parcursul prelucrării, să asigure o fixare comodă, un transport ușor și un număr minim de schimbări de poziție ale piesei.

Concepte ale mecanizării și automatizării fabricației Automatizarea și mecanizarea producției este facilitată mult dacă se au în vedere unele concepte fundamentale, cum sunt: conceptul de flexibilitate tehnologica și conceptul de construcție modulară. Conceptul de sistem de fabricație

Oricărei unități de producție, posibilă de automatizare a diverselor procese, i se poate asocia noțiunea de sistem de fabricație. Folosind notațiile curente din teoria sistemelor, un sistem de fabricație (SF) reprezintă un ansamblu structurat de mijloace de producție, legate intre ele prin relații ale cărui funcțiuni sunt sarcinile de producție considerate.

Ținând seama de această definiție, orice proces tehnologic se poate reprezenta ca un sistem de fabricație, ale cărui intrări sunt, pe de o parte materialele și energia care se transformă în acest proces și pe de altă parte “instrucțiunile” (informațiile, rețelele, regimurile, operațiile) referitoare la modul de desfășurare a procesului, ieșirea din sistem fiind produsul rezultat în urma procesului.

Avantajele utilizării sistemelor de reglare automată Utilizarea sistemelor de reglare automată (SRA) în agricultură și-n alte ramuri ale economiei a evidențiat o serie de avantaje, care pot fi grupate în următoarele:

avantaje de ordin economic:

creșterea productivității mașinilor și instalațiilor;

reducerea consumului de materie primă și de resurse energetice;

reducerea numărului instalațiilor și utilajelor necesare în procesul de producție;

reducerea timpului de realizare a operațiilor proceselor tehnologice;

reducerea cheltuielilor de producție;

reducerea prețului de cost al produselor.

b) avantaje de ordin tehnic:

îmbunătățirea calității produselor;

creșterea fiabilității instalațiilor și a produselor;

creșterea duratei de utilizare a instalațiilor și a echipamentelor;

reducerea uzurii instalațiilor și a utilajelor;

sporirea preciziei de realizare a operațiilor proceselor.

c) avantaje de ordin social:

îmbunătățirea condițiilor de lucru;

eliberarea omului de la activități care solicită un efort fizic considerabil;

creșterea securității muncii și a instalațiilor tehnologice;

ridicarea nivelului de trai a umanității;

îndeplinirea unor operații sau procese în locuri inaccesibile omului (subteran, medii agresive, la temperaturi joase sau înalte, medii în care lipsește oxigenul ș.a);

crea posibilităților și a tipului liber pentru implicarea omului în alte activități creative.

Trebuie de menționat că automatizarea este complicată și necesită investiții suplimentare.

Deși utilizarea sistemelor de reglare automată necesită mijloace și investiții considerabile, reducerea cheltuielilor pe ansamblu și implicit reducerea costului produselor în condițiile creșterii substanțiale a calității, justifică pe deplin cheltuielile realizate în automatizare .

Pe măsura dezvoltării automatizării și a progresului tehnico-științific în general, producția a înregistrat transformări considerabile. S-a realizat în deosebi o reducerea treptată a muncii fizice prestată de om, compensată de o creștere semnificativă a activităților intelectuale și a celor creative, a funcțiilor de concepere, conducere și organizare a producției.

Utilizarea sistemelor de reglare automată a condus la creșterea considerabilă a productivității muncii. La etapa actuală aceste creșteri au contribuit la ridicarea nivelului de trai și totodată la îmbunătățirea condițiilor de activitate, prin crearea tuturor comodităților, confortului și microclimatului la locul de lucru și de trai.

Scurta prezentare a elementelor de circuit reale

1.3.1 Componente active (tranzistoare, regulatoare de tensiune, circuite integrate analogice)

Tranzistorul bipolar este o structură de trei zone semiconductoare extrinseci (pnp sau npn) realizată într-un cristal semiconductor. Ea este prezentată schematic mai jos și ceva mai aproape de structura reală. Fiecare zonă are un contact ohmic cu câte un terminal exterior. Cele trei terminale se numesc emitor – E, bază – B și colector – C. Denumirile sugerează funcția pe care o îndeplinește fiecare dintre cele trei zone: emitorul este furnizorul principal de sarcini electrice, colectorul colectează sarcinile electrice iar baza poate controla cantitatea de sarcină care ajunge la colector. După același criteriu, cele două joncțiuni se numesc emitoare, respectiv colectoare.

O astfel de structură se numește bipolară deoarece la conducția electrică participă sarcini electrice de ambele polarități, goluri și electroni, cu contribuții diferite la curent în funcție de tipul de tranzistor. În funcție de ordinea zonelor, tranzistorii bipolari pot fi de tip pnp sau npn.

Figura 1.1.Tranzistorul bipolar

Sensul convențional ales pentru curenți este același cu sensul curentului la funcționarea normală a tranzistorului.

Tensiunea este prezentată ca o diferență de potențial între două borne, în ordinea indicilor. Asimilând tranzistorul cu un nod de circuit, se poate scrie că: E C B i = i + i) și de asemenea: vCE = vBE + vCB. Ținând cont de relațiile anterioare ce există între cele șase mărimi electrice ce caracterizează un TB va rezulta că doar patru dintre ele sunt independente (doi curenți și două tensiuni). Pentru a alege cele patru mărimi independente este nevoie de un criteriu acesta fiind oferit de tipul conexiunii în care se află TB privit ca un cuadripol.

Un diport (cuadripol) este caracterizat de patru mărimi, două de intrare și două de ieșire. Cum diportul (care poate fi văzut ca o “cutie neagră”, în care se poate imagina că se află orice dispozitiv sau circuit electric, cu o schemă oricât de complexă) este caracterizat prin patru borne iar tranzistorul are doar trei, una din ele trebuie să fie comună atât intrării cât și ieșirii. Borna comună definește conexiunea TB.

Figura 1.2. Tensiunile tranzistorului bipolar

Funcționarea unui tranzistor (într-un circuit oarecare) poate fi înțeleasă doar dacă este foarte clară comportarea acestuia: ¾ în regim static (la bornele tranzistorului se aplică tensiuni continue); ¾ în regim dinamic (la intrarea tranzistorului văzut ca un diport apare un semnal de comandă (sinusoidal sau impuls), sub forma unui curent sau a unei tensiuni, semnal ce se suprapune peste o tensiune continuă preexistentă).

Tranzistorul MOS (Metal Oxide Semiconductor) este un dispozitiv semiconductor, realizat din siliciu, care are trei terminale, denumite DRENĂ, GRILĂ, respectiv SURSĂ.

În funcție de particularitățile sale constructive, tranzistoarele MOS se împart în două mari categorii:

tranzistoare MOS cu canal indus

tranzistoare MOS cu canal initial

Circuitele integrate MOS au fost realizate la inceput in tehnologia PMOS, datorita predictibilitatii tensiunii de prag pentru acest tip de tranzistoare. Pe masura perfectionarii tehnologiei, prin recurgerea la implantare ionica, tranzistorul NMOS a devenit tot mai raspandit. Evolutia tehnologiei a condus, in continuare, la aparitia dispozitivelor CMOS. Acest capitol este consacrat tranzistoarelor NMOS si PMOS din punctul de vedere al structurii si operarii.

Structura de baza a tranzistorului NMOS in modul bogat este aratata mai jos. Ea consta intr-un substrat de tip p, sursa si drena de tip n+. Intre sursa si drena se afla canalul acoperit cu SiO2. Acest strat de oxid mai poarta numele de oxid de poarta. Peste stratul de oxid al portii se afla un strat de siliciu policristalin, care reprezinta poarta. Atunci cand VGS =0, sursa si drena tranzistorului sunt separate de o regiune de tip p. Curentul de la drena la sursa, IDS, este foarte mic si limitat de curentul invers de polarizare din diode. Pe masura ce VGS creste electronii din zonele sursei si drenei vor fi atrasi de regiunea aflata sub poarta. Aceasta va conduce la cresterea conductibilitatii intre drena si sursa. In momentul in care VGS depaseste tensiunea de prag Vtn, se formeaza/se induce un canal (regiune de tip n) intre sursa si drena, canal ce asigura curgerea unui curent de la drena la sursa.

Ca si tranzistorul NMOS in modul bogat, tranzistorul PMOS in modul bogat nu poseda canal natural, canalul fiind indus atunci cand pe poarta se aplica o tensiune. Astfel, in mod normal este blocat. Caracteristica curent-tensiune a tranzistorului PMOS in mod bogat este inversa in raport cu cea a tranzistorului NMOS in modul bogat. Pentru a aduce tranzistorul in stare de conductie trebuie sa se aplice o tensiune negativa intre poarta si sursa.

Figura 1.3. Tranzistorul MOS

Sensul curentului de drenă depinde de valorile potențialelor electrice aplicate pe drenă, respectiv sursă și de tipul canalului din structura tranzistorului. Astfel, pentru tranzistoarele cu canal N, dacă potențialul electric al drenei este superior potențialului electric al sursei, atunci sensul curentului electric prin tranzistor este de la drenă spre sursă. În caz contrar, sensul curentului prin tranzistor este de la sursă spre drenă. La tranzistoarele cu canal P sensul curentului se inversează în raport cu cazul tranzistoarelor de tip N. Referințele tensiunilor depind de tipul canalului utilizat în structura tranzistorului MOS.

Principiile de funcționare ale celor două categorii de tranzistoare MOS cu canal indus, respectiv cele cu canal inițial sunt similare, și din acest motiv, în continuare, se vor prezenta numai tranzistoarele MOS cu canal indus, fiind scoase în evidență numai diferențele între cele 2 categorii de tranzistoare.

Relațiile dintre mărimile electrice ale tranzistorului MOS depind de regimul de funcționare al acestuia. Tranzistorul MOS poate funcționa în 3 regiuni de funcționare distincte, determinate de relațiile care se stabilesc între tensiunile tranzistorului

Figura 1.4. Tensiunile tranzistorului MOS

Funcționarea tranzistorului MOS

Relațiile dintre mărimile electrice ale tranzistorului MOS depind de regimul de funcționare al acestuia.

Tranzistorul MOS poate funcționa în 3 moduri distincte, numite regiuni de funcționare, stabilite de relația dintre tensiunile tranzistorului. Regiunile de funcționare ale tranzistorului MOS sunt:

REGIUNEA DE BLOCARE:

Condiția de funcționare: vGS < VTH (canal N), unde VTH reprezintă un parametru al tranzistorului MOS numit tensiune de prag; valoarea acestei tensiuni este:

pozitivă pentru tranzistorul MOS cu canal indus de tip N,

negativă pentru tranzistorul MOS cu canal indus de tip P;

negativă pentru tranzistorul MOS cu canal inițial de tip N,

pozitivă pentru un tranzistor MOS cu canal inițial de tip P;

În această regiune, funcționarea tranzistorului MOS este descrisă de ecuația de funcționare:

.

În această regiune, comportamentul tranzistorului MOS poate fi exploatat pentru prelucrarea sau generarea semnalelor digitale.

REGIUNEA LINIARĂ:

Condiția de funcționare: vGS > VTH și vDS < vGS – VTH

În această regiune, funcționarea tranzistorului MOS este descrisă de ecuația de funcționare:

,unde k este un parametru al tranzistorului care se măsoară în (miliamperi împărțit la volți la pătrat).

În această regiune, tranzistorul MOS se comportă ca o rezistență a cărei valoare poate fi controlată de o tensiune – tensiunea grilă-sursă.

REGIUNEA DE SATURAȚIE:

Condiția de funcționare: vGS > VTH și vDS > vGS – VTH

În această regiune, funcționarea tranzistorului MOS este descrisă de ecuația de funcționare:

În această regiune tranzistorul MOS poate fi utilizat pentru prelucrarea analogică a semnalelor, fiind singura regiune de funcționare în care tranzistorul NOS poate AMPLIFICA LINIAR semnale.

Regulatoarele liniare de tensiune: Structura regulatoarelor de tensiune liniare integrate (unipolare) este prezentată in schema stabilizatoarelor cu componente discrete.

Blocurile unui regulator de tensiune sunt:

elementul de reglare serie (ERS),

circuite de protecție a ERS, – circuite de supervizare (opțional),

amplificatorul de eroare (AE), –

sursa de tensiune de referință (STR),

divizorul de tensiune de ieșire (DE).

circuite de polarizare,

circuit de pornire.

Elementul de reglare serie ERS este cel care preia diferența de tensiune variabilă dintre intrare și ieșire, menținând constantă tensiunea de sarcină Vs. Întrucât prin ERS trece întreg curentul de sarcină, capabilitatea lui de a disipa căldura stabilește puterea maximă de lucru a stabilizatorului.

Amplificatorul de eroare este de regulă un amplificator diferențial cu amplificare mare. El are rolul de a acționa ERS pentru a menține egală tensiunea culeasă de la DE cu cea de referință Vref – provenită de la STR. Circuit de pornire are rolul de a evita una la pornire una din cele două stări metastabile ale circuitelor de polarizare, stare care ar ține regulatorul în stare de nefuncționare în momentul alimentării.

Circuitele de protecție sunt destinate menținerii ERS în aria sigură de funcționare (SOA – safe operating area). Circuitele supervizoare sunt specifice regulatoarelor “inteligente” care au implementate funcții suplimentare de protecție a sarcinii și a regulatorului. Regulatoarele de tensiune ajustabile au o structură internă asemănătoare cu cele de tensiune fixă, cu diferența că nu includ un divizor al tensiunii de ieșire, acesta fiind extern. Întrucât la regulatoarele ajustabile pinul de ajustare este cel care se conectează la divizorul extern al tensiunii de ieșire, curentul prin acest pin trebuie să fie cât mai mic și constant.

Proprietatea regulatoarelor ajustabile, care le diferențiază de celelalte, este că sunt flotante față de masă, ele putând fi folosite și la tensiuni mari dacă nu se depășesc anumite mărimi limită. Elementul de reglare serie trebuie să poată prelua curentul de sarcină la căderea de tensiune dintre intrare și ieșire, însă în același timp este de preferat ca acesta să necesite un curent de comandă cât mai mic. Din aceste motive, pentru ERS din regulatoarele integrate de putere medie și mare se folosesc tranzistoare compuse (de regulă Darlington).

Acestea prezintă dezavantajul creșterii căderii de tensiune minime necesare regulatorului. În regulatoarele de curenți mari (>1A) apare problema scăderii factorului de amplificare în curent β al tranzistorului compus, motiv pentru care se utilizează circuite pentru compensarea scăderii lui β. De asemenea este necesară utilizarea unei rezistențe “de fugă” care deviază o parte din curentul rezidual al primului tranzistor din ERS, pentru a nu fi amplificat de tranzistorul de putere. Se reduce astfel curentul minim de ieșire care ar fi impus de curentul rezidual amplificat.

Integrarea în regulator a unui ERS cu tranzistoare compuse face posibilă utilizarea unui singur tranzistor extern (cu rezistență de fugă externă), atunci când se dorește extinderea gamei curentului de sarcină.

Performanțele regulatoarelor de tensiune integrate liniare satisfac majoritatea aplicațiilor în care este necesară stabilizarea unei tensiuni fixe sau reglabile. Există însă situații ce necesită stabilizare tensiunii la parametrii mult superiori celor ceruți de aplicațiile uzuale. Aparatura de laborator, necesară în procesul didactic sau de cercetare impune uneori susținerea unor curenți importanți, în condițiile unei stabilizări foarte bune în raport cu sarcina. Condițiile de exploatare variate impun și o fiabilitatea crescută a acestor circuite de stabilizare, lucru care cere un management termic corespunzător.

Aplicațiile portabile ce necesită vârfuri mari de curenți în condiții improprii de răcire, fac de multe ori improprie folosirea unor regulatoare uzuale, deschizând calea pentru noi soluții.

Figura 1.5. Regulator liniar de tensiune

Circuitul integrat (CI) reprezintă o unitate constructivă inseparabilă de microelemente interconectate electric și plasate cu mare densitate în volumul sau pe suprafața unei baze comune. CI apare ca un tot unitar din punct de vedere al prezentării, denumirii, testării și exploatării.

În prezent există o mare diversitate constructivă și funcțională de CI, ca urmare a necesității permanente de îmbunătățire a performanțelor, de creștere a gradului de integrare și scădere a prețului de cost. Cea mai mare pondere o constituie CI bazate pe proprietățile semiconductoarelor, dar există și CI care lucrează pe alte principii (optoelectronice, acustoelectronice, magnetoelectronice sau termice).CI se pot clasifica astfel:

Din punct de vedere al modului de prelucrare a informației, se deosebesc următoarele tipuri de CI:

CI analogice care prelucrează semnale continue sau cu variație continuă în timp sau frecvență și realizează funcții de amplificare, modulare, demodulare etc.;

CI digitale (numerice) care prelucrează semnale discontinue ca valoare, sub formă de nivele sau impulsuri și realizează funcții logice de calcul aritmetic pe bază de cod și/sau de memorare;

CI de interfață care prelucrează atât semnale analogice cât și numerice, conțin convertoare analog-numerice și numeric-analogice și fac legătura dintre echipamentele analogice și cele numerice.

Din punct de vedere al principiului de funcționare CI pot fi:

Semiconductoare;

Optoelectronice;

Acustoelectronice;

Magnetoelectronice;

Termice.

Deoarece obiectul cursului îl constituie CI analogice semiconductoare, considerațiile care urmează se fac pentru aceste tipuri de CI.

Din punct de vedere al tehnologiei de formare și conectere a elementelor component, CI semiconductoare se pot clasifica în:

CI monolitice care au toate microelementele și interconexiunile realizate printr-un proces unitar de elaborare în volumul sau pe suprafața unui singur cristal semiconductor, numit pastilă sau cip. Cuvântul cip provine din termenul din limba engleză ''chip'', adică așchie.

CI peliculare care au microelementele sub formă de pelicule conductoare, rezistive sau dielectrice, formate pe un substrat izolator;

CI hibride care sunt ansamble de componente peliculare pasive și componente discrete, active sau pasive (cipuri monolitice, tranzistoare, condensatoare, bobine) conectate și fixate pe același suport izolator.

Din punct de vedere al tehnologiei de fabricare CI pot fi realizate în:

tehnologie bipolară;

tehnologie MOS;

tehnologie BiCMOS.

Tehnologia de fabricare a CI monolitice bipolare s-a dezvoltat mult de când, în anul 1959, s-a inventat procesul planar de realizare a tranzistoarelor. Evoluția s-a manifestat în ceea ce privește dezvoltările din domeniul fotolitografiei, a tehnicilor de prelucrare, existând tendința de a se reduce tensiunea de alimentare din sistemele electronice care utilizează CI.

Astfel, datorită controlului precis de dopare cu impurități asigurat de metoda implantării ionice, această metodă a devenit dominantă în procesele de impurificare.

De asemenea în prezent multe circuite lucrează la tensiuni de alimentare de ±5V sau ±3V în loc de ±15V (sau în cazul cel mai defavorabil de ±18V), ultimele valori fiind necesare în cazul circuitelor mai vechi pentru a se obține domeniul dinamic maxim (de exemplu la amplificatoarele operaționale).

Reducerea tensiunii de alimentare a CI are ca efect posibilitatea conectării mai apropiate a dispozitivelor CI și realizarea unor structuri mai puțin adânci cu capabilități de frecvență mai mari. In tehnologia de fabricare a CI bipolare, cu izolare prin joncțiuni, circuitul monolitic propriu-zis este realizat în cipul de siliciu, lipit pe baza sau grila capsulei și conectat electric prin fire subțiri de aur (25 µm diametru) la terminalele solide ale capsulei numite pini.

Tehnologia MOS Necesitatea de a combina pe același cip funcții digitale complexe cu funcții analogice are ca rezultat creșterea utilizării tehnologiilor MOS pentru funcții analogice, cum ar fi, de exemplu, conversia analog-digitală cerută de interfețele între semnalele analogice și cele digitale.

Cu toate acestea, tehnologia bipolară este încă folosită și va mai fi folosită într-un domeniu larg de aplicații, în special în acelea care necesită controlul unor curenți de valoare mare și în cazurile când se cere o precizie mare a funcțiilor analogice.

Tehnologiile de fabricare a CI MOS cuprind un spectru mai mare și mai performant decât cel al tehnologiilor bipolare, în momentul de față fiind utilizate mai frecvent: – tehnologia NMOS și – tehnologia CMOS.

Tehnologia NMOS furnizează două tipuri de tranzistoare, ambele cu canal n și anume un tranzistor cu canal indus, la care tensiunea de prag este > 0 și un al doilea tranzistor, cu canal inițial, la care tensiunea de prag este < 0. Tehnologia CMOS furnizează de asemenea două tipuri de tranzistoare, unul cu canal n indus, celălalt cu canal p indus. Tehnologiile MOS și CMOS sunt foarte asemănătoare și din această cauză se vor trata împreună.

Tehnologia BiCMOS Un pas important în fabricarea CI actuale îl constituie combinarea pe același cip a dispozitivelor bipolare de înaltă performanță cu dispozitive CMOS, prin procesul denumit BiCMOS (Bipolar and CMOS devices on one chip, adică dispozitive bipolare și CMOS pe o singură plachetă – în limba engleză).

In structurile bipolare, pentru a se realiza un tranzistor cu tensiune de străpungere colector-bază de valoare mare este nevoie să se utilizeze un strat epitaxial gros (17 µm dintr-un material semiconductor cu rezistivitatea de 5 Ωcm, pentru tensiune de lucru de 36 V). Acest lucru cere o difuzie de tip p adâncă pentru a izola astfel tranzistoarele și celelalte dispozitive. Pe de altă parte, dacă se poate tolera o tensiune de străpungere mică (de exemplu 7 V, ceea ce permite funcționarea la o tensiune de alimentare de 5 V) atunci se poate utiliza o regiune de colector mai puțin dopată (semiconductor cu rezistivitatea de 0,5 Ωcm) care astfel este mai subțire (de ordinul a 1 µm).

Astfel devine posibil să se izoleze dispozitivele bipolare prin aceeași tehnică de izolare locală care se utilizează și la dispozitivele CMOS. Acest lucru are avantajul că se reduce substanțial capacitatea parazită colector-substrat, deoarece regiunile de mare capacitate, puternic dopate de la suprafața cipului, sunt acum înlocuite de izolație cu oxid, de capacitate mică.

Asfel dispozitivele pot fi ‘’îngrămădite’’ pe cip cu densitate mai mare. In plus, tehnologiile de fabricație CMOS și bipolare încep să devină într-o oarecare măsură similare și este posibil, cu costul unor pași suplimentari de prelucrare, să se combine prin tehnologia BiCMOS tranzistoare bipolare de viteză mare, puțin adânci și realizate cu implantare de ioni, cu dispozitive CMOS.

1.3.2 Componentel pasive (R, L, C, cristale de quartz)

Rezistorul este o piesă componentă din circuitele electrice și electronice a cărei principală proprietate este rezistența electrică. Rezistorul obișnuit are două terminale; conform legii lui Ohm, curentul electric care curge prin rezistor este proporțional cu tensiunea aplicată pe terminalele rezistorului.

Cel mai important parametru al unui rezistor este rezistența sa electrică, exprimată în ohmi.

Rezistoarele sunt complet caracterizate prin relația între tensiunea la borne și intensitatea curentului prin element, atunci când dependența U=f(I) este liniară. Rezistoarele se pot clasifica dupa mai multe criterii.

Dupa materialul folosit, se realizează: rezistoare din metale sau aliaje metalice (fire sau benzi); rezistoare peliculare cu carbon, (pelicule depuse pe un suport izolat); rezistoare cu peliculă de metal-oxid; rezistoare cu lichid, bazate pe rezistența unui strat de lichid între două plăci metalice cufundate în lichid.

Un rezistor variabil este un rezistor a cărui rezistență electrică poate fi ajustată prin deplasarea mecanică a unui contact (cursor) electric intermediar; cel mai adesea rezistoarele de acest tip au trei terminale: capetele rezistorului (între care rezistența este maximă și constantă) și conexiunea la contactul mobil(cursor). Dacă contactul mobil nu face punct comun cu unul din capete, atunci uzual se vorbește despre "un potențiometru", care este un divizor variabil de tensiune.

În circuit, rolul rezistorului poate fi:

producerea căderii de tensiunii dorite între două puncte din circuit;

determinarea curentului dorit printr-o altă piesă a circuitului;

divizarea unei tensiuni într-un raport dat (circuit divizor de tensiune);

terminarea unei linii de transmisie (ca rezistență de sarcină).

Relatia de definitie a rezistentei electrice este: in care U este diferenta de potential (tensiunea) constanta, contiunua, aplicata la capetele rezistorului si I este curentul constant care strabate rezistorul.

Rezistenta nominala – Este marimea valorii rezistenței, marcata in cifre sau in dungi colorate, pe corpul rezistorului. Acestei valori i se asociaza intodeauna toleranta, exprimata in procente din valoare.

Puterea disipata nominala, Pdn [W] este puterea maxima in curent continuu sau alternativ pe care o poate disipa un rezistor, in conditii de mediu exterior determinate, pe o perioada indelungata de timp, fara ca rezistenta nominala sa se modifice.

Daca rezistorul este supus unei puteri mai mari decat puterea nominala, pot apare fenomene ca variatia inadmisibila a parametrilor sai, reducerea duratei de functionare sau distrugerea elementului rezistiv. Rezistoarele utilizate cel mai frecvent in in montajele electronice au puterea de disipatie cuprinsa in limitele 0,1-2W.

Rezistenta rezistorului in curent alternativ; marimea rezistentei rezistorului difera,in curent alternativ, de valoarea masurata in curent continuu,datorita existentei capacitatii si inductantei distribuite pe lungimea elementului rezistiv, a efectelor de suprafata si a pierderilor dielectrice in suportul rezistorului si in straturile de protectie. Din acest motiv rezistenta totala a rezistorului in curent alternativ, si in special la frecvente inalte, are un caracter complex si variaza cu modificarea frecventei, rezistorul real comportandu-se in acest caz in parte ca o inductanta si in parte ca o capacitate.

Valoarea unui rezistor poate fi determinata sau cunoscund codul culorilor, sau masurand cu un multimetru.

Figura 1.6. Reprezentarea rezistorului

Rezistorul este un element pasiv de circuit ce primește energie electrica și o transformă ireversibil în caldură, adică este un element disipativ.

Ecuația caracteristică a rezistorului este de forma: u = u(i(t),t) sau i = i(u(t),t) iar curba caracteristică în planul (U,I) se numește caracteristica tensiune – curent, sau curent – tensiune. Caracteristica curent – tensiune (efect dependent de cauza i=i(u)) asociază tensiunii variabila independentă, iar curentului variabila dependentă.

Din punct de vedere tehnologic, rezistoarele reprezintă utilizări ale materialelor conductoare în scopul controlului și limitării curentului electric, bazate în general pe relația:

S l R = ρ [Ω] unde:

ρ – rezistivitatea materialului conductor, care este caracteristică de material [Ωm];

l – lungimea conductorului [m];

S – aria secțiunii conductorului [m^2].

Clasificarea rezistoarelor se poate face după diferite criterii, din care se prezintă următoarele:

După construcție:

rezistoare fixe, a căror rezistență electrică este constantă, fără posibilități de reglare;

rezistoare variabile, a căror rezistență este variabilă între zero și valoarea nominală, avînd o construcție adecvată reglării, formând două mari clase: potențiometre și potențiometre semireglabile.

După tehnologia de realizare a părții rezistive a rezistorului:

rezistoare bobinate, realizate prin bobinarea unui conductor filiform de mare rezistivitate pe un suport izolator;

rezistoare de volum, unde elementul rezistiv ocupă întregul volum al rezistenței situat între terminale; – rezistoare peliculare, unde elementul rezistiv este depus sub forma unei pelicule subțiri (sub 100 µm grosime) pe un suport izolator.

După caracteristica tensiune-curent a rezistorului:

rezistoare liniare;

rezistoare neliniare, care au o caracteristică neliniară, R fiind dependent de diferiți factori.

După modul de încapsulare și utilizare:

rezistoare singulare (obișnuite);

rețele rezistive, formate din mai multe rezistoare în aceeași capsulă, de regulă interconectate într-un mod cerut de aplicații tipice.

Un rezistor fix are o structură tipică, indiferent de modul de realizare și anume:

partea rezistivă;

suportul izolant;

terminalele;

protecția față de mediul exterior.

Partea rezistivă constituie elementul esențial al rezistorului, înglobând principalele eforturi tehnologice și determinând performanțele acestuia; ea se realizează din conductoare metalice, care trebuie să răspundă următoarelor cerințe:

rezistivitate ridicată, pentru a se folosi cât mai puține spire, în special pentru rezistențe cu valori mari; – coeficient mic de temperatură al rezistivității;

tensiune electromotoare de contact în raport cu cuprul mică (deoarece terminalele se realizează, de regulă din Cu sau aliajele ale acestuia);

temperatură de topire ridicată (la rezistoarele de mare putere).

Conexiunea serie

Curentul electric ce străbate rezistențele legate în serie rămâne același, dar căderea de tensiune pe fiecare rezistor în parte are o valoare impusă de valoarea reistenței respective, astfel încât suma acestor căderi de tensiune egalează tensiunea de alimentare a rețelei. Pentru aflarea rezistenței echivalente Req a circuitului serie, se utilizează relația:

Req = R1 + R2 +…+ Rn

Figura 1.7. Reprezentarea rezistoarelor in serie

Conexiunea paralel

Prin conectarea în paralel a mai multor rezistoare, fiecare dintre acestea suportă aceeași cădere de tensiune, iar pentru aflarea rezistenței echivalente Req se folosește relația:

Figura 1.8. Reprezentarea rezistoarelor in paralel

Condensatorul reprezintă o componentă electrică (electronică) pasivă realizată în scopul obținerii unei impedanțe capacitive concentrată într-un volum cât mai mic și cu o comportare cât mai apropiată de impedanța pur capacitivă într-o bandă de frecvență cât mai mare. Parametrul fundamental al unui condensator îl reprezintă capacitatea electrică C, definită ca raportul între sarcina electrică q acumulată pe armături și tensiunea electrică U aplicată la borne.

Unitatea de măsură în S.I. a capacității este faradul (F), reprezentând capacitatea unui condensator la care aplicând o tensiune de 1V între borne, se încarcă cu o sarcină electrică de 1C.

Există o mare varietate de condensatoare fixe ce pot fi clasificate după multe criterii. Principala clasificare a condensatoarelor are în vedere tipul dielectricului utilizat la realizarea lor. Din acest punct de vedere sunt: cu mică , cu sticlă, cu hârtie, cu polistiren (stiroflex), cu poliester (polietilentereftalat, PETE), cu polipropilenă, cu policarbonat, cu hârtie și poliester, cu hârtie și polipropilenă, cu hârtie și policarbonat, cu oxizi metalici (Al2O3, Ta2O5), cu ceramică, cu teflon, cu porțelan. În funcție de numărul materialelor dielectrice utilizate, pot fi cu un dielectric sau cu dielectric mixt (mai mulți dielectrici suprapuși sau amestecați în volum). Având în vedere tipul terminalelor, condensatoarele sunt cu terminale pentru plantare (inserție) și terminale pentru montare directă pe suprafață (tehnologia SMT – Surface Monted Technology), componentele destinate acesteia fiind denumite componente SMD (Surface Mount Devices). Ca formă constructivă condensatoarele sunt: plate, disc, tubulare, cilindrice, paralelipipedice. Din punct de vedere al polarității, sunt nepolarizate și polarizate (electrolitice).

Pot fi de asemenea clasificate din punct de vedere al capacității, tensiunii, puterii, curentului, frecvenței, stabilității etc. Principalele simboluri grafice utilizate în schemele electronice pentru condensatoarele fixe sunt prezentate în figura de mai jos.

Figura 1.9. Tipuri de condensatoare

Conectarea paralel

Configurarea condensatoarelor în paralel, ilustrată în figura 2.5 conduce la același potențial electric pe fiecare dintre acestea.

Figura 1.10. Reprezentarea condensatoarelor in paralel

Motivul principal de conectare a condensatoarelor în paralel este acela de a mări cantitatea sarcinilor electrice acumulate, implicit de a mări cantitatea energiei electrice stocate.

Conectarea serie

Curentul care străbate condensatoarele conectate în serie rămâne același, dar căderea de tensiune pe fiecare condensator este diferită, după valoarea capacității acestuia.

Figura 1.11. Reprezentarea condensatoarelor in serie

Bobina este în electrotehnică un dispozitiv electric pasiv, care are două terminale (capete) și este folosit în circuitele electrice pentru a înmagazina energie în câmp magnetic sau pentru detecția câmpurilor magnetice. Parametrul specific al unei bobine este inductanța sa.

.

Figura 1.12. Inductanța

O inductanță este construită în mod uzual, dintr-o bobină din material conductor, tipic din cablu emailat din cupru infășurat in jurul unui miez, care poate fi aer sau un material feromagnetic.

Formele constructive pot fi foarte diverse, câteva dintre acestea fiind următoarele:

inductanțe cu miez de ferită;

inductanțe ajustabile cu miez reglabil;

inductanțe care se pot atașa direct pe circuitul imprimat sau care se pot realize direct pe un cablaj imprimat, de exemplu sub forma unei spirale;

inductanțe care se construiesc ca parte funcțională dintr-un circuit integrat;

giratoare, care se comportă ca o inductanță dar sunt realizate în tehnică integrată, fiind constituite dintr-un condensator și alte componente active.

Figura 1.13. Tipuri de bobine

Unitatea de măsură a inductanței este Henri (H) și reprezintă efectul câmpului magnetic creat de curentul ce străbate conductorul din bobinaj; ca urmare fluxul magnetic este proporțional cu acest curent. O schimbare a curentului din bobină conduce la o modificare a fluxului magnetic, care va genera o forță electromotoare ce se va opune acestei schimbări. Astfel se poate spune că inductanța este măsura forței electromotoare generate de o schimbare unitară a curentului prin bobinaj.

Inductanța poate fi mărită prin ecranarea bobinei sau prin introducerea unui miez construit dintr-un material de înaltă permeabilitate magnetică.

ectorul UL este rotit cu unghiul π/ rad în sens trigonometric față de vectorul I . La bobină curentul este defazat cu π/ 2rad în urma tensiunii, respectiv tensiunea este defazată cu π/2 înaintea curentului.

Figura 1.14. Reprezentarea tensiunii si intensității pentru bobină

Conectarea paralel

Configurarea inductanțelor în paralel, ilustrată în figura 3.5 conduce la același potențial electric pe fiecare dintre acestea.

Figura 1.15. Conectarea bobinelor in paralel

Conectarea serie

Curentul care străbate inductanțele conectate în serie rămâne același, dar căderea de tensiune pe fiecare este diferită.

Figura 1.16. Conectarea bobinelor in serie

Cristalul cu quartz

Atunci când este necesară o stabilitate foarte bună a frecvenței, în locul circuitului rezonat clasic format din bobine și condensatori, se folosește un cristal de cuarț (din punct de vedere electric prezintă o impedanță cu proprietăți de circuit rezonant), a cărui funcționarea se bazează pe efectul piezoelectric.

Unui cristal de cuarț i se poate asocia o schemă electrică echivalentă, simplificată (o schemă echivalentă mai elaborată pune în evidență posibilitatea rezonanței pe armonicile impare ale frecvenței fundamentale – overtone).

Este vorba despre un circuit oscilant serie, valorile elementelor de circuit fiind determinate de proprietățile mecanice ale cristalului:

inductanța Lq – inductanța echivalentă masei;

capacitatea Cq – capacitatea echivalentă elasticității cristalului, 10 pF;

rezistența de pierderi Rq – rezistența de pierderi datorită frecărilor din cristal;

capacitatea C0 – reprezintă capacitatea dintre electrozii plani între care se află cristalul (100pF – nF), prin intermediul cărora acesta se poate conecta în circuitul electric.

Figura 1.17. Rezonator cu cuarț

Circuitul electric echivalent al rezonatorului cu cuarț poate fi privit ca înserierea reactantei efective cu rezistența sa efectivă. Pentru un cristal de cuarț, analiza celor două componente conduce la definirea a sase frecvențe.

1.4 Arhitectura microcontrollerelor

1.4.1 Caracteristici generale

În genral un controller se referă la o structură electronică destinată controlului unui proces sau, și mai general decât atât, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția umană. Primele controlere de-a lungul timpului au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosindu-se componente electronice discrete și componente electromecanice cum ar fi releele. Acelea care fac apel la tehnologia numerică modernă au fost realizate la inceput pe baza logicii cablate și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care aveau dimensiuni foarte mari, consum energetic ridicat și in multe cazuri o fiabilitate care lasă de dorit.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor pentru uz general a dus la o reducere semnificativă a consumului, dimensiunilor, costurilor și o imbunătățire vizibilă a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de astfel de controlere de calitate, construite în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola).

O definiție cât mai generală a unui microcontroler ar fi aceea că este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resure care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Toate aplicațiile în care se folosesc microcontrolere fac parte din categoria așa ziselor sisteme încapsulate-integrate, la care prezența unui sistem de calcul încorporat este aproape transparentă pentru utilizator.

Printre domeniile unde utilizarea lor este un standard industrial se pot menționa: în industria automobilelor (pentru aprinderea motorului, in climatizare sau la sistemele de alarmă, etc), pentru aparatura aparatura de uz electrocasnic (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), în controlul mediului și climatizare, în industria aerospațială, precum și la realizarea de periferice pentru calculatoare și in medicină.

Arhitectura unității centrale de calcul este probabil unul dintre cele mai importante elemente care trebuie avut în vedere în analiza oricărui sistem de calcul. Cele mai importante concepte întâlnite sunt următoarele:

-arhitecturi de tip “Harvard” – pentru aceată arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. Prin urmare, ar trebui să existe și magistrale separate, de adrese și date, pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date;

-arhitecturi de tip “Cisc” – majoritatea microcontrolelor au la baza realizării CPU conceptul CISC. Acesta cuprinde un set uzual de peste 80 de instrucțiuni, multe dintre ele foarte puternice și specializate.

-arhitecturi de tip “RISC” – acesta este un concept de realizare a CPU care a început să fie implementat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Implementând doar un set redus de instrucțiuni care se pot executa în mod rapid și eficient, se obține o reducere a complexitătii microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri

Pe lîngă memoria locală de tip RAM, de dimensiuni reduse, implementată ca atare sau existentă sub forma unui set de registre și destinată memorarii datelor (variabilelor), mai există o serie de aspecte specifice, marea majoritate a lor fiind legată de implementarea fizică a memoriei de program cu ajutorul unor memorii nevolatile. În mod clasic, memoria de program era implementată într-o variantă de tip ROM: EPROM pentru dezvoltare și producție pe scară mică si medie sau mask-ROM pentru producția de masă.

Limbajul mașină este unica formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o ințelege. Din nefericire această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care una dintre instrucțiuni are ca și corespondent o instrucțiune în limbaj mașină. Un program în limbaj de asamblare este compact și rapid. Asta nu inseamnă că un astfel de program, scris în mod eronat, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total și responsabilitatea pentru execuția programului si gestionarea resurselor.

Un interpreter înseamnă implementarea unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este mai degrabă un program rezident care rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Definitoriu pentru execuția unui program interpretat este citirea și executarea secvențiala a instructiunilor

Compilatoarele combină lejeritatea în programare oferită de un interpreter. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel inalt, este translatat direct în limbaj masină sau în limbaj de asamblare. Codul masină care rezultă are dimensiuni destul de mari și este executat direct, ca un tot unitar, de catre microcontroler.

Arhitectură RISC avansată:

131 instrucțiuni – cu un singur ciclu de execuție al ceasului;

32 x 8 registre generale de lucru;

operare în totalitate static.

Segmente de memorie non-volatilă cu anduranță mare:

4/8/16/32KBiți de memorie flash programabilă;

256/512/512/1KBiți EEPROM;

512/1K/1K/2KBiți SRAM;

scrie / ștergere cicluri: 10.000 Flash / 100, 000 EEPROM;

păstrarea datelor: 20 de ani la 85 ° C / 100 ani la 25 ° C;

blocare de programare pentru securitatea Software.

1.4.2 Microcontrolerul ATMEL Atmega328

Figura 1.18. Schema microcontrolerului ATMEGA 328

Caracteristici periferice:

8-biți Timer / Counter cu prescalare separată și mod de comparare;

16-biți Timer / Counter cu prescalare separată, mod de comparare și capturare;

contorul timpului real cu oscilator separate;

6 canale PWM;

USART programabil serial;

timer „watchdog” programabil cu oscilator separat pe cip comparator analogic.

Caracteristici speciale ale microcontrolerului:

oscilator intern calibrat;

surse de întrerupere interne și externe;

6 moduri sleep: inactiv, de reducere a zgomotului ADC, Power-Save, Power-Down, de așteptare, și de așteptare extins.

Tensiune de operare:

1.8 – 5.5V.

Interval de temperatură:

40 ° C – 85 ° C.

Frecvența de lucru:

0 – 4MHz la 1.8 – 5.5V, 0 – 10MHz la 2.7 – 5.5.V, 0 – 20MHz la 4.5 – 5.5V.

Consum de current la 1MHz, 1.8V, 25 ° C

mod de operare: 0.2mA;

mod Power-down: 0.1μA;

mod Power-save: 0.75μA .

Porturi de Intrare/Ieșire de uz general.

Porturile AVR-ului sunt de tip citire-modificare-scriere atunci când sunt folosite ca porturi digitale de intrare/ieșire. Asta înseamnă că schimbarea direcției pinului unui port, poate fi realizată fără a schimba în mod neintenționat starea celorlalți pini, cu ajutorul instrucțiunilor CBI și SBI. Bufferele de ieșire au o funcționare duală, iar pinul conducător este suficient de puternic pentru a conduce direct un display cu LED-uri.

În total trei locații de adresă a memoriei de intrare/ieșire sunt alocate pentru fiecare port, pentru registrul de date PORTx, pentru direcția registrului DDRx și pentru pinii de intrare PINx. Primele două adrese pot fi citite/scrise, iar ultima este doar citită. Cei mai mulți pini ai portului sunt multiplexați cu funcții alternative pentru caracteristicile periferice ale dispozitivului.

Caracteristici timer:

proiectat pe16-biți ( permite 16-biți PWM)

două comparatoare independente de ieșire

regiștri comparatori de ieșire cu buffere duble

intrare de captare a zgomotului Canceler

modul PWM cu corectare de fază, fără erori

perioadă variabilă a modulului PWM

generator de frecvență

numărător extern de eveniment

1.4.2.1 Arhitectura interna a familiei ATmega pe 8 biti

Microcontrolerul AVR are la bază un procesor RISC cu o arhitectură Harvard (adică unitatea centrală de procesare are memorie de program și memorie de date separate). Pe baza acestui nucleu RISC firma Atmel a dezvoltat mai multe familii de microcontrolere, cu diferite structuri de memorie și de interfețe I/O, destinate diferitelor clase de aplicații.
Aceste microcontrolere sunt destinate aplicațiilor simple cum ar fi: controlul motoarelor, controlul fluxului de informație pe portul USB, controlul accesului de la distanță (Remote Access Control), etc.

Familia de microcontrolere AVR pe 8 biți prezintă următoarele caracteristici:

Are memorie Flash programabilă integrată, folosită ca memorie de program. Toate procesoarele AVR au memorie de program integrată. Asta înseamnă că nu ai nevoie de memorii EPROM sau ROM externe pentru a stoca codul programelor. Programarea se poate face în două moduri: serial și paralel.

Are 32 de registre de lucru de 8 biți fiecare (acest lucru este specific procesoarelor RISC). Numărul mare de registre de lucru permite stocarea variabilelor în interiorul procesorului, în loc să fie stocate în memorie, lucru care necesită un timp mai lung pentru accesare. În acest fel crește viteza de execuție a programului (deci va rula mai repede).

Are memorie de date integrată de tip EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) și memorie RAM integrată. Unitatea centrală de prelucrare are arhitectură Harvard, iar memoriile de tip RAM și EEPROM ale microcontrolerului sunt memorii de date, fiind folosite pentru a stoca variabile, respectiv constante.

Are frecvența de lucru care poate fi controlată prin software de la 0 la 16 MHz. Cele mai multe instrucțiuni sunt executate într-un singur ciclu de tact, ceea ce duce la îmbunătățirea performanței de 10 ori față de procesoarele convenționale care operează la aceeași frecvență (de exemplu: Intel 8051).

Realizează funcția de RESET fără decuplarea circuitului.

Are un timer programabil încorporat cu circuit de prescalare separat, care este folosit pentru sincronizarea aplicațiilor.

Surse interne și externe de întrerupere.

Are un timer watchdog cu oscilator independent, care este folosit pentru recuperarea informațiilor în caz de apariția unei erori software, dar mai poate fi folosit și în alte aplicații.

Are 6 moduri de operare pentru economisirea energiei. Poate lucra în modurile de operare SLEEP și POWER DOWN, moduri ce economisesc energie, atunci când procesorul nu lucrează.

Multe cipuri au oscilator integrat RC, care micșorează și mai mult numărul componentelor în cazul microcontrolerelor care-l conțin.

Sunt prevăzute cu o gamă largă de dispozitive de I/O și de periferice incorporate

Beneficiază de existența unui set unitar de instrumente software pentru dezvoltarea aplicațiilor.

Are o compatibilitate mare, pornind de la procesoare mici cu 8 pini și ajungând la procesoare cu 68 de pini.

Interfața serială UART

Portul serial este de tip asincron, full-duplex. Portul serial poate opera în 4 moduri:

Modul 0: datele seriale sunt transferate în ambele sensuri prin RXD. TXD furnizează ceasul de transmisie. Rata transferului este 1/12 din frecvența de oscilație.

Modul 1: transmisie asincronă, se transmit date prin TXD, se recepționează prin RXD în formatul 1 bit de start, 8 biți de date, 1 bit de stop, cu rata de transfer variabilă (programabilă) cu un timer.

Modul 2: ca la modul 1, dar se transmite și un al 9-lea bit de date care poate fi bitul de paritate, cu rata de transfer egală cu frecvența oscilatorului divizată cu 32 sau cu 64.

Modul 3: ca la modul 2, cu rata de transfer variabilă (programabilă) cu un timer.

Prima metodă considerată este transferul serial asincron. Modulul serial asincron este referit ca UART (Universal Asynchronous Receiver Transmiter). Într-un transfer serial asincron începutul fiecărui byte este marcat de o tranziție a liniei menținută pe durata corespunzătoare unui bit. Sfârșitul este marcat de asemenea de un bit de stop; bitul de stop constă în menținerea liniei pe durata unui bit într-o stare predefinită. Între bitul de start și bitul de stop sunt transferați biții de informație.

O secvență completă este compusă dintr-un bit de start, opt sau nouă biți de date și un bit de stop, în total 10 sau 11 unități de cod. Interfața serială asincronă poate fi implementată în două moduri într-un MC. Cea mai puțin costisitoare soluție din punct de vedere al cheltuielilor de resurse hardware este un program care să genereze secvența de transfer ca și componență și ca durată a fiecărui bit.

Soluția este costisitoare din punct de vedere al timpului consumat în rularea programului.

A doua soluție de implementare a interfeței seriale este și cea mai des întâlnită în MC. Interfața este realizat cu un modul hardware specializat. Unitatea centrală înscrie informația de transferat într-un registru al interfeței după care sarcina serializării și a generării secvenței este finalizată de către hardware-ul interfeței.

În cazul recepției interfața preia secvența recepționată, extrage elementele de sincronizare și înscrie datele efective într-un registru. Datele recepționate sunt accesibile unității centrale în acest registru al interfeței. În cazul în care registrul de transmisie este gol sau registrul de recepție este plin interfața semnalizează starea și poate chiar suspenda temporar execuția programului principal prin întreruperi hardware

Figura 1.19. Interfața UART

Ceasul pentru generarea ratei de transfer poate fi intern sau extern. În cazul în care se selectează ceas intern, acesta se formează din ceasul unității centrale cu o prescalare. Pentru ca rata de transfer să fie programabilă ceasul prescalat se divizează în continuare folosind un numărător al unui timer din resursele proprii.

Interfața UART dispune de un registru de stare și un registru de control cu ajutorul cărora se pot prgrama modul de lucru, parametrii de comunicație, selectarea ceasului, divizarea ceasului. Conexiunile interfeței seriale asincrone sunt disponibile la pini cu funcții multiple la unul din porturile paralele.

MC folosesc diferite tipuri de informații, care sunt stocate în diferite tipuri de memorii. Instrucțiunile care controlează funcționarea MC trebuie stocate într-o memorie nevolatilă, unde informațiile se păstrează și după oprirea și repornirea sursei de alimentare.

Rezultatele intermediare și variabilele pot fi înscrise într-o memorie volatilă, la acestea este important să se poată face scrierea /citirea rapid și simplu în timpul funcționării. Memoria RAM (Random Access Memory) este o memorie volatilă care poate fi citită sau scrisă de unitatea centrală. Locațiile din RAM sunt accesibile în orice ordine.

Pe chip, memoria RAM ocupă mult loc și implicit costurile de implementare sunt mari. De aceea un MC include de obicei puțin RAM. Memorie RAM static alimentată de la baterie se folosește pentru stocarea nevolatilă a cantităților mari de date, la o viteză de acces mare și cu un număr nelimitat de ștergeri și reînscrieri. Memoria ROM (Read Only Memory) este cea mai ieftină și cea mai simplă memorie și se folosește la stocarea programelor în faza de fabricație. Unitatea centrală poate citi informațiile, dar nu le poate modifica. Memoria PROM (Programmable Read Only Memory) este similară cu memoria ROM, dar ea poate fi programată de către utilizator. După posibilitățile de ștergere, această memorie poate fi de mai multe feluri:

Memoria EPROM (Erasable PROM) care se poate șterge prin expunere la raze ultraviolete.

MC cu EPROM au un mic geam de cuarț care permite ca chip-ul să fie expus la radiația ultravioletă. Ștergerea este neselectivă, adică se poate șterge doar întreaga informație și nu numai fragmente. Memoria poate fi ștearsă și reînscrisă de un număr finit de ori. Programarea EPROM-ului necesită o procedură specială, iar MC cu EPROM au nevoie de regulă pentru înscrierea EPROM-ului de o tensiune auxiliară, de 12 V de exemplu. Unele MC au incluse circuite de programare a memoriei EPROM, cu ajutorul cărora unitatea centrală poate programa memoria EPROM. În timpul programării memoria EPROM nu este conectată la magistrala de date și adrese. Unele MC sunt prevăzute cu mod special de lucru, în care sunt văzute din exterior ca niște memorii EPROM obișnuite și pot fi astfel programate cu orice programator.

Memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) poate fi ștearsă electric de către unitatea centrală, în timpul funcționării. Ștergerea este selectivă, iar pentru reînscriere trebuie parcurși mai mulți pași. Memoria EEPROM echipează multe MC, fiind ieftină.

În memoria EEPROM se memorează un mic număr de parametri care se schimbă din timp în timp. Memoria este lentă și numărul de ștergeri/scrieri este limitat (tipic 10 000). Memoria FLASH este o memorie asemănătoare EPROM și EEPROM în sensul că poate fi ștearsă și reprogramată în sistemul în care este folosită (fără a fi necesar un sistem dedicat). Are capacitatea unui EPROM, dar nu necesită fereastră pentru ștergere. Ca și EEPROM, memoria FLASH poate fi ștearsă și programată electric. Memoria FLASH nu permite ștergerea individuală de locații, utilizatorul poate să șteargă doar întregul conținut.

Din punct de vedere al locului și modului de programare a memoriilor de tip PROM există două concepte:

ICP (In Circuit Programming) – programarea memoriei când MC se află pe placa de cablaj imprimat a aplicației;

ISP (In System Programming) – presupune posibilitatea de reprogramare în funcționare a sistemului. De exemplu la autovehiculele comandate de MC, schimbarea tipului benzinei sau schimbarea unei legi privitoare la poluare pot fi actualizate în programul MC fără ca acesta să fie scos din autovehicul. În funcție de numărul aplicațiilor în care urmează să fie folosit MC se recomandă folosirea MC cu ROM pentru volum mare de producție (ROM se înscrie cu mască la fabricant), OTP pentru volum mic de producție și EPROM pentru prototipuri

. Tipul de memorie și capacitatea memoriei din echiparea unui MC sunt caracteristici particulare fiecărui tip de circuit. Printre alte diferențe, acești parametri sunt diferiți pentru membrii unei aceleiași familii de MC.

Pentru a aprecia un MC sub aspectul componentei memorie este necesar să se considere următoarele caracteristici:

varietatea tipurilor de memorie pe chip: RAM, ROM /OTP /EPROM /EEPROM /FLASH;

capacitatea memoriei aflată pe chip;

ușurința cu care se poate programa (programare în circuit sau nu, necesitatea unor tensiuni de programare suplimentare).

1.4.2.2 Interfete de comunicație (I2C, SPI, UART)

Interfața SPI

SPI (Serial Peripheral Interface)

Comunicație serială:

Sincronă, de tip punct la punct

Utilizează principiul master-slave

Full-duplex, master (MC), slave (dispozitive periferice)

Sincronizarea se poate face pe ambele fronturi ale clock-ului

Utilizează 4 linii de comunicație:

MOSI (Master Out, Slave In): utilizată de master pentru a transmite date către slave.

MISO (Master In, Slave Out): utilizată de slave pentru a transmite date către master.

SPI – principiu de funcționare

Master/Slave au un registru cu deplasare (operat de SCK)

La fiecare clock, master msb (sau lsb) (MOSI) slave lsb

În același timp, slave msb (MISO) master lsb

După 8 cicluri de clock, master-ul și slave-ul au schimbat între ele datele (8 biți)

SPI – principiu de funcționare

Masterul adresează explicit dispozitivul slave prin setarea liniei 𝑺𝑺 la nivel low

Figura 1.20. Funcționare SPI

Interfața I2C

I2C – Inter-integrated Circuit (dezvoltat/patentat de Philips)

Interfață sincronă, master-slave, half-duplex

Utilizează două linii pentru comunicație (master – slave):

SCL (Serial Clock Line) pentru semnalul de clock (sincronizare)

SDA (Serial Data Line) pentru transferul de date

Se pot seta trei moduri de transmisie de date:

Modul standard 100Kbit/sec Modul rapid 400Kbit/sec

Modul extr a-rapid 3.4Mbit/sec.

Protocolul conține un mecanism de administrare a modulelor pe magistrala I2C pot exista mai multe dispositive master.

Ex: sistem cu mai multe MC.

Avantajul I2C este extensibilitatea.

Limită: Capacitatea maximă a magistralei nu trebuie sa depășească 400pF.

Figura 1.21. Funcționare I2C

Interfața I2C – moduri de adresare

I2C suportă adresare pe 7 sau 10 biți

La adresarea pe 7 biți:

Dispozitivele de pe bus sunt identificate după adresă (7 biți)

4 MSB sunt predefiniți de producător

LSB pot fi definiți de programator

Adresele: 0000XXX și 1111XXX sunt rezervate

La adresarea pe 10 biți: adresarea pe 7 biți + 3 noi biți.

Interfața I2C – Transmiterea datelor . Avem 3 nivele de tensiune:

Low: -0.5÷0.3Vdd

High: 0.7Vdd÷Vdd+0.5

Liniile au caracteristici dominante și recesive

1.4.2.3 Caracteristici principale și performanțe

Atmega328 AVR 8-bit este un circuit integrat de înaltă performanță ce se bazează pe un microcontroler RISC, combinând 32 KB ISP flash o memorie cu capacitatea de a citi în timp ce scrie, 1 KB de memorie EEPROM, 2 KB de SRAM, 23 linii E/S de uz general, 32 Înregistrari procese generale, trei cronometre flexibile/contoare în comparație cu, întreruperi internă și externă, programator de tip USART, orientate interfață serială byte de 2 cabluri, SPI port serial, 6-canale 10-bit Converter A/D (8-chanale în TQFP și QFN/MLF packages), "watchdog timer" programabil cu oscilator intern, și cinci moduri de software-ul intern de economisire a energiei selectabil. Dispozitivul funcționează 1,8-5,5 volți.

Prin executarea instrucțiuni puternice într-un singur ciclu de ceas, aparatul realizează un răspuns de 1 MIPS.

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 1.8V – 5.5V;

Capsula: 28DIP;

Frecvență de funcționare: până la 20MHz;

Flash: 32kB;

23 pini I/O;

1 UART, 2 SPI și 1 I2C;

6 canale de PWM;

8 x 10 bit ADC-uri

Parametrii microcontrolerului ATmega 328:

Moduri de programare (ICSP, UART)

Microcontrollerele sunt dispozitive ce conțin o unitate de procesare și alte periferice ce au rolul de a controla circuite electronice. Microcontroller-ul ATmega328p-PU este unul dintre cele mai folosite microcontrollere, dovadă și faptul că este folosit pentru placuța de dezvoltare Arduino Uno.

Acesta poate înlocui microcontroller-ul de pe placa dumneavoastră de dezvoltare, în cazul în care acesta s-a defectat.

Microcontroller-ul ATmega328p-PU se programează în mod inițial cu ajutorul unor dispozitive hardware adiționale, numite programatoare prin pinii ICSP (In-Circuit Serial Programming)

Microcontrolerul folosit de plăcuța Arduino UNO este Atmega328-P, încadrat în chenarul mov.

Aceste microcontrolere se programează în mod inițial cu ajutorul unor dispozitive hardware adiționale numite programatoare (microcontrolerele pot fi programate inclusiv pe linia de producție) prin pinii ICSP (In-Circuit Serial Programming).

Pentru a elimina nevoia unui astfel de dispozitiv, pe aceste microcontrolere se scrie un bootloader – un mic program software ce preia instrucțiunile (codul programului) prin interfața serială și le scrie într-o zonă de memorie nevolatilă (FLASH), de unde microcontrolerul le va interpreta și rula. Astfel, microcontrolerul nostru poate interpreta acum instrucțiuni sosite pe interfață serială. Mai avem nevoie doar de o metodă de a face conversia de la USB la serial pentru a putea programa Atmega328-P prin portul USB al PC-ului.

Această responsabilitate îi revine unui alt microcontroler (circuitul din chenarul verde. Acesta are interfață ICSP prin care poate fi reprogramat. Microcontrolerul responsabil cu conversia USB-Serial din chenarul verde poate fi înlocuit cu cipuri precum cele folosite de convertorul USB-Serial prezentat anterior. În acest mod, au apărut clone Arduino mai ieftine, dar cu aceleași funcționalități.

Dacă zona de memorie a microcontroler-ului Atmega328-P în care este scris bootloaderul este coruptă, nu veți mai putea programa plăcuța prin intermediul portului USB. Această problemă este ușor de remediat – puteți folosi un programator (dispozitiv de programare) pentru a rescrie bootloaderul. De asemenea, este important să știți că se poate folosi orice altă plăcuță Arduino pe post de programator

Figura 1.22 Microcontrolerul folosit de plăcuța Arduino UNO

Capitolul 2- Senzori și traductori

2.1. Traductorul

Traductorul este un dispozitiv (element) tehnic care transformă valorile unei mărimi fizico-chimice în valori (corespunzătoare) ale altei mărimi fizice, în scopul măsurării ei sau/și reglării mersului procesului tehnic, biologic etc. în care este implicată mărimea respectivă.

Traductoarele sunt frecvent denumite „traductoare de măsură”. Ele intră direct în contact cu mediul (procesul) unde este participantă ca parametru mărimea de măsurat sau/și reglat.

În funcție de mărimea fizico-chimică în cauză traductoarele sunt diferite ca principiu de funcționare, după cum urmează:

Termorezistențe (electrice);

Potențiometre de poziție (de nivel);

Termoelemente voltaice sau „termocuple”;

Celule galvanice (electrozi) de măsură (de ex. pentru măsurarea pH/acidității);

Electrozi de măsură a conductivității mediilor;

Bandă tensometrică extensibilă (cu rezistență el. variabilă la alungire);

Piezoelectric traductor (cuarț cristal);

Tahogenerator (generator de tens. alternativa la rotire: utilizat la măs. turației);

Hall-senzor (emitiv de tens. electr. în vecinătate de material feromagn.);

Inductiv traductor (prin variație de permeabilitate);

Capacitiv traductor;

Unghiular sesizor de poziție (electric);

2.2. Tipuri de traductoare și caracteristici principale

Înțelegerea faptului că într-un traductor modificarea naturii semnalului reflectă o conversie a unei forme de energie în altă formă de energie conduce la redesenarea schemei bloc a unui sistem de măsurare și control.

Se pun în evidență șase tipuri (domenii) de semnale: radiante (RD), mecanice (MC), termice (TR), magnetice (MG), chimice (CH) și electrice (E). Deși în principiu în blocul de prelucrare se poate utiliza oricare dintre cele șase forme de semnal, cazul întâlnit în mod aproape unanim în realizările concrete de sisteme de măsurare și control corespunde operării cu semnale electrice.

Exemple notabile de abateri de la această situație sunt date de optica integrată (în blocul de prelucrare se utilizează semnale radiante) și de dispozitivele bazate pe unde de suprafață (în blocul de prelucrare se utilizează semnale mecanice):

După natura mărimii aplicate la intrare: traductoare de temperatură, presiune, radiație

După natura mărimii de ieșire: traductoare rezistive, inductive, capacitive

După natura mărimii intrare-ieșire: – traductoare de mărimi electrice în mărimi electrice (amplificatoare, transformatoare, divizoare) – traductoare de mărimi neelectrice în mărimi neelectrice (pârghii, reostate, membrane) – traductoare de mărimi neelectrice în mărimi electrice

După modul în care are loc transformarea semnalului în traductor: directe și complexe. În traductoare directe mărimea neelectrică este convertită direct în semnalul electric de la ieșire.

Funcționarea acestor traductoare se bazează pe faptul că o proprietate electrică ce caracterizează traductorul este dependența mijlocit de mărimea neelectrică de interes. Se pot cita, de exemplu, termorezistențele și termocuplurile.

De cele mai multe ori, situația aproape ideală corespunzătoare traductoarelor directe nu se întâlnește: fie că nu există metode convenabile de transformare directă a mărimii neelectrice într-o mărime electrică, fie că mărimea electrică de la ieșirea traductorului nu depinde numai de mărimea neelectrică de măsurat, ci și de alți factori (perturbatori), determinați chiar de obiectul sau fenomenul măsurat sau de mediul ambiant. În aceste situații se realizează traductoare complexe, în care conversia semnalului neelectric se face în mai multe etape intermediare și/sau structura traductorului se proiectează astfel încât sa fie imunizată fața de acțiunea factorilor perturbatori. Ca o ilustrație tipică se pot cita, de exemplu, traductoarele diferențiale, traductoarele cu compensare etc.

După principiul de funcționare:

traductoare parametrice (sau modulatoare)

traductoare generatoare (sau energetice).

În cazul traductoarelor parametrice, semnalul neelectric determină modificarea unei proprietăți electrice a traductorului (rezistență, capacitate, inductanța mutuală, coeficient de atenuare a radiației etc.).

Punerea în evidență a modificării necesită existența unei surse exterioare de energie (sursa de activare). Ca exemple tipice se pot cita: termorezistența, transformatorul diferențial, fotorezistența, piezorezistența, microfonul capacitiv etc. În cazul traductoarelor generale semnalul neelectric determină generarea unei tensiuni electromotoare, a unui curent sau a unei sarcini. Ca exemple tipice se pot cita: termocuplul, elementul fotovoltaic, traductoarele piezoelectrice. Împărțirea traductoarelor în parametrice și generatoare are o importanță vitală din punctul de vedere al modului în care se face prelucrarea semnalului electric de la ieșirea traductorului: circuitele de prelucrare (măsurare) sunt complet diferite.

După forma semnalului de la ieșirea traductorului: traductoare analogice și traductoare digitale Trebuie menționat că din clasa traductoarelor digitale fac parte și traductoarele cu ieșire în impulsuri (exemple tipice: traductoare temperatură-frecvență, forță-frecvență etc.).

Caracteristicile și performanțele de regim staționar se referă la situația în care mărimile de intrare și de ieșire din traductor nu variază mai precis parametrii purtători de informație specifici celor două mărimi sunt invarianți. Matematic aceasta se exprimă prin condiția ca toate derivatele în raport cu timpul să fie nule pe un interval de timp concludent pentru caracterizarea comportării traductorului. Analogia dintre traductoare și aparatele de măsurat se referă în primul rând la funcționarea în acest regim staționar. Într-adevăr, indicația unui aparat de măsurat nu poate reda valoarea mărimii măsurate decât atunci când se menține constantă cel puțin un timp suficient pentru a fi citită corect de către operator. Măsurările din această categorie poartă denumirea de măsurări statice.

Ele sunt cele mai frecvente întrucât, deși nu se poate vorbi de mărimi invariante în mod absolut, un număr mare de mărimi fizice sunt caracterizate de regimuri staționare în limite de timp care permit aprecierea valorii de către operator sau care pot fi considerate ca atare în raport cu alte criterii (de exemplu, dinamica foarte rapidă a altor elemente). În virtutea analogiei amintite, cât și a faptului că și în cazul sistemelor de reglare performanțele de regim staționar se referă de asemenea la precizia reglării, este firesc să se adopte și pentru traductoare aceleași metode de caracterizare. În consecință, se va utiliza terminologia de caracteristici statice.

Pragul de sensibilitate se definește ca fiind cea mai mică variație a mărimii de intrare care poate determina o variație sesizabilă (măsurabilă) a semnalului de ieșire.

Pragul de sensibilitate este important întrucât condiționează variațiile minime la intrare care pot fi măsurate prin intermediul semnalului de ieșire. Principalii factori care determină pragul de sensibilitate sunt fluctuațiile datorate perturbațiilor interne și externe: așa numitul zgomot în circuitele electrice, frecări statice și jocurile în angrenaje pentru dispozitive mecanice. Pentru exemplificare, trebuie arătat că în cazul traductoarelor electrice și electronice, pragul de sensibilitate nu poate fi coborât sub o anumită limită impusă de zgomotul de agitație termică, denumit zgomot propriu.

La acesta se mai adaugă, în condiții normale de funcționare, zgomotul produs de fluctuațiile menționate, denumit zgomot instrumental. Considerând un aparat electronic ideal, la care zgomotul instrumental este nul, se definește, pentru cele reale, așa numitul factor de zgomot F, prin raportul între puterea totală de zgomot și puterea de zgomot propriu.

În construcția aparatelor și instalațiilor de măsurare se manifestă tendința generală de a realiza o caracteristică liniară a mărimii de ieșire în funcție de mărimea de intrare măsurată. Prin aceasta se simplifică conversiunea deplasării sistemului indicator al aparatului în unități ale mărimii fizice măsurate; în cazul cel mai favorabil, când curba de etalonare trece prin origine, conversiunea se face prin simpla înmulțire cu o constantă.

Citirea între diviziunile scării aparatului este cu mult mai ușoară dacă se poate aplica o interpolare liniară. De asemenea, dificultatea analizei răspunsului unui sistem de aparate se reduce mult dacă aparatele componente au caracteristici liniare. La aparatele cu caracteristică nominală liniară, se specifică abaterile caracteristicii reale față de linia dreaptă de referință. Există două modalități de definire a abaterii de la liniaritate:

se determină raportul între abaterea maximă și domeniul de măsurare, considerate după direcția aceleași axe de coordonate;

se determină valoarea maximă a raportului între abatere și valoarea corespunzătoare a mărimii măsurate. După prima definiție, abaterea absolută este constantă, pe întregul domeniu de măsurare, astfel că la valori mici ale mărimii măsurate, o abatere de la liniaritate de 1% din domeniu reprezintă în realitate 10% din valoarea măsurată. A doua definiție semnifică o precizare mai severă a abaterii de la liniaritate; dacă se specifică de exemplu o abatere de 2%, aceasta nu este depășită în nici un punct al domeniului de măsurare.

2.3 Senzori de acceleratie

Ce este senzorul? Trebuie spus că nu există o definiție unitară și necontestată a „senzorului”, motiv care lasă mult spațiu pentru interpretări, ambiguități și confuzii. Mulți autori preferă să folosească sintagma „senzori și traductoare”, în cadrul căreia, fie pun pe picior de egalitate senzorul și traductorul, utilizând, alternativ sau preferențial, unul dintre termeni, fie consideră că unul reprezintă o categorie ierarhică superioară, incluzându-l pe celălalt. De multe ori se mai utilizează și noțiunea de „captor”, care amplifică semnele de întrebare, întrucât în limba franceză, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care în această carte au fost numite „senzor”.

Figura 2.1 Structuri ale sistemelor senzoriale

Există astăzi senzori pentru mai mult de 100 de mărimi fizice, iar dacă se iau în considerare și senzorii pentru diferite substanțe chimice, numărul lor este de ordinul sutelor. Se pot pune în evidență circa 2000 de tipuri distincte de senzori, oferite în 100.000 de variante, pe plan mondial [ROD03]. Datorită marii diversități a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, precum și a soluțiilor de implementare a acestor principii, există și o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate câteva dintre cele mai importante. Senzorii pot fi clasificați în funcție de tehnologiile utilizate pentru realizarea lor:

Tehnologii ale materialelor feromagnetice;

Tehnologii ale materialelor piezo-ceramice;

Tehnologii ale microeelectronicii și microsistemelor;

Tehnologii ale staturilor subțiri;

Tehnologii ale staturilor groase;

Tehnologii pentru materiale sinterizate;

Tehnologii ale foliilor, etc.

Generic, acceletometrele sunt aparate cu care se măsoară accelerațiile, în special la vehiculele aeriene sau mai specific un transductor electromecanic de măsurat structurile vibrante.

Sistemele inerțiale de navigație se bazează pe măsurarea accelerației în scopul obținerii vitezei și poziției vehiculului în urma integrării matematice succesive. Accelerometrele măsoară atât forța inerțială, cât și componenta gravitațională.

Senzorii de accelerație sunt proiectați să detecteze schimbări de forță rezultate din cădere, înclinare, mișcare, poziționare, șoc și vibrație.

Principiul lor de funcționare se bazează pe o structură de masă ce se deplasează liber în interiorul unei carcase de-a lungul axelor de sensibilitate ale accelerometrului, structură prinsă cu arcuri. Corpul senzorului (cunoscut în literatura ca “pickoff”) măsoară poziția masei inerțiale relativ la carcasa accelerometului.

Atunci când este aplicată o forță de tracțiune ce modifică accelerația, masa inerțială va continua deplasarea cu aceeași viteza, în timp ce carcasa se va deplasa comprimând unul dintre arcuri și diltându-l pe celălalt. Poziția rezultată a masei este proporțională cu accelerația aplicată carcasei, excepție făcând accelerația gravitațională ce acționează direct asupra masei inerțiale (și nu prin intermediul arcurilor).

Astfel, se poate trage concluzia că accelerometrele sunt capabile să măsoare accerelația negravitațională (ceea ce se datoreză unei forțe specifice imprimate dispozitivului).

Figura 2.2. Senzori de accelerație

Accelerometrele folosite în sistemele de tip “strapdown” pot fi:

tip pendul (mecanice);

tip rezonant;

tip MEMS.

Accelerometrele tip pendul sunt compuse dintr-o masă suspendată cu ajutorul unor arcuri, ca în figură. Deplasarea masei este măsurată prin intermediul unui senzor (“pickoff”) de deplasare care oferă la ieșire un semnal proporțional cu forța F aplicată masei. Pentru a calcula accelerația propriu-zisă este utilizat al II-lea principiu fundamental al mecanicii.

Accelerometrele de tip rezonant pot fi la rândul lor împărțite în funcție de suprafața rezonantă folosită:

unde acustice de suparafață (SAW – surface acoustic wave);

vibrante;

ce utilizează siliconul;

ce utilizează cuarțul.

Spre exemplu, accelerometrul de tip SAW, conține o grindă încastrată în consolă care rezonează la o anumită frecvență. Un capăt al grinzii este fixat de carcasă, în timp ce cel de-al doilea capăt are atașată masa inerțială.

Există și o altă varianta de a clasifică accelerometrele, cum ar fi:

Low g (mai mic de 20g),

Medium g (între 20g … 100g),

High g (100g până la 500g)

Pentru electronicele de consum se cer următoarele caracteristici: timp de răspuns rapid, sensibilitate ridicată, consum redus de curent, operare la tensiune mică și o încapsulare la dimensiuni cât mai mici.

În produsele electronice avansate aflate deja pe piață, se adaugă mereu noi caracteristici multifuncționale și inteligență. Poziționarea GPS, navigarea, urmărirea deplasării pe hartă, jocurile 3-D, dispozitive antifurt și PC-mouse sunt principalele domenii de aplicare ale senzorilor de accelerație. Accelerometrele sunt sensibile atât la accelerația liniară, cât și la câmpul gravita­țional local. Urmărirea mișcării permite colectarea de informații despre orientarea unui obiect precum un smartphone sau tabletă grafică pentru a se comută automat între modul de display portret (portrait) sau peisaj (landscape).

1. Senzorii de accelerație măsoară diferența dintre orice accelerație liniară într-un cadru de referință și vectorul câmp gravitațional al Pământului.

2. În absența accelerației liniare se măsoară rotația vectorului câmp gravitațional pentru a determina unghiul de rotire și de tangaj.

3. Unghiurile de orientare sunt dependențe de ordinea în care se aplică rotațiile, țînând cont de mișcarea de girație în cazul domeniului aerospațial.

4. Senzorii de accelerație sunt insensibili la mișcarea de rotație a Pământului pentru a preveni instabilitatea.

5. Expresii simple de algebră vectorială sunt utilizate pentru calculul de înclinare a accelero­metrului de la verticală sau unghiul de rotație între oricare două citiri de accelerometru.

6. Cea mai comună aplicăție a accelerometrelor în aparate electronice de consum este trecerea între portret sau peisaj.

Devierea masei probei se măsoară prin schimbarea valorii capacității între degetele de la masă probei și plăcile sensibile.

2.3.1 Tipuri de senzori

Un model simplificat și traductor circuit echivalent electric sunt prezentate în figura de mai jos.

Figura 2.3 Model simplificat al traductorului capacitiv și circuitul electric echivalent.

Proof Mass = masă de test predeterminată într-un dispozitiv de măsură a accelerației, care servește ca masă de referință a parametrului ce urmează a fi măsurat.

Circuitele interne ale senzorului accelerometru convertesc variația de capacitate mică la un semnal de tensiune care, în accelerometre digitale, este apoi convertită în semnal digital de ieșire și transmis pe un bus serial.

Problema determinării poziției este complexă și presupune calcule rapide pentru a citi tranzițiile și a determina poziția actuală a dispozitivului.

Astfel, pe baza unor reguli se determină mișcările effectuate.

Senzori de Accelerație Low g

Freescale oferă portofoliul de senzori de accelerație Xtrinsic pentru gama low g (sub 20g) care are un timp de răspuns rapid, consum redus de energie atât în stare activă, cât și în modul de așteptare. Se utilizează pentru detectarea orientării, agitării, loviturilor ușoare simple sau duble, căderii, înclinării, mișcării, poziționării, șocului și vibrațiilor. Aceste accelerometre detectează cu acuratețe orice mișcare, fiind utilizate în perceperea realității, eReadere, aparate medicale și aparate casnice, dispozitive electronice mobile, smartphone și tablete.

Figura 2.4 Senzori de Accelerație Low g

Caracteristici de bază

• Capsulă de mici dimensiuni 2 × 2 × 1.0mm DFN

• Sensibilitate ridicată: 1 mg per LSB

• Low noise: 150 micro g per root Hz (independent de rezoluție)

• Low-power mode: 7 micro amperi

• Interfață de întreruperi și interfață IIC: 1.62 … 3.6V

• Tensiune de alimentare: 1.95 … 3.6V

• Rată datelor la ieșire: 1.5 … 800Hz

Freescale oferă și Sensor Toolbox – instrument de dezvoltare – care permite o selectare în funcție de aplicăția senzorilor, accesoriilor și un software adecvat pentru a micșora timpul de proiectare și trecere la fabricație, îmbogățind capabilitățile de detectare a condițiilor din lumea reală.

Accelerometrul Freescale MMA8652FC Xtrinsic 12-biți este lider la performanțe în industrie într-o capsulă de mici dimensiuni, 2×2×1mm DFN. Acest accelerometru include funcții ce permit o programare flexibilă a opțiunilor, având și doi pini configurabili pentru întreruperi. Pe durata inactivității rămâne într-o stare de consum redus de energie și se activează prin semnale de trezire inerțiale.

Senzori de Accelerație Medium g

Freescale oferă sisteme MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) bazate pe accelerometre, proiectate să detecteze schimbări în forță datorită căderii, mișcării, schimbării poziției, șocului, înclinării și vibrației. Portofoliul de accelerometre între 20g … 100g este soluția ideală pentru aplicății în industria auto. Portofoliul cuprinde accelerometre cu diverse tipuri de semnale de ieșire:

• ieșire analogică: MMA12XX, MMA22XX, MMA32XX

• ieșire DSI: MMA16XX, MMA26XX

• ieșire PSI5: MMA51XXW, MMA52XX

• ieșire SPI: MMA65XX, MMA685XX, MMA68XXKW, MMA690XQ

Senzori de Accelerație High g

Freescale oferă sisteme MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) bazate pe accelerometre, fiind proiectate să detecteze schimbări în forță datorită căderii, mișcării, schimbării poziției, șocului, înclinării și vibrației. Portofoliul de accelerometre între 100g … 250g este soluția ideală pentru aplicății în industria auto. Portofoliul cuprinde accelerometre cu diverse tipuri de semnale de ieșire:

• ieșire analogică: MMA12XX, MMA 23XX;

• ieșire DSI: MMA16XX, MMA26XX, MMA8XXXEG.

MMA9550L – Platforma inteligentă de sesizare a mișcării

Acest dispozitiv reprezintă în industrie prima platformă inteligentă, de mare precizie pentru sesizarea mișcării care poate controla multiple întrări de senzori și poate stabili decizii la nivel de sistem pentru a permite noi aplicății că recunoașterea gesturilor, funcționalități legate de mers și compensarea încli­nării și păstrarea echilibrului. Dispozitivul are un nivel ridicat de configurare și adaptare la diverse tipuri de senzori, iar deciziile se iau pe baza unor calcule complexe care interpretează informațiile de la senzori.

Prelucrarea avansată este realizată printr-un procesor V1 ColdFire cu 32 biți care permite luarea de decizii contextuale. Având până la 12 intrări de la senzori, platforma MMA9550L este programată și configurată cu CodeWarrior Development Studio 6.3 software, care ridică aplicațiile la nivelul generației următoare, folosind algoritmi de bază pe 32 biți.

2.4 Modulul GSM

Modulul SIM800L este un modul GSM versatil de dimensiuni reduse care suportă conexiune de voce, de date și SMS.

Modulul GSM cu cipul SIM00L este foarte popular în cadrul comunității Arduino. Acesta oferă servicii GSM (Global System for Mobile Communications) și GPRS (General Packet Radio Service) precum: SMS, USSD, servicii de voce și suport pentru servicii de internet TCP, UDP, HTTP și FTP.

Modulul se alimentează la o tensiune de 3.4 – 4.4 V și comunică cu plăcuța Arduino prin interfața serială. Modul de funcționare este asemănător modulul Wifi ESP-01: modulul primește o serie de comenzi prestabilite pe serială pentru accesarea funcțiilor. Modulul răspunde la setul de comenzi AT. Pentru o alimentare corectă, puteți folosi o sursă reglabilă, foarte utilă în cazul multor proiecte cu Arduino sau un mic montaj cu regulatorul LM317 – o sursă liniară cu ieșire variabilă.

Pentru a comunica cu modulul SIM800 vom folosi biblioteca SoftwareSerial.h, ce ne permite să folosim și alți pini digitali pentru comunicația serială.

2.4.1. Tipuri de GSM

Modulul GSM cu cipul SIM00L este foarte popular în cadrul comunității Arduino. Acesta oferă servicii GSM (Global System for Mobile Communications) și GPRS (General Packet Radio Service) precum: SMS, USSD, servicii de voce și suport pentru servicii de internet TCP, UDP, HTTP și FTP.

Modulul se alimentează la o tensiune de 3.4 – 4.4 V și comunică cu plăcuța Arduino prin interfața serială. Modul de funcționare este asemănător modulul Wifi ESP-01: modulul primește o serie de comenzi prestabilite pe serială pentru accesarea funcțiilor. Modulul răspunde la setul de comenzi AT. Pentru o alimentare corectă, puteți folosi o sursă reglabilă, foarte utilă în cazul multor proiecte cu Arduino sau un mic montaj cu regulatorul LM317 – o sursă liniară cu ieșire variabilă.

Pentru a comunica cu modulul SIM800 vom folosi biblioteca SoftwareSerial.h, ce ne permite să folosim și alți pini digitali pentru comunicația serială.

Figura 2.5 Modul GSM sim800l

Global System for Mobile Communications (Sistem Global pentru Comunicații Mobile), prescurtat GSM, este standardul de telefonie mobilă (celulară) cel mai răspândit din lume, precum și numele rețelei de telefonie respective. Atributul „mobil” al multor aparate și dispozitive actuale se referă în primul rând la conectivitatea lor (fără fir, prin semnale radio) la sistemul GSM, practic din orice punct de pe glob unde există oameni. Din această rezultă și mobilitatea utilizatorului.

Promotorul acestui standard, GSM Association, a estimat în anul 2007 că 82 % din piața mondială de comunicații mobile folosește acest standard. Mai este cunoscut și sub denumirea de 2G (generația a 2-a). NMT aparține de 1G, iar UMTS și standardele similare aparțîn de 3G. GSM 2G a apărut pe piață la începutul anilor 1990, luând un mare avânt la sfârșitul deceniului. Este sistemul dominant în Europa.

La ora actuală (2012) la rețeaua GSM se pot conecta cu ajutorul unei minicartele de tip SIM nu numai telefoanele mobile, aici în special cele de tip smartphone, dar și diverse calculatoare de ex. iPad-uri, alte calculatoare portabile, modemuri UMTS/LTE înglobate în diverse aparate ș.a

Prin contrast, există și sisteme de telefonie fără fir care nu se numesc „mobile”, deși și ele funcționează când utilizatorul se deplasează:

sisteme DECT – pentru distanțe mici de până la cca 30 m, în locuință sau la locul de muncă;

sisteme bazate pe benzi speciale radio, v. Radio CB;

sisteme instalate de ex. pe avioane și vapoare care pentru radiotelefonie folosesc sateliți de telecomunicații;

sisteme speciale militare și de poliție;

sistem celular [modificare /modificare sursă].

2.4.2. Releu și antene GSM

Sistemul GSM este un sistem numit „celular”. Deoarece telefoanele portabile atașabile la GSM (așa-numitele telefoane mobile sau celulare) trebuie să fie ușoare și trebuie deci și să aibă acumulatori cât mai ușori, ele au și o putere de emisie radio limitată la circa 4 – 6 km. Drept consecință, releele GSM, numite și „stații de bază”, care au antenele în poziții fixe pe stâlpi la sol sau pe clădiri mai înalte, trebuie să fie numeroase, împânzind astfel mari suprafețe, de ordinul unor întregi zone metropolitane și chiar și mai mari, tinzând cu timpul spre acoperirea completă a țărilor.

Figura 2.6 Releu si antenna GSM

Zonele globului în care în general rețeaua GSM nu pătrunde sunt:

mari zone nelocuite, de ex.: deșerturi, munți înalți, zonele polare, lacuri mari, mări și oceane

zonele subterane (tuneluri, mine, stațiuni de cercetări situate la adâncime) precum și zonele subacvatice și submarine

spațiul aerian cu altitudine de peste 4 – 6 km (avioanele de pasageri ajung și la înălțimi de 10 – 11 km) unele zone și țări subdezvoltate Gsm network architecture.png

Fiecare releu GSM deservește doar o mică suprafață, mai mult sau mai puțîn rotundă și cu diametrul de cca 8 – 10 km, numită „celulă”.

Figura 2.7 Reteaua GSM

Dacă posesorul telefonului mobil se deplasează (de ex. călătorește cu mașina), sistemul îl „pasează” de la un releu la altul, urmărindu-l peste tot unde se află. Dacă la trecerea în altă celulă (teritorială) posesorul tocmai vorbește la telefon, convorbirea să nu este întreruptă și nici măcar deranjată.

Securitatea transmisiei

Sistemul GSM, bazându-se pe transmisii radio, prezintă în principiu riscul captării ilegale a convorbirilor telefonice. El prevede însă că semnalul sonor, înainte de a fi transmis, să fie digitalizat și criptat, dispunând astfel de o securitate de transmisie ridicată.

Benzi de frecvențe

La ora actuală (2012) există pe glob 14 domenii de frecvențe pentru GSM, toate situate în câte una din următoarele benzi: 400 MHz, 700 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1.800 MHz și 1.900 MHz. Unele domenii se folosesc numai pe anumite continente. Frecvențele cu care transmit telefoanele mobile în cadrul unei legături cu releul antenă (legături numite „uplink”) se deosebesc de frecvențele folosite de relee în direcția inversă („downlink”).

Avantaje [modificare | modificare sursă]

Rețelele mobile celulare GSM oferă o serie de avantaje față de alte soluții tehnice:

GSM Micro SIM Card vs. GSM Mini Sim Card v2.svg

capacitate de transmisie sporită

consum redus de energie

acoperire geografică extensivă

interferențe reduse cu alte semnale

toleranță la greșeli de transmisie sau defecțiuni

latență redusă și stabilitate.

Evoluția GSM [modificare / modificare sursă]

Inițial GSM a fost conceput doar pentru telefonie și transmitere de telefaxuri și alte date la viteză constantă. Succesul Internetului a condus însă și la evoluția standardelor GSM, care azi permit, printre altele, accesul mobil la Internet cu viteze mari. Pentru această, în decursul timpului au fost implementate mai multe standarde GSM, unele dintre ele pentru scopuri speciale: CSD, HSCSD, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, Streaming, Generic Access, Cell Broadcast, BOS-GSM, LTE.

Figura 2.8 Tipuri de cartele GSM

Capitolul 3. Sistemul de dezvoltare Arduino Uno

3.1 Generalitati Arduino

Arduino a început în 2005, ca un proiect pentru studenți la Institutul de design interactiv din Ivrea, Italia. La acel moment studenții programului au folosit un "BASIC Stamp" la un cost de 100 de dolari, considerat scump pentru studenți. Massimo Banzi, unul dintre fondatori, a predat la Ivrea o teză despre hardware si a contribuit la un design de cablare. După ce platforma de cablare a fost completă, cercetătorii au lucrat pentru a le face mai ușoare, mai puțin costisitoare, precum și la dispoziția comunității. Școala, în cele din urmă, a fost închisă, astfel încât acești cercetători, unul dintre ei fiind David Cuartielles, a promovat ideea. Prețurile actuale au rulat în jurul a 30 dolari și "clonele", în jurul a 9 dolari.

Arduino este un microcontroler cu o singură placă, destinat să facă posibilă aplicarea unor obiecte sau medii interactive. Hardware-ul constă într-o placă hardware cu sursă deschisă, conceput în jurul valorii unui microcontroler de 8-biți Atmel AVR sau 32 de biți Atmel ARM. Modelele actuale sunt dotate cu o interfață USB, 6 pini analogici de intrare, precum și 14 pini digitali I/O care permit utilizatorului de a atașa diverse plăci de extensie.

Introdusă în 2005, platforma Arduino a fost proiectată pentru a oferi un mod ieftin și ușor pentru pasionati, studenți și profesioniști de a crea dispozitive care interacționează cu mediul lor, folosind senzori și actuatori. Exemple comune pentru pasionații începători includ roboții simpli, termostatele și detectoarele de viteză. Acesta este dotat cu un mediu de dezvoltare simplu integrat (IDE), care rulează pe calculatoarele personale regulate și permit utilizatorilor să scrie programe pentru Arduino folosind C sau C + +.

Prețurile actuale ale plăcilor Arduino sunt în jurul valorii de 20 € sau 27 dolari și cele clonate 9 dolari. Plăcile Arduino pot fi achiziționate pre-asamblate sau se pot găsi sub forma unor kit-uri care pot fi asamblate. Informațiile de proiectare ale hardware-ului sunt disponibile pentru cei care ar dori să asambleze un Arduino de mână. A fost estimat la mijlocul anului 2011, că peste 300.000 de Arduino au fost produse comercial și, în anul 2013, că 700.000 de panouri oficiale au ajuns în mâinile utilizatorilor.

Hardware

O placă Arduino constă într-un microcontroler Atmel de 8 biți AVR cu componente complementare pentru a facilita programarea și încorporarea în alte circuite. Un aspect important al produsului Arduino este modul standard în care conectorii sunt expuși, permițând plăcii CPU să fie conectată la o varietate de module interschimbabile, cunoscute sub numele de scuturi. Unele scuturi comunică cu placa Arduino direct pe diferite ace, dar multe scuturi sunt adresabile individual printr-o magistrală serială I²C, care permite mai multor scuturi să fie stivuite și folosite în paralel.

Arduino oficial a folosit seria de cip-uri megaAVR, în special ATMEGA8, ATMEGA168, ATmega328, ATmega1280, și ATmega2560. O mulțime de alte procesoare au fost folosite de către produsele compatibile Arduino. Cele mai multe plăci includ un regulator liniar de 5 volți și un oscilator cu cristal de 16 MHz (sau rezonator ceramic, în unele variante), deși unele modele, cum ar fi Lilypad rulează la 8 MHz și dispensează cu regulatorul de tensiune de la bord ca urmare a restricțiilor specifice. Microcontrolerul Arduino este, de asemenea, pre-programat cu un încărcător care simplifică încărcarea programelor de memorie emise de cip, în comparație cu alte dispozitive, care de obicei au nevoie de o programare externă. Acest lucru se face folosind un Arduino mai simplu, permițând utilizarea unui calculator obișnuit ca programator.

La un nivel conceptual, atunci când se utilizează software-ul Arduino, toate plăcile sunt programate printr-o conexiune serială RS-232, dar modul în care aceasta este pusă în aplicare variază în funcție de versiunea de hardware. Plăcile Arduino în serie conțin un circuit cu un nivel schimbător pentru a converti între semnalele la nivel de 232-RS și cele la nivel de TTL. Plăcile Arduino curente sunt programate prin USB, implementate cu ajutorul cip-urilor adaptorului USB, cum ar fi FTDI FT232. Unele variante, cum ar fi Arduino Mini și neoficialul Boarduino, utilizează o placă detașabilă a adaptorului USB sau a cablului, Bluetooth sau alte metode.

Placa Arduino expune cei mai mulți pini ai microcontrolerului I/O pentru utilizarea de către alte circuite. Diecimila, Duemilanove, și curentul Uno oferă 14 pini digitali I/O, dintre care șase pot produce semnale modulate ale lățimii pulsului și șase intrări analogice. Aceste ace sunt pe partea de sus a plăcii, prin intermediul antetelor de 0.10-inch (2,5 mm). Mai multe aplicații plug-in sunt, de asemenea, disponibile în comerț.

Plăcile Arduino Nano și plăcile Bare Bone și cele Boarduino Arduino compatibile pot avea pini antet pe partea inferioară a plăcii pentru a fi conectate la plăcile care nu sunt lipite.

Există multe placi Arduino compatibile și derivate Arduino. Unele sunt funcțional echivalente cu un Arduino și pot fi folosite alternativ. Multe sunt Arduino de bază, cu adaos de drivere cu ieșiri banale, de multe ori pentru a fi utilizate în domeniul educației la nivel de școală, pentru a simplifica construirea cărucioarelor pentru copii și roboți mici. Altele sunt electric echivalente, dar se schimbă factorul formei, uneori, permițând utilizarea în continuare a scutului, uneori nu. Unele variante folosesc procesoare complet diferite, cu diferite niveluri de compatibilitate.

Hardware-ul original Arduino este fabricat de compania italiană prin proiecte inteligente. Unele plăci ale brandului Arduino, au fost concepute de către compania americană SparkFun Electronics. Șaisprezece versiuni de hardware Arduino, au fost produse comercial până în prezent.

Exemple de plăci Arduino:

Figura 3.1 Arduino Diecimila

Figura 3.2 Arduino Duemilanove

Figura 3.3 Arduino UNO

Figura 3.4 Arduino Leonardo

Figura 3.5 Arduino Mega

Arduino și plăcile compatibile Arduino fac uz de circuitul plăcilor de expansiune cu scuturi-imprimate care se conectează în mod normal la antetele pinurilor Arduino. Scuturile pot oferi controale pentru motoare, GPS, ethernet, LCD sau prototipuri.

Exemple de scuturi Arduino:

Figura 3.6 Scut Adafruit Motor cu terminale cu șurub pentru conectarea la motoare

Figura 3.7 Scut Adafruit cu date de logare cu un slot SD și cip cu ceas în timp real

3.2 Hardware Arduino Uno

Prezentare generală

Arduino Uno este o placă cu microcontroler bazată pe ATmega328. Ea are 14 pini digitali de intrare/ieșire (din care 6 pot fi utilizați ca și ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un rezonator ceramic de 16 MHz, o conexiune USB, un jack de putere, un ICSP și un buton de resetare. Aceasta conține tot ceea ce este necesar pentru un microcontroler și se conectează pur și simplu la un computer prin cablul USB sau se alimentează printr-un adaptor AC-DC sau o baterie pentru a funcționa.

Uno diferă de toate plăcile precedente, în care nu se folosesc cip-driverele FTDI USB-to-serial. În schimb, este dotat cu Atmega16U2 (Atmega8U2 versiunea R2), programat ca un convertor USB-to-serial.

Revizia 3 a plăcii are următoarele caracteristici noi:

pinul de ieșire 1.0: pinii adăugați SDA și SCL, care sunt aproape de pinul Aref și alți doi pini noi plasați în apropierea pinului RESET, pinul IOREF permite scuturilor de a se adapta la tensiunea furnizată de placă. În viitor, scuturile vor fi compatibile atât cu plăcile care utilizează AVR, care operează cu 5V și cu Arduino Due, care funcționează cu 3.3V. Al doilea nu este un pin conectat, fiind rezervat pentru scopuri viitoare.

circuit RESET;

Atmega 16U2 înlocuiește 8U2.

Figura 3.8 Sistemul de dezvoltare Arduino Uno

"Uno" înseamnă unu în limba italiană și este numit astfel pentru a marca lansarea viitoare a Arduino 1.0. Uno și versiunea 1.0 vor reprezenta versiunile de referință ale Arduino, mergând mai departe Uno este cel mai recent dintr-o serie de plăci Arduino USB, și modelul de referință pentru platforma Arduino.

Designul de referință Arduino poate utiliza un ATmega8, 168, sau 328. Modelele curente utilizează un ATmega328p. Configurația pinilor este identică în toate cele trei procesoare.

Caracteristici:

Figura 3.9 Sistemul de dezvoltare Arduino Uno

Puterea

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

Puterea externă (non-USB) poate veni fie de la un adaptor AC-DC sau de la o baterie. Adaptorul poate fi conectat prin conectarea unei prize central pozitive de 2.1mm în mufa de alimentare a plăcii. Duce la o baterie care poate fi introdusă în antele pinilor GND și Vin ai conectorului de alimentare.

Placa poate funcționa pe o sursă externă de 6 și 20 de volți. În cazul în care este alimentat cu mai puțin de 7V, cu toate acestea, pinul de 5V poate furniza mai puțin de cinci volți și placa poate fi instabilă. Dacă utilizăm mai mult de 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și poate 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 cei 5 volți prin conexiunea USB sau alte surse de energie reglementate). Putem furniza tensiune prin acest pin, sau, în cazul în care tensiunea trece prin mufa de alimentare, se accesează prin intermediul acestui pin.

5V. Acest pin emite regulat 5V către autoritatea de reglementare de pe bord. Placa poate fi alimentată cu energie electrică, fie de la mufa de alimentare DC (7 – 12V), conectorul USB (5V), sau pinul VIN al plăcii (7-12V). Tensiunea de alimentare prin intermediul pinilor de 5V sau 3.3V ignoră autoritatea reglementării și poate deteriora placa. Nu este recomandat.

3V3. O sursă de 3.3 volți generează reglementarea de la bord. Curentul maxim este de 50 mA.

GND. Ace de la sol.

IOREF. Acest pini de pe placa Arduino, oferă o tensiune de referință cu care funcționează microcontrolerul. Un scut configurat corect, poate citi tensiunea pinilor IOREF și selectează sursa de alimentare corespunzătoare sau permite interpreților de tensiune a rezultatelor de a lucra cu 5V sau 3.3V.

Comunicare

Arduino Uno are o serie de facilități pentru a comunica cu un computer, un alt Arduino sau cu alte microcontrolere. ATmega328 oferă o comunicare serială UART TTL (5V), care este disponibilă pe acele digitale 0 (RX) și 1 (TX). ATmega16U2 de pe canalele de bord are o comunicare serială pe USB și apare ca un port COM virtual pentru software-ul de pe computer. Firmware-ul 16U2 folosește driverele standard COM USB, și nu este nevoie de nici un driver extern.
Cu toate acestea, pe Windows, este necesar un fișier .inf. Software-ul Arduino include un monitor de serie care permite datelor de tip text, simple, să fie trimise la și de la placa Arduino. LED-urile RX și TX de pe bord vor clipi atunci când datele sunt transmise prin intermediul cip-ului USB-to-serial și conexiunea USB la calculator (dar nu pentru comunicarea serială pe pinii 0 și 1).

O bibliotecă SoftwareSerial permite o comunicare în serie pentru oricare dintre pinii digitali Uno.

ATmega328 sprijină, de asemenea comunicarea I2C (DST) și SPI. Software-ul Arduino include o bibliotecă Wire pentru a simplifica utilizarea mașinii I2C.

Resetarea Automată (Software)

Pentru a nu necesita la fiecare resetare a microcontroller-ului o apăsare pe butonul de reset, Arduino Uno este proiectat în așa fel încât resetarea să poate fi făcută de software în timp ce este conectat la calculator. Una dintre liniile de control ale fluxului de date (DTR – Data Terminal Ready) ale microcontroller-ului este conectată la linia de resetare ATmega328 printr-un condensator de 100nF. Când această linie este considerată pornită (considerată LOW), linia de resetare scade suficient timp cât să se poată reseta circuitul. Software-ul Arduino folosește această capacitate pentru a putea încărca orice cod dorit de programator printr-o simplă apăsare a unui buton, butonul de Upload, în mediul Arduino.

Acest lucru înseamnă că durata de încărcare este scăzută semnificativ (bootloader cu timp redus de expirare, deci semnalul DTR poate coordona mai repede încărcarea, o poate începe mai rapid). Această capacitate are și alte implicații. Când placa este conectată la calculator, fie Mac sau Linux, se resetează de fiecare dată când o conexiune software este făcută (prin USB). Pentru 500ms spre o secundă, bootloader-ul se rulează pe Arduino.

Deși este programat să ignore orice dată compromisă sau indescifrabilă (de exemplu tot ce nu este uploadat drept cod nou), el va intercepta primii biți de date trimiși de placă după ce conexiunea a fost deschisă. Drept consecință trebuie să ne asigurăm că pentru rularea unui program pe placă să așteptăm cel puțin o secundă dupa ce s-a efectuat conexiunea. Altfel nu ne vom putea explica nefuncționalitatea acesteia.

Figura 3.10. Grafic corespunzător duratei de resetare (măsurat)

Protecție de suprasarcină USB

Arduino Uno este dotat cu o siguranță programabilă care protejează porturile USB ale calculatorului de scurt sau suprasarcină. Deși majoritatea sistemelor sunt dotate cu astfel de protecție, ne putem asigura că platforma nu poate afecta cu nimic calculatorul. Dacă pe USB sunt aplicați mai mult de 500mA, siguranța întrerupe automat conexiunea până când se revine la parametrii normali.

Caracteristici fizice

Lungimea maximă și lățimea PCB-ului Uno sunt de 2,7 respectiv 2,1 inch, cu conectorul USB și mufa de alimentare care se extind dincolo de fosta dimensiune. Patru orificii pentru șuruburi permit plăcii să fie atașată la o suprafață sau la o carcasă. Distanța dintre acele digitale 7 și 8 este de 0,16 ", cu niciun multiplu al distanței față de ceilalți pini.

3.3 Programarea

Platforma de procesare Arduino Uno poate fi programată cu software-ul propriu. Pentru a programa placa, trebuie urmați câțiva pași esențiali, elementari. Trebuie selectat din meniul programului placa pe care dorim să lucrăm. Dacă nu se selectează corect placa de lucru semnalul codificat/decodificat va fi diferit de la placă la placă și nu va putea fi interpretat. După ce am selectat placa de lucru, va trebui să selectăm portul de intrare în calculator. Trebuie verificat unde este citită platforma de procesare de către pentru a putea selecta din meniul programului acest lucru.

Figura 3.11. Selectarea plăcii potrivite din meniul programului Arduino

Figura 3.12 Selectarea portului potrivit din meniul programului Arduino

Zona de meniu conține mai multe butoane interactive după cum urmează:

Verifică programul pentru erori

Incarcă programul în placa de dezvoltare

Crează un nou proiect

Deschide un proiect

Salvează proiectul curent

Monitorizare serială – acest buton este folosit pentru comunicarea prin portul serial cu calculatorul

Microcontroller-ul Atmega328 de pe platformă vine scris cu un program de rulare care permite încărcarea unui cod nou fără folosirea de alte circuite adiționale, elemente hardware adiționale. Comunicarea calculator-platformă se face folosind protocolul STK500. Se poate de asemenea evita programul de rulare folosind header ICSP.

Mediul de dezvoltare integrat Arduino (IDE) este o aplicație de platformă scrisă în Java, și este derivată din IDE pentru limbajul de programare de prelucrare și proiectele de cablare. Acesta este conceput pentru a introduce programarea chiar și tuturor nou-veniților care nu sunt familiarizați cu dezvoltarea de software. Include un editor de cod cu caracteristici, cum ar fi evidențierea assyntax-ului, de potrivire a legăturii și o aliniere automată, și este, de asemenea, capabil să compileze și să încarce programe cu un singur clic. Un program sau un cod scris pentru Arduino este numit o "schiță".

Programele Arduino sunt scrise în C sau C + +. Arduino IDE vine cu un software numit "cablare" din cadrul proiectului de cablare inițial, ceea ce face ca multe operații comune de intrare / ieșire să fie mult mai ușoare. Utilizatorii trebuie doar să definească două funcții pentru a face un program executiv ciclic să meargă:

Configurare (): o funcție rulează o singură dată, la începutul unui program care poate inițializa setările

deschidere (): o funcție numită în mod repetat până când puterile plăcile dispar

Figura 3.13 Exemplu program simplu Arduino

Un prim program tipic pentru un microcontroler simplu face ca LED-urile să clipească. În mediul Arduino, utilizatorul ar putea scrie un program de genul acesta:

void setup () {

pinMode (LED_PIN, OUTPUT);

}

void loop () {

digitalWrite (LED_PIN, HIGH);

delay(1000);

digitalWrite (LED_PIN, LOW);

delay(1000);

}

Aceasta este o caracteristică pe care mai multe plăci Arduino cu led care au o caracteristică convenabilă pentru multe teste simple. Codul anterior nu s-ar fi vazut cu un program compilator standard C + +, astfel încât atunci când utilizatorul face clic pe butonul "Încărcați placa la O/ I" în IDE, o copie a codului este scrisă într-un fișier care are un antet suplimentar în partea de sus și o funcție() principală foarte simplă, în partea de jos, pentru a se realiza un program C + + valid.

Arduino IDE folosește instrumentul GNU și AVR Libc pentru a compila programe, și folosește Avrdude pentru a încărca programe.

Așa cum platforma Arduino utilizează microcontrolere Atmel, mediul de dezvoltare Atmel, AVR Studio sau mai nou Atmel Studio, pot fi de asemenea folosite pentru a dezvolta software-ul pentru Arduino.

3.4 Mediul de dezvoltare Arduino IDE

Placile Arduino și Arduino – compatibile pot utiliza diferite scuturi (shield) – placi imprimate de extensie care se conectează la Arduino furnizand astfel posibilitatea extinderii capabilitatilor placii de dezvoltare. Shieldurile pot  permite controlul motoarelor, GPS, ethernet, display-uri LCD, sau breadboarding (prototipuri).
       Mediul de dezvoltare integrat Arduino (IDE ) este o aplicație cross-platform scrisă în Java. Acesta este conceput pentru a introduce in arta programarii nou-veniții nefamiliarizați cu dezvoltarea de software. Mediul de dezvoltare Arduino include un editor de cod cu o serie de caracteristici, cum ar fi evidențierea sintaxei, indentarea automata, și este de asemenea, capabil de compilarea și încărcarea programelor in placa de dezvoltare cu un singur clic. Un program sau cod scris pentru Arduino este numit ” schiță ” (sketch).
       Programele Arduino sunt scrise în C sau C++. Pentru executia ciclica a unui program, utilizatorul nu trebuie decat sa defineasca doua functii:
setup ( ) : o funcție ce ruleaza o singură dată, la începutul unui program, care are rolul de a initializa setările programului;
loop ( ) : o funcție ce ruleaza în mod repetat până la intreruperea alimentarii placii de dezvoltare;
Primul program scris pentru microcontrolere, este acela de a face un LED sa clipeasca la un anumit interval de timp.

Schema logica a programului software

Figura 3.14. Schema soft “TX”

Figura 3.15. Schema soft “RX”

Comunicatia serială si USB ( convertorul de comunicație CH340)

Se folosește comunicația serială între microcontroller și alte subsisteme, pentru economie de pini la capsulă • Multe MC au incluse atât interfețe de comunicare sincrone cât și asincrone – Interfața serială asincronă este numită de obicei “serial communication interface” (SCI sau UART) – Interfața serială sincronă e numită de obicei “serial peripheral interface” (SPI)

De obicei o magistrală serială sincronă include o linie separată de clock – se simplifică astfel interfața între emițător și receptor – linia de ceas e susceptibilă la zgomot în cazul distanțelor mari

La magistrala serială asincronă ceasurile emițătorului și receptorului sunt independente și se face o re-sincronizare pentru fiecare bit supă bitul de start.

Utilizate, în general, pentru a conecta circuite periferice la microcontroller, în cadrul unui EmS, aceste interfețe permit conectarea de dispozitive diverse, cum ar fi:

ceas de timp real (RTC – real-time clock);

memorii nevolatile pentru stocarea unor parametrii;

interfețe cu senzori și multe altele.

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 maximă specificată de aceste versiuni este de 12 Mbiți/s. Această rată de transfer este suficientă pentru periferice cum sunt telefonul sau difuzorul digital (care conține un convertor digital-analogic).

Pentru periferice 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 versiunea 1.1, de la 12 Mbiți/s până la 480 Mbiți/s. Această extensie a specificațiilor 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 de rețea, unități de discuri magnetice sau unități de discuri optice.

Perifericele USB 2.0 cu viteze de transfer superioare sunt conectate la un distribuitor USB 2.0. Un distribuitor USB 2.0 acceptă 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 permite 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 ridicată a distribuitoarelor și necesită memorarea temporară a datelor recepționate. Un distribuitor USB 2.0 are porturi de ieșire pentru transferuri cu viteză ridicată și porturi de ieșire pentru transferuri cu viteză normală.

Specificațiile inițiale ale magistralei USB au definit două tipuri de mufe (fișe), amplasate la capetele unui cablu USB, și două tipuri de socluri, amplasate într-un distribuitor sau periferic. Mufele și soclurile sunt denumite de tip A și de tip B. Distribuitoarele (de exemplu, cele ale unui calculator gazdă) conțin un soclu rectangular de tip A. Perifericele se conectează la acest soclu printr-o mufă rectangulară de tip A.

Cablurile care sunt atașate permanent la periferice conțin o mufă de tip A. De obicei însă, perifericele sunt conectate printr-un cablu detașabil. Perifericele conțin un soclu pătrat de tip B, iar cablul care conectează perifericele la un distribuitor conține o mufă de tip B la capătul care se conectează la periferic și o mufă de tip A la capătul care se conectează la distribuitor. În acest fel, nu este posibilă conectarea incorectă a cablului.

Figura 3.16 Comunicație serială și USB

Un cablu USB 2.0 transmite și tensiunea de alimentare pentru periferice pe liniile VBUS și GND. Tensiunea pe linia VBUS este de +5 V la sursă. Pentru a asigura nivele de tensiune corecte 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 (12 Mbiți/s) și cele cu viteză redusă (1,5 Mbiți/s).

La capătul cablului din partea distribuitorului, se utilizează terminatori rezistivi de 15 K, prin intermediul cărora liniile 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.

Capitolul 4. Sisteme de comunicatie radio (wireless)

4.1 Generalitati, tipuri de sisteme RF

Serviciul de radiofuziune, potrivit reglementarilor in radiocomunicatii, reprezinta un serviciu de radiocomunicatii în care transmisiunile sunt destinate receptiei directe de catre marele public. Acest serviciu include transmisiunile sonore (radiofonice), de televiziune sau alte genuri de transmisiuni.

Radiocomunicatiile, în sens larg, studiaza procesele de transmitere a informatiilor prin unde radio.

Din acest punct de vedere problematica radiocomunicatiilor poate fi structurata astfel:

captarea informatiilor de natura sonora si / sau vizuala si transformarea acestora în semnale electrice;

prelucrarea si transmiterea la distanta a semnalelor electrice purtatoare de informatii;

receptia semnalelor electrice si extragerea din acestea a informatiilor.

Transmiterea informatiilor prin unde electromagnetice prezinta urmatoarele avantaje:

informatia, element fundamental în diferite domenii, se transmite fara a avea nevoie de un canal fizic (suport material), deci este economica;

posibilitatea de a transmite informatia simultan la mai multi beneficiari (utilizatori); transmiterea informatiei simultan la un numar arbitrar de receptoare de la un loc emitator se numeste difuziune;

posibilitatea transmiterii simultane a mai multor informatii (sunet, imagine, etc.);

raza de actiune foarte mare, între puncte fixe sau mobile.

Transmiterea si receptia la distanta a unor sunete, date, sau imagini cu ajutorul undelor electromagnetice reprezinta legaturile radio sau radiocomunicatiile – în general.

Un sistem de radiocomunicatii pentru radio sau pentru televiziune, deci pentru servicii de radiodifuziune, poate fi definit ca un complex de echipamente legate între ele prin functiuni specifice, realizat în scopul stabilirii si mentinerii unui anumit tip de legaturi la distanta prin unde radio.

Sistemul de radiodifuziune este alcatuit dintr-un emitator si unul sau mai multe receptoare în compunerea carora se afla urmatoarele blocuri functionale principale:

dispozitiv de intrare;

instalatia de emisie;

antena de emisie;

antena de receptive;

instalatia de receptie;

dispozitiv de iesire.

Emitatorul asigura captarea informatiilor de natura auditiva sau /si vizuala pe care le transforma în semnale electrice prin intermediul dispozitivului de intrare. În instalatia de emisie se realizeaza codificarea informatiei, suprapunerea acesteia pe semnalul purtator prin procesul de modulare si se asigura prin amplificare energia necesara propagarii semnalelor prin unde electromagnetice care sunt radiate de antena de emisie.

Receptorul capteaza undele electromagnetice cu ajutorul antenei de receptie, selecteaza semnalele electrice din canalul ce contine informatiile utile, le amplifica si le decodifica, apoi prin demodulare extrage semnalul de informatie pe care îl converteste în semnal sonor sau vizual, cu ajutorul dispozitivului de iesire (difuzor, tub catodic, etc.). Legaturile radio, care se stabilesc între corespondenti, pot functiona numai într-un singur sens, de la emitator la receptor, sau în ambele sensuri, daca fiecare corespondent dispune atât de emitator cât si de receptor.

Comunicatiile prin unde radio, care se desfasoara într-un singur sens sunt caracteristice transmisiilor de radiodifuziune si de televiziune, prin care se transmit informatii destinate marelui public. În aceste situatii se foloseste un singur emitator si mai multe receptoare dispuse în teritoriu la distante si directii diferite.

În functie de tipul informatiei transmise, radiocomunicatiile pot fi:

pentru transmitere de sunet (vorbire, muzica) prin telefonie, radiodifuziune, în care informatia se capteaza si se reda prin traductoare electroacustice (microfoane si difuzoare);

pentru transmitere de text prin telegrafie, teletext;

pentru transmitere de imagini fixe prin telefax, videotext;

pentru transmitere de imagini mobile prin televiziune;

pentru transmitere de date în sisteme teleinformatice.

Sistemul de comunicatii cuprinde ansamblul mijloacelor tehnice al instalatiilor de emisie si de receptie pentru realizarea legaturilor între sursa si destinatie. În cazul transmisiilor analogice marimea fizica corespunzatoare informatie modifica parametri semnalului purtator (amplitudine, frecventa, faza) proportional cu legea de variatie a semnalului de informatie.

Spre deosebire de acestea, comunicatiile digitale transmit informatia dupa ce aceasta a fost convertita în semnal digital (numeric) care la apoi asigura modularea (codificarea) unei purtatoare de radiofrecventa. În sistemele de radiocomunicatii sunt necesare blocuri functionale care sa asigure la emisie: prelucrarea informatiilor de la sursa de informatie, transformarea acestora în unde electromagnetice si emiterea lor în spatiu, iar la receptie refacerea informatiei initiale.

În acest scop sistemele de radiocomunicatii contin:

antene de emisie si receptie;

oscilatoare pentru generarea frecventelor de lucru;

modulatoare pentru introducerea semnalului de informatie pe semnalul purtator;

filtre pentru introducerea sau extragerea numai a anumitor componente a semnalului de informatie;

blocuri de multiplexare atunci când se urmareste introducerea a mai multor semnale de intrare pe acelasi semnal purtator;

demodulatoare pentru extragerea informatiei din semnalul purtator;

amplificatoare pentru marirea puterii semnalelor;

circuite de conversie analog-digitale si digital-analogice în cazul transmisiilor digitale.

Pentru transmiterea semnalelor vocale (vorbire, muzica) acestea se aplica unui traductor acustoelectric (microfon) care le transforma în semnale de audiofrecventa în domeniul 30…20000 Hz.

4.2 Benzi libere pentru comunicatii comerciale (CB, 433, 868, 2.4GHz)

Multe dintre aplicațiile cu microcontroller necesită o transmisie de date fără fir. Comunicațiile fără fir înseamnă transferul informației prin intermediul câmpului electromagnetic în gama de frecvență 9kHz-300GHz. Spectrul electromagnetic este o resursă publică și alocarea gamelor de frecvențe pentru diferite transmisii se realizează de către organisme naționale și internaționale. În spectru există benzi de frecvență pentru care trebuie licență și benzi libere, așa cum este banda ISM (Industrial, Scientific and Medical – 2,4GHz).

Figura 4.1 Transceiver integrat NRF24L01

Unitatea wireless de 2,4GHz integrată în sistemul pe cip nRF52 a fost îmbunătățită, dar rămâne compatibilă cu seria nRF51 și cu dispozitivele nRF24L și nRF24. Ea are o sensibilitate de recepție maximă (RX) de -96dB și o ieșire maximă TX de +4dBm, care poate fi reprogramată cu un increment de 4dB. Acest aspect crește bugetul legăturii cu până la 8dB față de generația anterioară. Astfel se oferă o gamă mai mare și o transmisie mai robustă în banda adesea folosită de 2,4GHz.

Modulul necesită de asemenea până la 30% mai puțină putere față de seria nRF51. Curenții de vârf RX și TX la 0dBm sunt 5,5mA, în vreme ce TX crește la 7mA la +4dBm. Filtrul balun integrat în nRF52 face să nu mai fie necesar un astfel de filtru extern.

4.3 Antene si propagare radio in spatii deschise

Antenele sunt componente ale tuturor sistemelor electronice care depind de spațiul liber ca mediu de propagare. Ele joacă un rol important în determinarea caracteristicilor sistemelor cărora le aparțin, comportându-se ca interfețe între spațiul liber, pe de o parte, și emițătoare sau receptoare, pe de altă parte.

Energia dată de o sursă de curent continuu sau de curent alternativ pentru ca să devină energie radiată, trebuie transformată mai întâi în energie de înaltă frecvență. Curenții de înaltă frecvență intră în antenă care transformă energia lor în energie radiată sub forma undelor electromagnetice. În cazul recepției undelor electromagnetice, fenomenele se desfășoară în sens invers.

Antenele pot fi clasificate din multe puncte de vedere, astfel:

după principiul de funcționare:

electrice;

magnetice.

după forma elementului radiant:

liniare;

de suprafață.

după destinație:

de emisie;

de recepție;

mixte.

Antenele ideale sunt antene teoretice care se folosesc pentru definirea unor parametrii ai antenelor sau ca etaloane pentru antenele reale.

Ca exemple de antene de referință sunt cunoscute:

Dipolul Elementar Electric sau elementul de curent electric;

Dipolul Elementar Magnetic sau elementul de curent magnetic;

Radiatorul Izotrop Punctiform.

Comunicațiile în microunde prezintă diferențe majore față de cele în unde scurte sau ultrascurte, în primul rând datorită atenuării mult mai mare de propagare și datorită nereflectării microundelor de către straturile superioare ale atmosferei; această ultimă proprietate este folosită în comunicațiile prin satelit.

Precipitațiile atmosferice introduc o atenuare suplimentară, care depinde de intensitatea fenomenului (ploaie, ceață, ninsoare), atenuare ce devine importantă la frecvențe de peste 10 GHz. Datorită propagării fără reflexii, în principiu, emițătorul și receptorul trebuie să fie plasate la limita de vizibilitate directă, deci antenele trebuie să fie înălțate pentru a compensa curbura pământului și a depăși eventualele obstacole de pe traseu. Pierderile mari în atmosferă se compensează cu antene directive cu câștig mare, antene realizabile datorită lungimii de undă mici.

Ca urmare a folosirii antenelor directive alinierea antenelor se face mai dificil, deoarece deschiderea unui fascicul de 10 GHz pentru o antenă parabolică cu diametru de 1,2 m, este de 1,60 la 3 dB. Fascicolul de microunde poate fi deviat de la traseul drept datorită variației coeficientului de refracție al atmosferei, care poate fi favorabil în sensul măririi orizontului radioelectric, dar poate acționa și în sens contrar, în special la temperaturi ridicate ale atmosferei. Ca și la frecvențele joase, perturbațiile introduse de traseele multiple ale semnalului, cunosc că fenomenul de fading, sunt importante și pot reduce mult distanța de transmisie.

Antenele utilizate în sistemele de comunicații prezintă caracteristici specifice care le scot în evidență performanțele constructive și funcționale. Parametrii electrici ai antenelor sunt în strânsă dependență de frecvența sau gama de frecvență pentru care au fost realizate. Principalii parametrii electrici ai antenelor sunt: – funcția de directivitate; – puterea radiată; – rezistența de radiație.

4.4 Sisteme integrate de comunicatie (transceivere integrate – nRF24)

Dezvoltarea tehnologicǎ în domeniul electronicii digitale a dus, printre altele, la dezvoltarea unor tehnici avansate de comunicații, bazate pe semnale digitale. Schema bloc a unui sistem tipic de comunicații digitale.

Figura 4.2. Schema transceiverului integrat nRF2

Semnalul mesaj poate fi preluat fie de la o sursǎ analogicǎ (voce) fie de la una digitalǎ (calculator). Convertorul A/D eșantionează și cuantizeazǎ semnalul analogic transformându-l în formǎ digitalǎ (biți 1 sau 0).

Codorul sursei realizează o primă operație de codare, cu scopul aducerii rezultatului conversiei A/D într-o formă mai scurtă. Se obține astfel un semnal cu redundanțǎ mai scǎzutǎ, dar și o vitezǎ de transmisie crescută (reduce banda necesară transmisiei). Codorul de canal îl readuce într-o formă mai lungă, adăugându-i intenționat o informație redundantă pentru a putea realiza corecția erorilor cauzate de zgomotele și interferențele aferente canalului de transmisie. Datorită faptului că transmisia se face la frecvențe înalte, rolul modulatorului este acela de a transfera banda de bază a semnalului util, în jurul unei purtătoare. Aceasta se alege astfel încât rezultatul să se situeze în banda canalului de transmisie.

Transmisia la înaltă frecvență necesită modularea și demodularea pe o frecvență intermediară IF. Această variantă necesită un bloc modulator suplimentar inserat între modulator și amplificatorul de putere. Dacă frecvența intermediară IF este prea aproape de purtătoare, sunt necesare mai multe etaje de modulare. Pentru sisteme fără fir (wireless) sarcina amplificatorului de putere este antena de emisie.

Mediul de transmisie este numit uzual canal (de transmisie). Aici se adaugă zgomote, atenuări și apare fenomenul de fading (semnalul ajunge pe două căi cu întârzieri diferite). Zgomotele pot fi de orice tip și se pot datora unor cauze externe sau chiar sistemului. Receptorul realizează procesarea inversă a semnalului fată de emițător. Astfel semnalul slab recepționat (de către antena de recepție la sistemele wireless), este amplificat (cu un amplificator de zgomot redus LNA), convertit într-o frecvență intermediară (dacă este necesar) și dacă este necesar este demodulat.

Urmează apoi înlăturarea redundanței și refacerea semnalului original înainte de a fi trimis către utilizator (analogic sau digital). Schemele reale ale unui sistem de comunicație pot fi mult mai complicate. Ele pot conține multiplexoare, codoare, etc., sau pot fi mult mai simple. În general singurele blocuri esențiale sunt modulatorul, canalul, demodulatorul și amplificatoarele. Caracteristicile canalului de comunicație joacă un rol important în alegerea, studierea și proiectarea schemelor de modulație. Acestea din urmă sunt studiate pentru diferite canale de transmisie, cu scopul de a le afla performanțele și a le compara.

Tehnologia comunicațiilor mobile este considerată a fi elementul care stă la baza IoT. Cei care doresc să evite instalarea de module de comunicații mobile pentru a conserva mai mult viața bateriei, pentru a reduce dimensiunile sau costurile, sau pentru a evita dependența de un singur furnizor, pot utiliza telefoanele mobile ca poartă și să conecteze dispozitivele cu ajutorul noii tehnologii Bluetooth Smart, cunoscută adesea ca BLE (Bluetooth Low Energy).

În acord cu cele declarate de Grupul SIG (Bluetooth Special Interest Group), în 2016 vor fi instalate peste un miliard de cipuri BLE, cu seria nRF51 utilizată deja în nenumărate aplicații. Acum următoarea generație apare pe piață sub forma nRF52. Acesta își depășește predecesorul în multe aspecte – performanțe superioare de aproape 10 ori în procesarea datelor, eficiență energetică îmbunătățită pentru aplicații. O altă nouă caracteristică este eticheta pe cip NFC™ pentru conexiuni prietenoase prin atingere.

4.5 Sisteme globale de comunicatii radio

Sistemul de telefonie celulară pan-european, cunoscut sub denumirea GSM (sistem global de telecomunicații mobile – Global System for Mobile Communications), a început să fie utilizat din anul 1991. GSM a permis realizarea unei capacități de 5-10 ori mai mare față de capacitatea rețelor celulare analogice. Acest spor s-a datorat mai multor mecanisme:

Înlocuirea transmiterii semnalului vocal prin modulație de frecvență, cu transmiterea prin modulație numerică. Transmiterea numerică este mult mai rezistentă la interferențe și permite reducerea distanței relative de reutilizare a frecvențelor, acceptând rețele de reutilizare cu N=3 sau N=4.

Introducerea controlului puterii la emisie, a saltului de frecvență (FH) și a emisiei discontinue (DTX) care permit controlul interferențelor în rețea.

Folosirea metodei de acces TDMA, implementată pe mai multe purtătoare radio, reduce timpul de transfer între celule, prin implicarea terminalului mobil. Astfel, devine posibilă utilizarea microcelulelor (celule cu raza sub 2km), care aduc o sporire suplimentară a capacității. ¾ Rețeaua GSM este concepută ca o rețea inteligentă (IN – Intelligent Network).

Rețelele de radiocomunicații mobile numerice, din care face parte și GSM ca standard european, dispunând de o mare varietate de mesaje de semnalizare, simplifică și îmbunătățesc funcțiile legate de mobilitate.

Aceasta se realizează prin procedeele de localizare și înregistrare automată în rețea. ¾ Sistemul GSM are la bază standardele definite pentru servicii, interfețe între funcții/subsisteme și arhitectura protocolului de Coferința Europeană pentru Poștă și Telecomunicații CEPT (Conferénce Européene des Postes et Télécommunications). Spre deosebire de alte rețele celulare, care oferă numai standardele pentru interfața radio și interferențele cu alte rețele, în cazul GSM, sunt definite toate interferențele. Specificațiile concrete ale sistemului sunt elaborate de Institutul European de standarde în Telecomunicații, ETSI (European Telecommunications Standards Institute). ¾ GSM este descris în 161 de recomandări care se întind pe mai bine de 6000 de pagini.

Respectarea acestora garantează:

funcționarea oricărui tip de echipament mobil în orice rețea GSM;

interconectarea corectă a echipamentelor și programelor livrate de diferiți fabricanți.

Sistemul GSM este un sistem bidirecțional și nu se limitează numai la asigurarea de servicii telefonice, de calitatea celor terestre, pentru echipamente portabile și mobile.

Dintre alte numeroase facilități se remarcă:

Înglobarea unor caracteristici ISDN cum ar fi:

numerotare completă ISDN;

Transmisiuni de date cu viteze până la 9,6 kbit/s.

Admiterea de transmisiuni de faximile (Grupul 3 FAX=analog), cu toate că reluarea transmisiei, datorită cerințelor de sincronizare și probabilității de eroare pe canalul radio, conduce la limitări tehnice serioase.

Transmiterea de mesaje asigurând două servicii:

Serviciul pentru mesaje scurte punct la punct, SMSPP;

Serviciul pentru mesaje scurte difuzate în toată celula, SMSCB. Calitatea comunicației în fonie este superioară față de sistemele analogice în cazul unui raport semnal/zgomot (interferență) mai mic. De asemenea, viteza transmisiunilor de date este mai mare dacât în cazul sistemelor analogice, iar rata erorilor este mai mică.

Canalele de control și de comunicație sunt totdeauna sub controlul BSC. Cu toate acestea, o serie de mesaje de semnalizare, asociate unei conexiuni stabilite, nu sunt afectate, în mod direct, de BSC. Pentru acestea controlerul este transparent, un simplu releu de transfer, Nu există o alocare fixă a canalelor radio utilizate de stația de bază la circuitele telefonice terestre care ajung la controlerul acesteia.

Dacă selectarea unui canal radio cade în sarcina controlerului, selectarea liniei terestre este realizată de centrală; cele două circuite sunt conectate în matricea de comutare din controlerul stației de bază. GSM este un sistem de telefonie celulară cu inteligență distribuită în sensul că nu toate activitățile sunt coordonate de centrala abonaților mobili. Matricea de comutare proprie controlerului stațiilor de bază permite transferul (pe durata convorbirii) între două echipamente de emisie/recepție din subordine, fără a implica central.

Prin semnalizare, în cazul rețelelor telefonice clasice, se înțelege transferul de mesaje între centrale pentru alocarea unei linii de comunicație. Sunt cunoscute două metode de semnalizare: în banda de comunicație sau prin rețea semafor. În primul caz, stabilirea unei conexiuni necesită ocuparea unui circuit de comunicație, până la centrala destinatarului, pentru transferul informațiilor de semnalizare (numărul abonatului). Dacă linia abonatului apelat este ocupată, nu se poate realiza conexiunea și circuitul de comunicație a fost ocupat inutil. În cazul apelurilor internaționale, ineficența este datorată nu numai costului liniei dar și duratei de stabilire a unei conexiuni, care poate ajunge până la o jumătate de minut. Realizarea transferului într-o astfel de situație, operație care implică stabilirea unei noi conexiuni terestre și desfacerea celei vechi, ar întrerupe convorbirea pe o durată inacceptabilă.

Prin utilizarea unei rețele de semnalizare diferită de rețeaua telefonică se elimină inconvenientele enumerate anterior. Acesta este cazul semnalizării prin canal semafor, standardizată de CCITT în recomandările Q700, cunoscute și sub denumirea CCITT 7 sau SS7. Rețelele de telecomunicații moderne beneficiază de funcțiuni noi prin utilizarea sistemului de semnalizare 7, ca mecanism de transport pentru controlul apelurilor și tranzacțiilor cu bazele de date. Comutarea de pachete specifică protocolului satisface cerințele de timp real ale aplicațiilor legate de mobilitate. Primitivele și funcțiile definite pentru partea de aplicații mobile ca și arhitectura, care permite manipularea informațiilor dintr-o multitudine de baze de date, facilitează implementarea de noi funcții. După cum s-a mai spus, GSM reprezintă un prim pas către rețelele inteligente deoarece el integrează sistemul de semnalizare 7.

Figura 4.3. Sisteme inteligente de comunicatie (GSM)

Capitolul 5. Realizarea practică

5.1 Schema bloc a proiectului

Figura 5.1. Schema bloc pentru “TX” și “RX”

5.2 Descrierea realizarii practice

Sistemul automat de avertizare in caz de accident a fost realizat sub forma a doua module separate, fiecare din ele are ca element principal un microcontroller Atmega328 produs de ATMEL, acesta are un procesor pe 8 biti, memorie FLASH de 32kByte, un convertor analog-digital pe 10 biti, interfata UART, SPI si I2C.

Figura 5.2. Microcontrollerul ATmega 328

Conexiunea cu PC-ul se realizeaza prin intermediul unui convertor USB-Serial, acesta permite atat transmiterea de mesaje si comenzi pe UART dar si programarea microcontrolerului utilizand software-ul gratuit furnizat de Arduino. Microcontrolerul ATmega328 utilizat este prevazut cu un bootloader special ce permite programarea prin interfata UART (pinii RX si TX notati in schema).

Convertorul USB-Serial trimite un semnal de RESET catre microcontroler atunci cand incepe secventa de programare, astfel pentru o perioada foarte scurta ruleaza bootloaderul si incarca fisierul program in memoria FLASH a microcontrolerului. Semnalul de RESET se transmite prin intermediul unui condensator cu rol de decuplare in curent continuu deoarece ne intereseaza doar fronturile semnalului de RESET, astfel s-a utilizat C1 de 100nF.

Figura 5.3. Convertor USB-Serial

Tensiunea de alimentare pentru intreg sistemul este preluata de la portul USB al PC-ului cat si de la acumulatorul de 12V al autoturismului.

Pentru alimentarea de la USB este prevazut un filtraj suplimentar realizat cu L1, C2 si C3. Acest grup de componente realizeaza un filtru trece-jos ce elimina riplul si zgomotele de inalta frecventa ce pot aparea pe cablul de conexiune USB.

S-a prevazut suplimentar o dioda de protectie la tensiune inversa (D2), aceasta poatea aparea la o inversare accidentala a alimentarii sau prin autoinductie la deconectarea cablului USB.

Atunci cand sistemul este alimentat de la o tensiune externa de 12V se foloseste un regulator liniar de 5V pentru generarea tensiunii de functionare, suplimentar s-a prevazut dioda D1 pentru a preveni inversare accidentala a polaritatii alimentarii. Pentru buna functionare a regulatorului de tensiune se utilizeaza condensatori pentru condensatori de filtraj si deparazitare de zgomote (C1, C2, C3).

Semnalizarea prezentei tensiunii de alimentare se face printr-un LED conectat la borna de intrare a tensiunii de 12V, curentul prin LED este limitat la circa 10mA cu ajutorul rezistorului R2.

Tensiunea de alimentarea de 3.3V necesara transceiverului de radio frecventa este generata cu ajutorul unui regulator liniar de tensiune MCP1824, acesta este special realizat pentru a putea functiona cu tensiuni mici de intrare, astfe se reduce disipatia termica si creste randamentul. Pentru buna functionare a regulatorului de 3.3V producatorul recomanda utilizarea condensatoarelor ceramice de deparazitare (C6 si C10).

Pentru semnalului de ceas am folosit un cristal de quartz de 16MHz (X1) conectat la microcontroler prin intermediul a doi pini dedicati pentru oscilatorul extern. Pentru buna functionare a oscilatorului extern, producatorul recomanda conectarea a doi condensatori ceramici de 22pF (C8, C9) conform schemei din foaia de catalog a microcontrolerului.

Rezistorul R3 are rolul de a dezactiva starea de Reset a microcontrolerului atunci cand acesta se afla in starea normala de functionare.

Semnalizarea activitatii microcontrolerului se face printr-un LED rosu conectat la unul din porturile sale, curentul prin LED este limitat la circa 10mA cu ajutorul rezistorului R1.

Sistemul masoara nivelul acceleratiei pe toate cele 3 axe (X, Y, Z) folosind un accelerometru digital integrat de tipul MMA8452, acesta trimite datele catre microcontroler prin intermediul comunicatiei I2C.

Microcontrolerul interpreteaza datele primite si in cazul aparitiei unei situatii periculoase va semnaliza optic (prin intermediul luminilor de frana si avarie) dar va trimite si un mesaj radio catre celelalte dispozitive aflate in zona.

Dupa expedierea mesajului radio sistemul asteapta o confirmare de primire, altfel va continua sa expedieze mesajul si sa semnalizeze avaria pana cand se apropie alt autovehicul si receptioneaza mesajul.

La primirea mesajului, componenta “slave” a sistemului va semnaliza pericolul prin aprinderea luminilor de avarie pentru un timp presetat.

Sistemul radio de comunicatie este realizat pe baza unui transceiver integrat de tipul nRF24L01, acesta poate functioa atat in mod de emisie cat si receptie, astfel s-a putut implementa functia de confirmare a primirii mesajului. Transceiverul nRF24 are un consum redus si functioneaza in banda libera de 2.4GHz.

Figura 5.4 Consumul in functie de puterea de emisie

Puterea maxima de emisie este de 0dBm dar exista disponibile variante de module cu amplificator RF separat si antena externa, acestea ajung la puteri de circa 20dBm si au o raza de comunicatie de minim 500m in camp deschis.

Comunicatia dintre microcontroler si transceiver se realizeaza prin intermediul unei magistrale SPI, aceasta permite transferul rapid al datelor, viteza de transfer poate ajunge si la cativa Mb/s.

Pentru lumini s-au utilizat benzi cu LED alimentate direct la 12V, pentru comanda lor s-au folosit tranzistoare MOSFET de tip IRLML2502 (Q1 si Q2), acestea primesc semnalul de comanda direct de la microcontroler si pot controla consumatori de pana la 3A.

Rezistoarele R6 si R7 au rolul de a tine la masa potentialul de poarta al tranzistoarelor atunci cand microcontrolerul nu este pornit sau este in stare de ”Reset”pentru a evita pornirea aleatorie a luminilor. Diodele D2 si D3 protejeaza circuitul electronic impotriva tensiunilor inverse ce pot aparea la comutarea unor sarcini ce contin si o componenta inductiva.

Figura 5.5 Principalele caracteristici electrice ale tranzistoarelor IRLML2502

Pentru functia GSM s-a utilizat un modul model SIM800L, acesta se alimenteaza la o tensiune de circa 4.4V, astfel a fost prevazuta o dioda D4 conectata in serie cu alimentarea modulului pentru a reduce tensiunea. Modulul GSM comunica cu microcontrolerul prin intermediul unor comenzi AT trimise prin comunicatie seriala.

Condensatorul C11 are rolul de a furniza curentul necesar in modul de emisie al modulului, atunci se pot inregistra varfuri mari de consum si din acest motiv se poate opri modulul GSM din functionare.

Figura 5.6 Modulul GSM/GPRS SIM800L

Grupul R5, R8, R9 si Q3 formeaza un convertor de nivel logic pentru a translata semnalul provenit de la modulul GSM catre microcontroler, acest circuit este necesar din cauza diferentei de nivel logic dintre cele doua.

Rezistorii R10 si R11 formeaza un divizor rezistiv cu rolul de a micsora valorea nivelului logic al semnalului ce provine de la microcontroler si care merge catre modulul GSM.

Figura 5.7 Schema bloc a arhitecturii microcontrolerului Atmega328

5.2.1 Procesul de realizare

Sistemul este alcatuit din doua placi identice, una din ele avand rol de „master” si cealalta de „slave”, astfel placa „slave” are aceeasi arhitectura doar ca nu va fi populata cu module de accelerometru si GSM.

Cablajul celor doua dispozitive a fost realizat pe un singur strat folosind o placa de steclotextolit de 1.5mm grosime. Anumite trasee au fost necesare cateva sarituri executate pe celalalt strat al cablajului. Pentru protectia cablajului impotriva oxidarii a fost aplicat un strat de lac dupa ce au fost lipite toate componentele.

Prelucrarea cablajului si gaurirea s-a realizat cu ajutorul unei masini de frezare automata (CNC) produsa, aceasta ofera o precizie de 0,1mm la executarea traseelor. Cele mai mici gauri utilizate au fost de 0,6mm, in rest s-au folosit gauri de 0,8mm pentru ciruite integrate si de 1,2mm pentru conectori.

Au fost utilizate in special componente de tip SMD, doar in cazul anumitor componente mai voluminoase (Led-uri, condensator electrolitic, cristal de cuart) au fost folosite componente in capsula THT. Conectorii utilizati sunt de tipul rigleta cu surub sau bareta de pini tata cu pas de 2.54mm.

Figura 5.8 Proiectul cablajului imprimat

5.2.2 Rezultatul final

Figura 5.9. Cablaj frezat fara componente

Figura 5.10. Cablaj frezat cu componente

Figura 5.11. Cablaj “RX” față

Figura 5.12. Cablaj “TX” față

Figura 5.13. Cablaj “RX” și “TX”

5.2.3 Schema electrică

Figura 5.14. Schema sistemului

Concluzii:

Prin această lucrare am abordat realizarea unui sistem ce poate avea aplicații reală și poate rezolva unele probleme cotidiene ce apar din ce în ce mai des in viața noastră. Siguranța a devenit in prezent unul din factorii cei mai importanți din industria auto, cele mai performante autovehicule sunt în general și cele mai sigure, acest lucru ajută de asemenea foarte mult în campania de marketing si de vânzare. Numărul mașini și traficul sunt ambele in creștere, din acest motiv numărul de accidente este și el foarte mare, exista multa sisteme care ajută la prevenirea unui accident, iar sistemul creat de mine poate intra în această categorie.

Pentru obținerea unor performanțe bune s-au utilizat componente electronice dedicate, în special sub formă de circuite integrate, acestea garantează performanțe foarte bune la costuri reduse. Componentele utilizate în proiect sunt foarte comune, astfel au fost disponibile sufficient de multe date care să le caracterizeze și care m-au ajutat în partea de proiectare. Pană in momentul de față s-au efectuat teste de funcționare doar in condiții de laborator, urmează sa se testeze sistemul și în condiții reale prin instalarea pe un autovehicul.

GSM ul este un modul care funcționează în România la o frecvență de 900 MHz/s si 1800MHz/s. Modulul este unul de tip Quad band, care suportă 2G si GPRS. Acesta poate funcționa la temperaturi cuprinse între -40 grade si +85 grade. Puterea maximă acceptată pentru ca acest modul să poată fi omologat este de 2W, aceasta diferă de la țară la țară.

Cu ajutorul antenei pe care am atașat-o, acum modulul GSM are o putere de emitere de până la 50m.

Accelerometrul este un senzor ce se bazează pe o comunicație nu foarte rapidă (I2C). Principiul de funcționare al accelerometrului se bazează pe o structură de masă ce se deplasează liber în interiorul unei carcase de-a lungul axelor de sensibilitate ale accelerometrului, structură prinsă cu arcuri. Corpul senzorului măsoară poziția masei inerțiale relativ la carcasa accelerometului. Astfel, se poate trage concluzia că accelerometrele sunt capabile să măsoare accerelația negravitațională (ceea ce se datoreză unei forțe specifice imprimate dispozitivului). Portofoliul de accelerometre între 100g … 250g este soluția ideală pentru aplicății în industria auto.

Țînând cond că o mașină scoate între 12-15 V, am stabilit că plăcuțele care simulează un sistem auto, să funcționeze la o tensiune cuprinsă între 7-20 V. Datorită faptului că microcontrolerul folosit, modul GSM și accelerometrul funcționează la 5V, iar tranciverul la 3,3V, am folosit 2 regulatoare de tensiune care suportă până la 20V și care ne vor ajuta să reglăm tensiunea in funcție de nevoie.

Pentru o mai bună funcționare cablajul este făcut pe un singur strat. În momentul în care au apărut trasee care riscă să se intersecteze, am folosit un pas, astfel încât traseele să nu se intersecteze. Stratul albastru se numeste SMT, iar cel roșu THT. Componentele se regăsesc atât pe partea SMT, cât și pe THT.

Bibliografie

[1] Mihaiu Mircea “Dispozitive si circuite electronice”-Volumul 1, Editura Spirit Romanesc, (Craiova 1996)

[2] Cigudean Mircea “Circuite integrate liniare”, Editura FACLA , (Timișoara 1986)

[3] Analog inSITE from e-inSITE , “The e-letter for Electronics Professionals in Analog Design” http://www.e-Insite.net (April 24, 2002)

[4] Dumitru D.Sandu “Dispozitive și circuite electronice”, Editura Did.și Ped, (București 1975)

[5] Ioan Ardelean “Circuite integrate CMOS” Ed.tehnică, (București 1986).

[6] I.Spânulescu „Dispozitive semiconductoare și circuite integrate analogice”, (Ed. Victor 1998)

[7] P.,Constantin “Electronică industrială, Ed.Did.și Ped.” ( București 1983)

[8]Tehnologii moderne de monitorizare și conducere pentru clădiri inteligente

[9] Senzori wireless și sisteme înglobate în controlul proceselor

[10] L. Festila – "Circuite integrate analogice I", editura Casa Cartii de Stiinta, 1997

[11] L. Festila – "Circuite integrate analogice II", editura Casa Cartii de Stiinta, 1999

[12] D. Csipkes – "Circuite integrate analogice. Circuite fundamentale", editura Casa Cartii de Stiinta, 2007

[13] P.E. Allen, D. Holberg – "CMOS analog circuit design", Second Edition, editura Oxford Press, 2003

[14] B. Razavi – "Design of Analog CMOS Integrated Circuits", editura McGraw-Hill, 2000

[15] SENZORI si AUTOMATE PROGRAMABILE Prof.univ.dr.ing. Ovidiu POPOVICI 2007

[16] “Senzori și Automate Programabile”

Autor: Prof. Univ. Dr. Ing. Ovidiu Popovici (2007)

[17]Dascălu, D. ș.a.: Dispozitive și circuite electronice. Editura Didactică și Pedagogică,București, 1982

[18] Ristea, I. și Popescu, C.A.: Stabilizatoare de tensiune. Editura Tehnică, București,

[19]Manolescu, A. ș.a.: Circuite integrate liniare. Editura Didactică și Pedagogică,București, 1983

[20] https://ro.wikipedia.org/wiki/Traductor

[21] https://aei.geniu.ro/downloads/st/STcurs1.pdf

[22] http://electronica-azi.ro/2012/10/01/senzorii-de-acceleratie-de-la-freescale/

Anexe

Anexa 1: Programul pentru “RX”

/* ################ program RX ############### */

#include <SPI.h>

#include "RF24.h"

#define LED A0

#define avarii A1

#define buzzer A2

bool radioNumber = 0; //nr dispoiztivului, 0 sau 1 pt RX/TX

RF24 radio(10,9); //comunicatia SPI, definire pini CE si CSN

byte addresses[][6] = {"1Node","2Node"};

int durata_semnalizare=5000; //durata semnalizare = 5 secunde

unsigned long timp_curent=-durata_semnalizare;

void setup() {

pinMode(LED, OUTPUT);

pinMode(avarii, OUTPUT);

pinMode(buzzer, OUTPUT);

Serial.begin(115200); //viteza comunicatie seriala 115200 b/s

Serial.println(F("Start dispozitiv RX"));

radio.begin(); //init

radio.setPALevel(RF24_PA_LOW); //setare nivel putere, RF24_PA_MAX

// Open a writing and reading pipe on each radio, with opposite addresses

radio.openWritingPipe(addresses[0]);

radio.openReadingPipe(1,addresses[1]);

radio.startListening(); // Start the radio listening for data

} //end setup

void loop() {

/****************** RX mode ***************************/

unsigned long buffer; //stocheaza caracterul primit

if( radio.available()){ // Variable for the received timestamp

while (radio.available()) { // While there is data ready

radio.read( &buffer, sizeof(unsigned long) ); // Get the payload

}

radio.stopListening(); // First, stop listening so we can talk

radio.write( &buffer, sizeof(unsigned long) ); // Send the final one back.

radio.startListening(); // Now, resume listening so we catch the next packets.

digitalWrite(LED,HIGH);

Serial.println("Trimis raspuns de confirmare");

delay(100);

tone(buzzer, 2900, 3000); //pin, frecventa in Hz,durata in milisecunde tone(pin, frequency = 2.9kHz, duration= 3 secunde)

digitalWrite(LED,LOW);

timp_curent=millis(); //memoreaza momentul de timp cand are loc evenimentul

}

if(millis()-timp_curent<durata_semnalizare){ //clipeste avarie timp de 5 secunde

Serial.println("pornit lumini avarie");

digitalWrite(avarii, HIGH);

digitalWrite(LED, HIGH);

delay(500);

digitalWrite(avarii, LOW);

digitalWrite(LED, LOW);

delay(500);

}

} // end Loop

Anexa 2: Programul pentru “TX”

/*

program TX cu accelerometru

*/

#include <Wire.h> // library for I2C

#include <SparkFun_MMA8452Q.h>

MMA8452Q accel(0x1C); // Initialize the MMA8452Q with an I2C address of 0x1C (SA0=0)

#include <SPI.h> //librarie SPI

#include "RF24.h" // librarie nRF24

#define LED A0 //definire LED rosu pe portul A3

#define stopuri A1 //definire LED stopuri pe portul D7

#define avarii A2 //definire LED stopuri pe portul D8

bool radioNumber = 1; //setare mod de emisie/receptie 1/0

RF24 radio(10,9); //definire pini folositi de SPI pentru semnalele CE, CSN

byte addresses[][6] = {"1Node","2Node"};

int i=0; //variabila pt FOR-uri

bool coliziune=0; //flag de semnalizare eveniment coliziune

int durata_semnalizare=5000; //durata de 5 secunde de semnalizare eveniment

unsigned long timp_curent=-durata_semnalizare; //stocheaza momentul curent de timp pt a sti cat timp a trecut de la ultima semnalizare

void setup() { //ruleaza o singura data

pinMode(LED, OUTPUT); //setare LED-uri ca iesiri

pinMode(stopuri, OUTPUT);

pinMode(avarii, OUTPUT);

for(int j=0;j<10;j++){ //clipeste LED de 10 ori la pornire

digitalWrite(LED, HIGH); //aprinde LED

delay(50);

digitalWrite(LED, LOW); //stinge LED

delay(50);

}

Serial.begin(115200); //viteza de comunicatie pt Seriala

Serial.println("START program"); //afisare mesaj de start

accel.init(); //initializare accelerometru prin apelare functie din biblioteca

radio.begin(); //init nRF24

radio.setPALevel(RF24_PA_LOW); // setare nivel putere de emisie la minim RF24_PA_MAX

if(radioNumber){ //daca e in emisie

radio.openWritingPipe(addresses[1]); //creaza canal de comunicatie

radio.openReadingPipe(1,addresses[0]);

}else{

radio.openWritingPipe(addresses[0]); //daca e in receptie

radio.openReadingPipe(1,addresses[1]);

}

radio.startListening();

} //end setup

void loop() { //bucla infinita

// ################## accelerometru ##################

if (accel.available())

{

accel.read(); //citeste datele

delay(10);

}

if(accel.cx<-1.2 )coliziune=1; //tine cont doar de socurile de pe axa X, seteaza flag coliziune

// if(accel.cx<-1 || accel.cy<-1 || accel.cz<-1)coliziune=1; //tine cont de toate axele, merge si la rasturnare

// ################## functie radio ##################

if(coliziune){ //daca a avut loc o coliziune

coliziune=0; //reseteaza flag

timp_curent=millis(); //memoreaza momentul de timp cand a avut loc evenimentul

radio.stopListening(); // opreste receptia

Serial.println(F("Trimitere…")); //trimite mesaj pe seriala

char mesaj_TX = 'a'; //setam ce mesaj sa fie trimis

if (!radio.write( &mesaj_TX, 1)){ // trimite mesaj radio catre celalalt modul nRF24

Serial.println(F("fail")); //daca nu e trimis printeaza FAIL

}

radio.startListening(); // Now, continue listening

unsigned long started_waiting_at = millis(); // Set up a timeout period, get the current microseconds

boolean timeout = false; // Set up a variable to indicate if a response was received or not

while ( ! radio.available() ){ // While nothing is received

if (millis() – started_waiting_at > 100 ){ // If waited longer than 100ms, indicate timeout and exit while loop

timeout = true;

break;

}

}

if ( timeout ){ // Describe the results

Serial.println(F("Pachet pierdut, retrimite…"));

coliziune=1; //reinitializeaza flag pentru a retrimite pachet

}else{ //daca a primit confirmare

digitalWrite(LED, HIGH);

char mesaj_RX; // Grab the response, compare, and send to debugging spew

radio.read( &mesaj_RX, 1); //citeste mesajul de la placa RX

unsigned long end_time = micros();

Serial.println("Trimis OK ");

Serial.println("Primit OK ");

Serial.print("Nr eveniment:");

Serial.println(i++); //incrementeaza nr de evenimente

delay(100);

digitalWrite(LED, LOW);

Serial.println();

}

delay(10);

}

// ############ comanda lumini stopuri si avarii ##########

//millis() – numara in milisecunde timpul trecut de la inceputul programului

if(millis()-timp_curent<durata_semnalizare){ // daca au trecut mai putin de 5 secunde de la eveniment

Serial.println("pornit lumini avarie");

digitalWrite(stopuri, HIGH); //aprinde LED-uri

digitalWrite(avarii, HIGH);

digitalWrite(LED, HIGH);

delay(500);

digitalWrite(avarii, LOW);

digitalWrite(LED, LOW);

delay(500);

}

else digitalWrite(stopuri, LOW); //dupa 5 secunde stinge avarii, stopuri, tot

} // end Loop