F 271.13Ed.3 Document de uz intern [604159]

UNIVERSITATEA PETROL – GAZE DIN PLOIEȘTI
FACULTATEA: INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ
PROGRAMUL DE STUDII: AUTOMATICĂ ȘI INFOR MATICĂ APLICATĂ
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

PROIECT DE DIPLOMĂ

Conducător științific:
Conf. dr. ing. Mihalache Sanda Florentina
Absolvent: [anonimizat]
2019

F 271.13/Ed.3 Document de uz intern

Anexa 8

MINISTERUL EDUCAȚIEI NAȚIONALE
UNIVERSITATEA PETROL – GAZE DIN PLOIEȘTI
FACULTATEA: INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ
DEPARTAMENTUL: AUTOMATICĂ, CALCULATOARE ȘI ELECTRONICĂ
PROGRAMUL DE STUDII: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

Vizat
Facultatea IME
Aprobat,
Director de departament,
Prof.dr.ing. Pătrășcioiu Cristian

PROIECT DE DIPLOMĂ

TEMA: Studiul și proiectarea unui sistem automat de udare
a plantelor de apartament

Conducător științific:
Conf. dr. ing. Mihalache Sanda Florentina
Absolvent: [anonimizat]
2019

F 272.13/Ed.2 Document de uz intern

UNIVERSITATEA PETROL – GAZE DIN PLOIESTI Anexa 9
FACULTATEA: INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ
DOMENIUL: INGINERIA SISTEMELOR
PROGRAMUL DE STUDII: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

Aprobat,
Director de departament,
Prof.dr.ing. Pătrășcioiu Cristian Declar pe propria răspundere că voi elabora personal proiectul
de diplomă și nu voi folosi alte materiale documentare în afara
celor prezentate la capitolul „Bibliografie”.

Semnătură student(ă):
DATELE INIȚALE PENTRU PROIECTUL DE DIPLOMĂ
Proiectul a fost dat student: [anonimizat]/student: [anonimizat]: Dumitrescu Alexandra Maria

1) Tema proiectului : Studiul și proiectarea unui sistem automat de udare a plantelor de apartament

2) Data eliberării temei: 1.10.20 18
3) Tema a fost primită pentru îndeplinire la data: 1.10.2018
4) Termenul pentru predarea proiectului: 19.07.2019
5) Elementele inițiale pentru proiect: Documentație pentru traductor, microcontroler, motor+pompă , MOSFET, afișaj
LCD

6) Enumerarea problemelor care vor fi dezvoltate: 1. Noțiuni generale despre sistemul de măsurare și reglare a umidităț ii
2. Proiectarea sistemului automat de udare a plantelor de apartament
3. Implementarea sistemului automat de udare a plantelor de apartament
7) Enumerarea materialului grafic (acolo unde este cazul):

8) Consultații pentru proiect, cu indicarea părților din proiect care necesită consultarea:

Conducător științific: Conf. dr. ing. Student(ă) : Dumitrescu Alexandra Maria
Mihalache Sanda Florentina
Semnătura: Semnătura:

F 273.13/Ed.2 Document de uz intern

UNIVERSITATEA PETROL – GAZE DIN PLOIESTI Anexa 10
FACULTATEA: INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ
DOMENIUL: INGINERIA SISTEMELOR
PROGRAMUL DE STUDII: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

APRECIERE
privind activitatea absolvent: [anonimizat] : Dumitrescu Alexandra Maria
în elaborarea proiectului de diplomă cu tema: Studiul și proiectarea unui sistem automat de udare a plantelor de
apartament

Nr. crt. CRITERIUL DE APRECIERE CALIFICATIV
1. Documentare, prelucrarea informațiilor din bibliografie
2. Colaborarea ritmică și eficientă cu conducătorul temei proiectului de diplom ă
3. Corectitudinea calculelor, programelor, schemelor, desenelor, diagramelor și
graficelor
4. Cercetare teoretică, experimentală și realizare practică
5. Elemente de originalitate (dezvoltări teoretice sau aplicații noi ale unor teorii
existente, produse informatice noi sau adaptate, utile în aplicațiile inginerești)
6. Capacitate de sinteză și abilități de studiu individual
CAL IFICATIV FINAL
Calificativele pot fi: nesatisfăcător/satisfăcător/bine /foarte bine /excelent .

Comentarii privind calitatea proiectului:
________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________ ________________________________
________________________________________________________________________________________________
________________

Data:
Conducător științific :
Conf. dr. ing. Mihalache Sanda Florentina

Cuprins

Introducere …………………………………………………………………………………………………………….. ….6
Capitolul 1. Noțiuni generale despre sistemul de măsurare și reglare a umidității …………. 7
1.1 Definirea sistemului de măsurare și reglare automat ă …………………………………………………. 7
1.2 Studiul umidității solului ………………………………………………………………………………………… 7
1.3 Studiul automatizării proceselor cu efect de seră ………………………………………………………… 8
1.4 Structura și principiul de funcționare al unui sistem ……………………………………………………. 9
1.5 Elementele componente ale unu i sistem ………………………………………………………………….. 11
1.5.1 Traductoare …………………………………………………………………………………………………1 1
1.5.1.1 Traductoare de umiditate ………………………………………………………………………. 12
1.5.2 Regulatoare ………………………………………………………………………………………………… 13
1.5.2.1 Regulator bipozițional ………. …………………………………………………………………. 13
1.5.3 Elemente de execuție ……………………………………………………………………………………. 15
1.5.3.1 Pompa ……………………………… ……………………………………………………………….. 16
Capitolul 2. Proiectarea sistemului automat de udare a plantelor de apartament ………… 18
2.1 Schema conexiunilor sistemului ……………………………………………………………………………..18
2.2 Schema bloc a sistemului ………………………………………………………………………………………18
2.3 Principiul de fun cționare al sistemului …………………………………………………………………….19
2.4 Prezentarea elementelor componente ale sistemului …………………………………………………. 20
2.4.1 Traductor de umiditate a solului capacitiv ………………………………………………………..20
2.4.1.1 Specificații ale traductorului de umiditate a solului ……………………………………2 1
2.4.1.2 Intervalul de calibrare a traductorului de umiditate a solului ……………………….2 1
2.4.1.3 Aplicații ale traductorului de umiditate a solului ……………………………………….2 2
2.4.2 Microcontrolerul ATMEGA 328p -PU ………………………………………………………. ……2 2
2.4.2.1 Semnificația pinilor microcontrolerului ATMEGA 328p -PU ……………………..2 3
2.4.2.2 Specificațiile microcontrolerului ATMEGA 328p -PU ……………………………….25
2.4.2.3 Aplicații ale microcontrolerului ATMEGA 328p -PU ………………………………..26
2.4.3 Pompa peristaltică ………………………………………………………………………………………..2 7
2.4.3.1 Caracteristicile pompei peristaltice ………………………………. ………………………..2 8
2.4.3.2 Aplicații ale pompei peristaltice ……………………………………………………………..2 8
2.4.4 Afișaj LCD 1602 cu modul I2C ………………………………………………………………………2 9
2.4.4.1 Semnificația pinilor modulului I2C ………………………………………………………… 30
2.4.4.2 Specificațiile afișajului LCD 1602 cu modul I2C ………………………………………3 1
2.4.5 MOSFET -ul IRLZ44N ………………………………………………………………………………….3 1
2.4.5.1 Configurația pinilor MOSFET -ului IRLZ44N ……………………………… ………….3 4
2.4.5.2 Caracteristicile MOSFET -ului IRLZ44N …………………………………………………3 4
Capitolul 3. Implementarea sistemului automat de udare a plantelor de apartament …..35
3.1 Schema electrică a sistemului . ………………………………………………………………………………..3 5
3.2 Descrierea funcționării sistemului din punct de vedere electric ……………………………………3 5
3.3 Codul sursă ………………………….. ……………………………………………………………………………..3 6

3.4 Poze din timpul realizării montajului ………………………………………………………………………. 41
3.5 Rezultate experimentale ………………………………………………………………………………………..4 4
Concluzii …………………………………………………………………………………………………………….. …..47
Bibliogra fie …………………………………………………………………………………………………………….. .48
Rezumat în limba engleză …………………………………………………………………………………….. ……50

6
Introducere

Pentru că în zilele noastre, în epoca electronicii și tehnologiei avansate, viața ființei
umane ar trebui să fie mai simplă și mai convenabilă, este nevoie de multe sisteme automate
capabile să înlocuiască sau să reducă efortul uman în activitățile și locurile de muncă zilnice.
La mijlocul secolului XX, apariția motoarelor diesel și electrice au condus la sisteme
care puteau p ompa ape subterane din straturile acvifere majore mai repede decât bazinele de
drenare le -ar putea umple. Acest lucru poate duce la pierderea permanentă a capacității
acvifere, scăderea calității apei, scăderea solului etc.
În afară de toate aceste problem e și de eșecuri, a exi stat o evoluție considerabilă a
metodelor de efectuare a irigării cu ajutorul tehnologiei. Aplicarea tehnologiei în domeniul
irigației s -a dovedit a fi de mare ajutor deoarece aceasta oferă eficiență și precizie.
Deoarece udarea neregulată a plantelor conduce la pierderea mineralelor din sol și poate
duce la putrezirea lor, putem ști cumva dacă solul trebuie să fie udat și, dacă da, exact când
trebuie să udăm plantele .
Plantele sănătoase pot transpira multă apă, rezultând într-o creștere a umidității aerului.
O umiditate relativ ridicată a solului (peste 80 -85%) ar trebui să fie evitată, deoarece poate
crește incidența bolii și transpirația plantelor. Valori mai mari ale umidității solului stimulează
transpirația (dar prea mari, pe ste 80 -85%, poate provoca ofilirea), iar valori mai mici inhibă
transpirația și pot duce la condensare pe frunze.
Aici se va introduce sistemul automat de udare a plantelor, care este considerat unul
dintre cele mai frecvent utilizate și cele mai benefice sisteme automatizate din zilele noastre,
care ajută oamenii în activitățile zilnice prin reducerea sau înlocuirea efortul ui lor.
Prezentul proiect a fost structurat în 3 capitole după cum urmează:
Capitolul 1, numit „Noțiuni generale despre sistemul de măsurare și reglare a
umidității ”, include informații generale despre sistemele de reglare automată și despre studiul
temei prezentului proiect.
Capitolul 2, numit „Proiectarea sistemului automat de udare a plantelor de
apartament ”, include schema conexiunilor și schema bloc a sistemului, principiul de
funcționare al acestuia și prezentarea principalelor elemente componente.
Capitolul 3, numit „Implementarea sistemului automat de udare a plantelor de
apartament ”, include schema electrică a sistemulu i automat de udare a plantelor de apartament,
descrierea funcționării sistemului din punct de vedere electric , codul sursă pe baza căruia
funcționează sistemul , poze din timpul realiz ării acestuia și rezultate experimentale .

7
Capitolul 1 . Noțiuni generale despre sistemul de măsurare și
reglare a umidității

În acest capitol se prezintă informații generale despre sistemele de reglare automată și
despre studiul temei prezentului proiect.

1.1 Definirea sistemului de măsurare și reglare automată
Prin sistem se va înțelege un ansamblu de elemente ce interacționează între ele și cu
exteriorul, în vederea atingerii unei finalități (sens, obiectiv, scop) [3].
Sistemul automat este un sistem tehnic de s upraveghere, comandă și control al
proceselor și instalațiilor tehnologice, fără intervenția directă a omului [3].

1.2 Studiul umidității solului
Umidit аteа sаu conținutul de аpă аl solului, reprezintă cаntitаteа de аpă cаre este legаtă
în mod fizic de pământ, în momentul când se f аce recolt аreа și cаre se evаporă l а 105°C.
Umidit аteа solului depinde de climă, n аturа și încli nаțiа solului și de veget аție. Împreună cu
temper аturа, umidit аteа solului influențe аză, în m аre măsură аctivit аteа biologică și deci
cаpаcitаteа de аutopurific аre[5].
Umidit аteа solului se po аte determin а „in situ”, în sol recolt аt și prin observ аții directe,
în funcție de аpа existent ă[5].
Pentru deducere а umidității „in situ” se utilize аză:
– metod а rаdioаctivă de măs urаre cаre folosește sonde cu neutron introduse direct în sol;
– metod а conductometrică аi cărei electrozi sunt inseraț i în sol, conductibilit аteа electrică fiind
influenț аtă de umiditate[ 5].
Umidit аteа, determin аtă în sol recolt аt:
Rezult аtele dobândite în urm а аnаlizelor de l аborаtor se referă de obicei l а solul zvânt аt
lа temper аturа de 1055C. Rec аlculаreа rezult аtelor l а sol usc аt lа 1055C este folosito аre,
întrucât volum ul de аpă reținut de sol este in stаbil în timp, în r аport cu umidit аteа relаtivă а
аerului cu temper аturа din c аmerele unde sunt ținute probele de s ol și cu textur а lor. De аceeа
determin аreа umid ității solului se face simultan cu efectu аreа аnаlizelor [6].

8
Stаbilire а umidităț ii higroscopice а solului, se b аzeаză pe pierdere а аpei hig roscopice,
аceаstа se efectue аză prin zvânt аreа solului î ntr-o etuvă electrică la temper аturа de 1055C
unde se ține până când greut аteа solului rămâne const аntă, 6-8 ore [6].
Principiul metodei: solul se zvântă lа temper аturа de 105C până аjunge lа o greut аte
stаbilă și аpoi se cântăreșt e. Diferenț а de greut аte rezult аtă înаinte și după uscаre, repr ezintă
umidit аteа care se r edă procentu аl[6].
Umidit аtea solului, determin аtă prin observ аții directe , se po аte clаsificа аstfel:

– Grаdul 1 – sol usc аt, ce nu răcește mâinile. Nisipu l curge, аrgila este uscаtă, în grăunțe mаri.
Ținându -se lа soаre, аcestа nu se decolore аză prin zv ântаre.
– Grаdul 2 – sol ce аre аspect fr аged, răcește ușor mâinile și se decolore аză fo аrte puțin prin
uscаre.
– Grаdul 3 – sol umed, provo аcă o răcire vizibilă а mâinilor, prin usc аre se decolore аză. Nisipul
se lipește puțin, аrgilele și argilo -nisipuril e se le аgă, d аr se sp аrge ușor.
– Grаdul 4 – sol umed ce încă nu lucește, d аr lа soаre se decolore аză intens . Lа pipăit este rece
și umed, punându -se o hârtie pe el se udă . Pe mâinile p răfuite forme аză pete închise l а culoаre.
– Grаdul 5 – sol umed, аcestа lucește dаtorită аcoperirii lui cu o peliculă de аpă. Se
cаrаcterize аză prin fluidit аte, nu se lipește , ci m аi mult se întinde [5].
Umidit аteа crescută a solului poаte provoc а dаune m аri plаntelor. Din аceastă c аuză,
plаntele se pot îmbolnăvi și putrezi. De аsemene а, o lipsă de umidit аte contribuie l а uscаreа
solului și , implicit, а plаntelor. Există аnumite v аlori de pr аg cаre nu аr trebui depășite [12].
Vаloarea optimă а umidității solului pentru pl аnte este de obicei consider аtă cа fiind
cuprinsă între 65 -85%. Tr аductorul de umidit аte po аte fi leg аt prin microcontroler de irig аreа
аutom аtă și de аsigur аreа norm аlizării v аlorii, ponind s аu oprind pomp а de аpă[12].

1.3 Studiul automatizării proceselor cu efect de ser ă
Randamentul unei sere depinde de furnizarea celor mai confortabile condiții pentru
plante. Microclimatul trebuie să fie echilibrat în toți parametr ii. Pen tru a îndeplini toți
parametrii necesari, este utili zată automatizarea cu efect de seră[12].
Prin crearea unor sisteme care pot îndeplini independent funcțiile necesare pentru o
perioadă lungă de timp fără intervenția omului , îngrijirea plantelor este mult simplificată.
Astfel de metode convenabile includ:
– udarea automată ;
– instalarea ventilației forțate și naturale;

9
– încălzirea aerului și a solului;
– iluminat artificial și natural [12].
Există trei metode de automatizare a serelor:
– electrică ;
– hidrauli că;
– bimetalic ă[12].
În fiecare caz, există plusuri și minusuri. O seră inteligentă cu conexiune electrică
necesită cabluri adecvate și sigure. Dacă se utilizează o baterie, aceasta trebuie încărcată
periodic. Metoda necesită părți mai scumpe care nu pot fi produse independent. Plusul acestei
metode este precizia ridicată a prelucrării și posibilitatea unui grad înalt de autonomie. De
exemplu, irigarea automată prin picurare este mai ușor de reglat la viteza și volumul dorit . Cu
toate acestea, dependența automatizării de electricitate poate duce la p ierderea plantelor în cel
mai scurt timp posibil. În timpul iernii, este suficient pentru aceasta 1 -2 ore din cauza eșecurilor
în furnizarea de energie electrică [12].
Datorită metodei hidraulice , va fi posibilă st abilirea unei bune ventilații a sistem ului
automat de irigare prin p icurare. Nu este nevoie de o conexiune electrică la rețea. Lucrarea unui
astfel de sistem implică schimbări de presiune sau temperatură. Datorită acestui fapt, are loc
auto-irigarea serelor [12].
Cel de -al treilea tip este instalar ea unei ventila ții autonome. Cu ajutorul aceste ia este
posibilă reglarea ferestrelor automate pentru sere. În centrul schemei se află o placă bimetalică .
Este fabricat ă din două materiale cu grade diferite de expansiune a temperaturii. În cazurile în
care aerul se încălzește mai mult decât indicele necesar, se produce deformarea plă cii, datorită
căreia se deschid ferestrele . Când temperatura începe să scadă, ferestrele automate pentru seră
se întorc în poziția inițială închisă [12].
Ferestrele de ventilație trebuie amplasate cât mai sus posibil de la podea, opțiunea
ideală se află pe acoperișul serei, deoarece a erul rece este mult mai greu decât aerul cald. Cu
alte cuvinte, aerul rece este întotdeauna mai aproape de podeaua din incinta unde su nt situate
plant ele. Dacă ușile din seră sunt închise etanș și nu au fisuri, acest lucru va contribui, de
asemenea, la o ventilație optimă. Aerul rece, care pătrunde prin ferestrele amplasate la înălțime
mare, este amestecat cu aerul superior cu efect de seră. În acest fe l, se schimbă căldura și
umiditatea, și ca rezultat, plantel e se simt destul de confortabil [12].

1.4 Structura și principiul de funcționare al unui sistem
Un sistem de reglare automată (SRA) este un sistem tehnic cu ajutorul căruia se
urmărește aducerea sau menținerea valorii mărimii de ieșire dintr -un proces la o valoare de
referință în mod automat, fără intervenția omului, pe baza unei legi de reglare[1].

10
Sistemul de reglare automată cuprinde în structura sa: regulator (R), element de
execuție (EE), proces (P) și traductor (T)[1].
Sistemul conține și următoarele mărimi : mărimea de intrare sau de referință (r),
mărimea de comandă (c), mărimea de execuție (u), mărimea perturbatoare (v), măsura (m) și
mărimea de ieșire (y) [1].

Fig. 1.1 Schema bloc detaliată a unui SRA (a – după efect, b – după cauză)[1]

Regulatorul (R) generează comenzile astfel încât să se îndeplinească obiectivul reglării
(menținerea sau aducerea stării curente a unui proces la o anumită stare de referință) [1].
Elementul de execuție (EE) are rolul de a aplica comanda re gulatorului (c) în proces [1].
Procesul (P) este un sistem supus unor acțiuni externe numite perturbații (v1, v2) și
acțiunii comenzii generate de regulator (c) prin intermediul mărimii de excuție (u) al
elementului de exec uție (EE) .
Traductorul (T) furnizează informația cu privire la starea cure ntă a procesului, prin
măsurare (m)[1].

11
Problema reglării constă în elaborarea unei comenzi (c) asupra procesului reglat (P),
astfel încât mărimea de ieșire a procesului (y) să urmărească cât mai aproape o mărime de
referință dată (r), în condițiile acțiunii perturbațiilor (v1 și v2) asupra procesului. Comanda este
elaborată de către un element decizional, numit regulator (R), după un algoritm adecvat (lege
de reglare), pe baza v alorii curente a mărimii reglate (ieșirea procesului – y), a referinței (r) și
a perturbațiilor măsurate (v1) [1].

1.5 Elemente le componente ale unui sistem

1.5.1 Traductoare
Rolul traductorului este acela de a furniza informația referitoare la valoarea curentă a
mărimii reglate, prin măsurare [1].
Un traductor este compus din două elemente:
– elementul sensibil (senzorul) – care preia mărimea ce trebuie măsurată și o transformă într -o
mărime de natură mecanică, de obicei o deplasare;
– adaptorul – care transformă mărimea mecanică într -o mărime electrică sau pneumatică, ce
poate fi ulterior prelucrată în cadrul SRA. Acesta realizează, de asemenea, amplificarea și
filtrarea semnalului de intrare, primit de la senzor și compensarea comportamentului neliniar
al senzoru lui[1].
Semnalul transmis de traductor poate fi:
– analogic :
– în tensiune: 0…5 V, 0…10 V sau -5…+5 V;
– în curent: 2…10 mA sau 4…20 mA.
– numeric :
– logic: 0 sau 1;
– în impulsuri:
– cu frecvență variabilă;
– cu lățime de impuls variabilă ;
– mesaj numeric[1] .

12
1.5.1.1 Traductoare de umiditate
Traductoarele de umiditate a solului măsoară conținutul de apă volumetrică în sol.
Deoarec e măsurarea gravimetrică directă a umidității în sol recoltat necesită uscarea și
ponderarea unei probe, traductoarele de umiditate a solului măsoară indirect conținutul de apă
volumetrică prin utilizarea alto r proprietăți ale solului, precum rezistența electrică, constanta
dielectrică sau interacțiunea cu neutronii, ca o ap roximare a conținutului de apă di n sol[8].
Relația dintre proprietatea măsurată și umiditatea solului trebuie calibrată și poate varia
în funcție de factorii de mediu, cum ar fi tipul solului, temperatura sau conductivitatea
electrică [8].
Rezistența electrică a solului :
Pentru a determina conținutul de umiditate al solului, se măsoară cât de mult rezistă
pământul la fluxul de energie electrică dintre doi electrozi [8].
Constanta dielectrică poate fi considerată ca fiind capacitatea solului de a transmite
energia electrică. Constanta dielectrică a solului crește odată cu creșterea conținutului de apă
al solului. Acest răspuns se datorează faptului că constanta dielectrică a apei este mult mai mare
decât celelalte componente ale solului, inclusiv aerul. Astfel, măsurarea constantei dielectrice
dă o estimare previzibilă a conținutului de apă [8].
Măsură tori de umiditate cu ajutorul neutroni lor:
Proprietățile moderatoare ale apei pentru neutroni sunt utilizat e pentru a estima
umiditatea solului conținută între sursă ș i sonda detectorului [8].
O altă clasă de traductoare măsoară o altă proprietate a umidității în soluri numită
potențial de apă ; aceste traductoare sunt de obicei menționate ca traductoare de potențial de
apă pentru sol și includ tensiometre și blocuri de gips [8].
Traductoarele de umiditate a solului sunt utilizate în numeroase aplicații de cercetare,
de exemplu în domeniul agriculturii și al horticulturii, inclusiv planificarea irigării, cercetarea
în domeniul climei sau știința mediului, inclusiv studiile privind t ransportul solubil și ca
traductoare auxiliare pentru măsurătorile de respirație a solului [8].
În agricultură , măsurarea umidității solului este importantă pentru aplicațiile agricole
care ajută la gestionarea mai eficientă a sisteme lor de irigare. Cunoscând condiț iile exacte de
umidi tate a solului pe terenuri, nu numai că se va folosi mai puțină apă pentru a crește o recoltă,
ci pot crește randamentul ș i calitate a culturii printr -o gestionare îmbunătăț ită a umidității
solului în timpul fazelor critice de creș tere a plantelor [8].
În zonele urbane și suburbane, peisajele și peluzele rezidențiale utilizează traductoare
de umiditate a solului pentru a interfera cu un controler de irigare. Conectarea unui traductor
de umiditate a solulu i la un ceas simplu de irigare îl va transforma într -un controler inteligent
de irigare care împiedică ciclurile de irigare c ând solul este deja umed, de exemplu după
precipitații [8].

13
Terenurile de golf folosesc traductoare de umiditate a solului pentru a spori eficiența
sistemelor lor de irigare pentru a preveni supraîncărcarea și scurgerea îngrășămintelor și a altor
substanțe chimice în sol [8].

1.5.2 Regulatoare
Într-un sistem de reglare automată , regulatorul îndeplinește rolul elementului de
comandă , de decizie [7].
Regulatorul primește la intrare două semnale: semnalul de referință (numit și setpoint),
care exprimă procentual valoarea dorită a mărimii reglate (de ieșire a procesului) și semnalul
de măsură , generat de traductorul mărimii reglate sau de ansamblul traductor -adaptor[ 7].
În urma procesării celor două semnale după un algoritm convenabil, dependent de
compo rtamentul dinamic al procesului reglat, regulatorul elaborează semnalul de comandă a
elementului de execuție, prin intermediul căruia se intervine asupra procesului reglat pentru a
aduce mărimea reglată la o valoare cât mai apropiată de valoarea referinței [7].
Clasificarea regulatoarelor:
– în funcție de natura fizică a semnalelor de intrare și de ieșire, poate fi:
– electronic;
– pneumatic;
– hidraulic;
– mecanic.
– în funcție de forma semnalelor procesate, regulatoarele pot fi:
– continue (analogice);
– discrete (numerice);
– bipoziționale;
– tripoziționale [7].

1.5.2.1 Regulator bipozi țional
La regulatoarele bipoziționale , semnalul de comandă ia numai două valori distincte, ce
pot fi notate convențional cu 0 și 1. Regulatoarele bipoziționale sunt elemente de comandă
neliniare, cu caracteristica statică de tip releu cu histerezis [7].

14

Fig. 1.2 Caracteristica statică a regulatorului bipozițional [7]

Dacă semnalul de comandă c are valoarea 0, iar semnalul de eroare e crește și atinge
valoarea a, atunci semnalul c comută în valoarea 1. Invers, dacă semnalul de comandă c are
valoarea 1, iar semnalul de eroare e scade și atinge valoarea -a, atunci semnalul c comută în
valoarea 0. Histerezisul regulatorului este egal cu 2a [7].
Regulatorul bipozițional unificat este un sistem cu structura deschisă. El conține un
amplificator de tensiune AT cu factorul de amplificare k ajustabil și un tranzistor de putere T,
având ca sarcină un releu electromagnetic R. Contactele CL și CH ale rele ului electromagnetic,
unul normal deschis și celălalt normal închis, sunt la dispoziția utilizatorului, pentru a obține
valorile adecvate ale semnalului de comandă [7].

Fig. 1.3 Schema regulatorului electronic bipozițional [7]

Histerezisul magnetic inerent al releului electromagnetic R determină histerezisul
regulatorului. Dacă factorul de amplificare în tensiune al tranzistorului de putere T este egal cu
1, atunci valoarea procentuală a semihisterezisului a al regulatorului este dată de formula
(1.1)

15
, unde h 0 este valoarea în volți a semihisterezisului releului electromagnetic. Prin mărirea
factorului de amplificare k, histerezisul regulatorului bipozițional se reduce [7].
Reglarea bipozițională este eficientă numai atunci când cele două va lori ale comenzii c
reușesc să aducă mărimea reglată la valori situate de o parte și de alta a valorii mărimii de
referință r. Semnalul de măsură m și implicit mărimea reglată oscilează în jurul valorii de
referință, iar amplitudinea oscilațiilor este cel puțin egală cu semihisterezisul a al regulatorului
(fiind mai mare la procesele cu inerție, adică cu ordinul mai mare ca doi, precum și la procesele
cu timp mort) [7].

Fig. 1.4 Variația în timp a semnalelor de măsură și de comandă la reglarea bipozițională [7]

Dacă histerezisul regulatorului este mic, precizia de reglare este bună, dar frecvența de
comutare a comenzii regulatorului de la o valoare la alta este mare, lucru inaccep tabil în cazul
multor procese. Î n comparație cu reglarea continuă, reglarea bipozițională este mai puțin
precisă, dar mai simplă și mai robustă [7].

1.5.3 Elemente de execuție
Elementele de execuție sunt componente ale sistemelor de reglare automată care
primesc la intrare un semnal electric de la regulator și furnizează mărimi de ieșire, în marea
majoritate a cazurilor, de natură mecanică (forțe, cupluri) capabile să modifice starea
procesului în conformitate cu algoritmul de reglare stabili t[1].
În general, elementul de execuție este format din două părți distincte: elem entul de
acționare (EA) și organul de execuție (OE) [1].

16
Elementul de acționare (EA) are rolul de a transforma semnalul de comandă, primit de
regulator într-un cuplu de forță cu care acționează asupra organului de execuție (OE) [1].
Pentru generarea cupluril or sau forțelor sunt necesare surse de energie exterioare [1].
Organul de execuție este elementul care intervine asupra procesului sub acțiunea forței
sau cuplului generat de elementul de acționare. Mărimea de ieșire a organului de execuție este,
de regulă , sub forma unei deplasări liniare sau unghiulare [1].
Există c azuri în care mărimea de ieșire a regulatorului trebuie adaptată pentru intrarea
elementului de execuție. Acest lucru se realizează folosind un convertor [1].
Eleme ntele de execuție pot acționa:
– continuu, dacă mărimea de execuție (u) poate lua orice valoare cuprinsă între două valori
limită;
– discontinuu, dacă mărimea de execuție (u) poate fi modificată numai pentru două valori
limită, dintre care cea inferioară este în general zero [1].
Elementele de execuție se pot clasifica după natura sursei de energie folosite pentru
alimentarea părții motoare, în:
– electrice;
– hidraulice;
– pneumatice [1].

1.5.3.1 Pompa
O pompă este o mași nă sau un aparat care preface energia, dintr -una din formele sale
mecanice, în formă de energie hidraulică sau pne umatică, în scopul deplas ării fluidului care
primește energia utilă . Energia mecanică poate rezulta din forța musculară sau de la un motor
de antrenare [9].
Pompele, dup ă natura fluidului, se pot clasifica în:
– pompe hidraulice;
– pompe pneumatice [9].
Pompele hidraulice transportă un lichid de la presiunea inferioară din aval, la presiunea
superioară din amonte. Diferența de presiune pe care o învinge pompa, red ată de obicei în me tri
de coloană de apă , reprezintă înălțimea de ridicare a pompei , care este mai mare decât diferența
dintre presiunile din amonte și aval, datorită pierderilor din pompă și conductele sale. Volumul
de lichid transportat în unitatea de timp este debitul pompei, exprimat de obicei în m3/s[9].

17
După felul mecanismului mobil pompele hidraulice se clasifică în:
– pompe cu piston (pompă de injecție la motoare cu ardere internă);
– pompe rotative (pompă cu palate);
– pompe cu membrană (pompă peristaltică);
– pompe cu rotor (pompă submersibilă) [9].
Pompele pneumatice transport ă un gaz. Aceste pompe pot fi compresoare (dacă
comprimă gazul), de vid (dacă ajută la crearea unei presiuni mai mici decât presiunea
atmosferică prin evacuarea gazului dintr -o incintă) sau exhaustoare (dacă ajută doar la
circularea gazului, fără a crea o diferență de presiune). Din punct de vedere al mecanismului
mobil sunt similare cu pompele hidraulice [9].

18
Capitolul 2. Proiectarea sistemului automa t de udare a plantelor
de apartament

Acest capitol cuprinde , schema conexiunilor și schema bloc a sistemului, principiul de
funcționare al acestuia și prezentarea principalelor elemente componente.

2.1 Schema conexiunilor sistemului

Fig. 2.1 Schema conexiunilor sistemului

2.2 Schema bloc a sistemului
Sistemul automat de udare a plantelor este un sistem de reglare automată după efect al
cărui principiu presupune intervenția asupra procesului reglat, pe baza informației obținute prin
măsurarea mărimii reglate a procesului, în scopul menținerii acesteia la o valoare cât mai
apropiată de valoarea referinței, în condițiile acțiunii perturbațiilor asupra procesului și a
variației în timp a referinței [4].

19
În fig . 2.2 este prezentată schema bloc a sistem ului automat de udare a plantelor.

Fig. 2. 2 Schema bloc a sistemului

Regulatorul (microcontrolerul ATMEGA 328p -PU) trebuie să mențină valoarea de
referință prescrisă; atunci când aceasta coboară sub limita prescrisă, regulatorul comandă
elemetul de execuție ( motor+ pomp ă) care acționează asupra pro cesului (plantă+sol ) până când
traductorul (traductor de umiditate capacitiv) sesizează că a ajuns la valoarea setată a
regulatorului.

2.3 Principiul de func ționare al sistemului
Acest sistem de reglare automat ă urmărește aducerea și men ținerea valorii m ărimii de
ieșire dintr -un proces la o valoare de referin ță într-un mod automat, f ără interven ția direct ă a
omului, pe baza regl ării umidității solului .
Pentru a putea măsura umiditatea solului s-a folosit un traductor de umiditate a solului
capacitiv care t ransmite mărimea măsurată către un microcontroler ATMEGA 328p -PU. Acest
microcontroler transmite semnalul către o pompă peristaltică rotativă prin intermediul unui
MOSFET pentru aducerea și menținer ea umidității solului la o valoare de referință.
Sistemul este conceput în așa fel încât traductorul de umiditate a solului va citi
umiditatea solului , iar valoarea măsurată va fi afișată pe un ecran LCD împreună cu valoarea
de referință care va fi setată de către om prin acționarea unor switch -uri. Traductor ul va trimit e
valoarea măsurată către microcontroler care va compara mărimea măsurată cu mărimea de
referință, iar mai apoi , dacă microcontrolerul constată că valoarea măsurată este mai mică decât
valoarea prescrisă , acesta va trimite comand ă către pompă prin intermediul MOSFET -ului
pentru a porni debitul de apă până când umiditatea va ajunge la mărimea de referință . În cazul
în care microcontrolerul sesizează că mărimea măsurată este mai mare sau egală cu mărimea

20
prescrisă, acesta nu va acționa pompa până la următoarea citire care, în funcție de caz, va porni
sau va opri debitul de apă .

2.4 Prezentarea elementelor componente ale sistemului
În alcătuirea acestui sistem s -a folosit un traductor de umiditate capacitiv, un
microcontroler ATMEGA 328p -PU, o pompă peristaltică de 12V cu tub din PVC cu diametrul
interior de 3 mm , un afișaj LCD 1602 cu modul I2C, un MOSFET IRLZ44N, 2 condensatoare
ceramice de 100 nF, un condensator electrolitic de 100 uF, 3 rezistoare de 100 kΩ , fire jumper,
sursă de alimentare de 12V și, respectiv, de 5V și 2 switch -uri.
În continuare vor fi prezentate principalele elemente componente ale sistemului.

2.4.1 Traductor de umiditate a solului capacitiv

Fig. 2. 3 Traductor de umiditate a solului capacitiv

Traductorul de umiditate a solului măsoară nivel ul de umiditate a solului prin
detectarea capacitivă , mai degrabă decât prin detectarea rezistivă ca alte traductoare de pe
piață. Este fabricat din material rezistent la coroziune, ceea ce îi conferă o durată de viață
excelentă [17].
Acest modul este prevăzut cu un regulator de tensiune care îi oferă un interval de
tensiune de operare de 3,3 V-5,5V. Este perfect pentru microcontrolere de joasă tensiune, atât

21
de 3.3V cât și de 5V. Acest traductor de umiditate a solului este compatibil cu interfața Gravity
cu 3 pini, care poate fi conectată direct la scutul de expansiune I/O Gravity [17].

2.4.1.1 Specificații ale traductorului de umiditate a solului
– Tensiunea de operare: 3,3V -5,5V DC;
– Tensiunea de ieșire: 0V -3V DC;
– Curent de operare: 5 mA [17].

2.4.1.2 Intervalul de calibrare a traductorului de umiditate a
solului
Componentele de pe acest traductor nu sunt impermeabile, nu se expune la umiditate
mai mult decât până la linia roșie. Dacă se dorește să se protej eze elementele componente, se
folos ește tub termocontracta bil în jurul părții superioare a traductorului [17].

Fig. 2.4 Intervalul de c alibrare a traductorului de umiditate a solului [17]

22
2.4.1.3 Aplicații ale traductorului de umiditate a solului
– Măsurarea și reglarea umidității solului plantelor de apartament;
– Agricultură inteligentă.

2.4.2 Microcontrolerul ATMEGA 328p -PU
În acest proiect, ca regulator, s -a folosit microcontrolerul ATMEGA 328p -PU,
amplasat la nivelul unei plăci de dezvoltare .

Fig. 2. 5 Microcontroler ATMEGA 328p -PU

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este
un microcircuit care incorporează o unitate centrală și o memorie împreună cu resurse care -i
permit interacțiunea cu mediul exterior[ 11].
Placa de dezvoltare la nivelul căreia este am plasat microcontrolerul ATMEGA 328p –
PU este bazat ă pe un software și hardware flexibil și este capabil ă să preia date printr -o serie
de traductoare și să acționeze asupra altor dispozitive ca servomotoare, motoare, pompe sau
alte tipuri de dispozitive mecanice pe baza unor comenzi cuprinse în codul scris într -un limbaj
de programare, similar cu C++, încărca t în memoria microcontrolerului[ 10].
La modul general un controler este o structură electronică destinată controlului unui
proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară
intervenția operatorului uman[ 11].
Microcontrolerul ATMEGA 328p -PU se progr аmeаză în mod iniți аl cu аjutorul unor
dispozitive h аrdwаre suplimentare numite progr аmаtoаre (microcontrolerele pot fi progr аmаte
inclusiv pe lini а de producție) prin pinii ICSP (In -Circuit Seri аl Progr аmming) [13].

23
Pentru а înlătura nevoi а unui аstfel de dispozitiv, pe аceste microcontrolere se scrie un
bootlo аder – un mic progr аm softw аre ce prei а instrucțiunile (codul progr аmului) prin interf аțа
seriаlă și le scrie într -o zonă de memorie nevol аtilă (FLASH), de unde microcontrolerul le v а
interpret а și rul а. Astfel, microcontrolerul po аte interpret а instrucțiuni sosite pe interf аțа
seriаlă. Conversi а de lа USB l а seriаl pentru а puteа progr аmа ATMEGA 328p -PU prin portul
USB аl calculator ului îi revine unui аlt microcontroler. Acest а аre interf аțа ICSP prin c аre
poаte fi reprogr аmаt. Microcontrolerul respons аbil cu conversi а USB -Seriаl poаte fi înlocuit
cu chipuri[13].
Dаcă zon а de memorie а microcontrolerului ATMEGA 328p -PU în c аre este scris
bootlo аder-ul este coruptă, nu se v а mаi pute а progr аmа plăcuțа prin intermediul portului USB.
Aceаstă problemă este ușor de îndreptat – se po аte folosi un progr аmаtor (dispozitiv de
progr аmаre) pentru а rescrie bootlo аder-ul. Se po аte folosi orice аlt microcontroler ATMEGA
328p -PU pe post de progr аmаtor[13].
După ce аți încărc аt programul pe microcontrolerul pe c аre îl veți utiliza cа
progr аmаtor, conect аți pinii SPI аi аcestui а lа pinii ICSP ce аpаrțin microcontrolerului pe cаre
doriți s ă scrieți bootlo аder-ul[13].

2.4.2.1 Semnificația pinilor microcontrolerului ATMEGA
328p -PU
Microcontrolerul ATMEGA 328p -PU este un c hip cu 28 de pini, așa cum se arată în
diagram ă. Mulți pini ai cipului au mai mult de o funcție [14].

Fig. 2. 6 Microcontrolerul ATMEGA 328p -PU[14]

În continuare vom descrie funcțiile fiecărui pin:
1. PC6 (RESET) – Pin 6 din PORT C – pinul implicit folosit ca pin de RESET. PC6 poate fi
folosit numai ca pin I/O când este programată siguranța RSTDISBL;

24
2. PD0 (RXD) – Pin 0 din PORT D – RXD (pinul pentru introducerea datelor pentru USART).
Interfață de comunicații serial USART;
3. PD1 (TXD) – Pin 1 din PORT D – TXD (pinul de ieșire a datelor pentru USART). Interfață
de comunicații serial USART. INT2 (intrar e externă de intrare 2);
4. PD2 (INT0) – Pin 2 din PORT D – sursă de întrerupere externă 0;
5. PD3 (INT1/OC2B) – Pin 3 din PORT D – sursă externă de întrerupere 1. OC2B (PWM –
cronometru/counter2 de ieșire – compară ieșire match B );
6. PD4 (XCK/T0) – Pin 4 din PORT D – T0 (timer 0 intrare counter extern). XCK (I/O ceas
extern USART);
7. VCC – conectat la tensiune pozitivă ;
8. GND – conectat la masă ;
9. PB6 (XTAL1/TOSC1) – Pin 6 din PORT B – XTAL1 (pin 1 pentru oscilatoare cu cep sau
intrarea ceasului extern ). TOSC1 (timer oscilator pin 1);
10. PB7 (XTAL2/TOSC2) – Pin 7 din PORT B – XTAL2 (pin 2 pentru oscilatoare cu cep).
TOSC 2 (timer oscilator pin 2);
11. PD5 (T1/OC0B) – Pin 5 din PORT D – T1 (intrare temporizator extern timer 1). OC0B
(PWM – cronometru/co unter0 de ieșire – compară ieșire B );
12. PD6 (AIN0/OC0A) – Pin 6 din PORT D – AIN0 (analog comparator pozitiv I/P). OC0A
(PWM – cronometru/counter0 de ieșire – compară match A output );
13. PD7 (AIN1) – Pin 7 din PORT D – AIN1 (analog comparator negativ I/P);
14. PB0 (ICP1/CLKO) – Pin 0 din PORT B – ICP1 (timer/co ntor1 pin de intrare). CLKO (ceas
de sistem divizat. Ceasul divizat de sistem poate fi emis pe pinul PB0);
15. PB1 (OC1A) – Pin 1 din PORT B – OC1A (timer/counter1 de ieșire – compară match A
output );
16. PB2 (SS/OC1B) – Pin 2 din PORT B – SS (intrare selectare SPI Slave). Acest pin este
scăzut când controlerul funcționează ca un slave. Serial Peripheral Interface (SPI). OC1B
(ieșire pentru compararea timerului/co ntorului1);
17. PB3 (MOSI/OC2A) – Pin 3 din PORT B – MOSI (intrare slave de ieșire master). Când
controlerul funcționează ca slave, datele sunt recepționate de acest pin. OC2A (comparare
ieșire cronometru/counter2);
18. PB4 ( MISO) – Pin 4 din PORT B – MISO (ieșire master slave de ieșire). Când controlerul
funcționează ca un slave, datele sunt trimise comandantului de către acest controler prin acest
pin;

25
19. PB5 (SCK) – Pin 5 din PORT B – SCK (ceas serial din seria SPI). Acest a este ceasul
partajat între acest controler și alt sistem pentru transferul exact de date);
20. AVCC – putere pentru convertorul intern ADC;
21. AREF – pin analog de referință pentru ADC;
22. GND – masă, nul;
23. PC0 (ADC0) – Pin 0 din PORT C – ADC0 (cana l de intrare ADC0);
24. PC1 (ADC1) – Pin 1 din PORT C – ADC1 (canal de intrare ADC1);
25. PC2 (ADC2) – Pin 2 din PORT C – ADC2 (canal de intrare ADC2);
26. PC3 (ADC3) – Pin 3 din PORT C – ADC3 (canal de intrare ADC3);
27. PC4 (ADC4/SDA) – Pin 4 din PORT C – ADC4 (canal de intrare ADC4). SDA (linia de
intrare/ieșire a datelor de intrare pe 2 fire);
28. PC5 (ADC5/SCL) – Pin 5 din PORT C – ADC5 (canal de intrare ADC5). SCL (linie de
ceas cu 2 fire de bus serial) [14].

2.4.2.2 Specificații ale microcontrolerului ATMEGA 328p –
PU
– Procesor: AVR pe 8 biți ;
– Număr de pini: 28;
– Tensiune de operare (V): de la +1,8 V până la +5,5V;
– Numărul de linii I/O programabile: 23;
– Interfață de comunicare: interfață serială SPI Master/Slave (pinii 17, 18, 19). Poate fi utilizată
pentru programarea acestui controler. Serial USART programabil (pinii 2, 3). Poate fi folosit
pentru programarea acestui controler. Interfață serială cu 2 fire ( pinii 27, 28). Poate fi utilizată
pentru a conecta dispozitive periferice, cum ar fi servere, senzori si dispozitive de memorie;
– Modul ADC: 6 canale, rezoluție ADC pe 10 biți;
– Modul temporizator: 2 contoare pe 8 biți cu separator Prescaler și modul de comparare, un
counter pe 16 biți cu separator Prescaler, modul de comparare și modul de captar e;
– Comparatoare analogice: 1 (pinii 12, 13);
– Modulul DAC: 0;
– Canalele PWM: 6;

26
– Oscilator extern: 0 -4 MHz de la 1,8V până la 5,5V ;
0-10 MHz de la 2,7V până la 5,5V;
0-20 MHz de la 4,5V până la 5,5V;
– Oscilator intern: 8 MHz oscilator intern calibrat;
– Tip memorie program: flash;
– Memorie program sau memorie flash: 32 KB (10 000 de cicluri de scriere/ștergere);
– CPU Speed: 1 MIPS pentru 1 MHz;
– RAM: 2 KB SRAM intern;
– EEPROM: 1 KB EEPROM;
– Moduri de economisire a energiei: 6 modu ri ( inactiv, reducerea zgomotului ADC,
economisirea energiei, reducerea volumului de funcționare, starea de așteptare și durata de
așteptare extinsă);
– Temperatura de operare: -40⁰C până la +105 ⁰C (+105 fiind maximul absolut, -40 fiind
minimul absolut) [14].

2.4.2.3 Aplicații ale microcontrolerului ATMEGA 328p –
PU
Există sute de aplicații pentru ATMEGA 328p -PU, iar dintre ele amintim:
– sisteme de control industrial;
– procesarea datelor digitale;
– măsurarea și manipularea semnalelor analogice;
– sisteme de control al motoarelor;
– unități de afișare;
– sisteme de reglementare a puterii [14].

27
2.4.3 Pompa peristaltică

Fig. 2. 7 Pompă peristaltică de 12V

O pompă peristaltică este un tip de pompă cu deplasare pozitivă utilizată pentru
pomparea unei varietăți de fluide, acestea fiind, de asemenea, cunoscute sub denumirea de
pompe cu role. Fluidul este conținut într -un tub flexibil, montat într -o carcasă circulară a
pompei (deși au fost realizate pompe peristaltice liniare). Un rotor cu un număr de „role”,
„papuci” , „ștergătoare ” sau „lobi” atașați la circumferința exterioară a rotorului comprimă
tubul flexibil. Pe măsură ce rotorul se rotește, partea tubului sub presiune ocluzionează, forțând
astfel fluidul care trebuie pompat să se deplaseze prin tub. În plus, pe măsură ce tubul se
deschid e la starea sa naturală după trecerea camei, fluxul de fluid este indus către pompă. Acest
proces se numește peristaltism. În mod tipic, vor exista două sau mai multe role sau ștergătoare,
care vor închide tubul, prin zând între ele o cantitate de fluid. C antitatea de fluid este apoi
transportat ă, la presiunea ambientală, spre ieșirea pompei. Pompele peristaltice pot funcționa
continuu sau pot fi indexate prin rotații parțiale pentru a furniza cantități mai mici de lichid [15].

Fig. 2.8 Funcționarea pompei peristaltice [15]

28
Pompa nu trebuie să fie amorsată , de fapt, poate să se auto -amorseze cu apă. Există
posibilitatea de a modifica PWM -ul motor ului pentru a accelera sau încetini fluxul de apă și,
dacă se conect ează motorul invers , fluidul se va deplasa în cealaltă direcție. Funcționează
excelent fie cu un tranzistor de putere (pornire/oprire de bază), fie cu un c hip pentru motor,
cum ar fi L293D [16].

2.4.3.1 Caracteristicile pompei peristaltice
– Temperatura de lucru: 0⁰C -40⁰C;
– Tensiunea motorului: 12V DC;
– Curentul motorului: 200 -300 mA;
– Debit: până la 100 ml/min;
– Rotațiile pe minut ale motorului: 5000 [16].

2.4.3.2 Aplica ții ale pompei peristaltice
Pompele peristaltice sunt utilizate în mod obișnuit pentru a pompa lichide curate/sterile
sau agresive, fără a expune fluidele la contaminare d e la componentele expuse ale pompelor.
Unele aplicații comune includ pomparea lichidelor prin intermediul unui dispozitiv de perfuzie,
agenți chimici agresivi, suspensii solide mari și alte materiale în care izolarea produsu lui din
mediul înconjurător și mediul înconjurător din produs sunt critice. Se utilizează, de asemenea,
în aparatul cardio -pulmonar pentru circularea sângelui în timpul unei operații de bypass și în
sistemele de hemodializă, deoarece pompa nu provoacă hemo liză semnificativă [15].
Pompele peristaltice sunt, de asemenea, utilizate într -o mare varietate de aplicații
industriale, în special în agricultură, deoarece sunt foarte potrivite pentru produsele chimice
agricole comune. Designul lor unic face pompele cu role special adaptate la pomparea
abrazivilor și a fluidelor vâscoase [15].

29
2.4.4 Afișaj LCD 1602 cu modul I2C

Fig. 2. 9 Afișaj LCD 1602 cu modul I2C

Afișajul cu cristale lichide (engleză Liquid Crystal Display , prescurtat LCD ) este
un dispozitiv de afișare pentru litere, cifre, grafică și imagini, fiind constituit dintr -o matrice de
celule lichide care devin opace sau își schimbă culoarea sub influența unui curent sau câmp
electric. Din punct de vedere fizic fenomenul se explică prin proprietatea cristalelor lichide de
a influența direcția de polarizare a luminii atunci când ele sunt puse sub o anumită tensiune
electrică. Afișajele cu cristale nu produc ele însele lumină ci au un consum de energie foarte
mic. Un afișaj LCD se prezintă sub forma unu i ecran afișor (display) care este comandat
electronic printr -un decodificator de caractere numerice și alfabetice[ 18].
Afișajul LCD 1602 cu modul I2C folosit este unul de tipul 16×2, poate afișa 16 caractere
pe fiecare linie, fiind un total de 2 linii. În acest LCD fiecare caracter este afișat într -o matrice
de pixeli de dimensiunea 5×7 mm. Este interfațat cu modulul I2C . Asta înseamnă că are nevoie
doar de 4 pini pentru afișajul LCD ca să funcționeze: VCC, GND, SDA și SCL. Acesta va salva
cel puțin 4 pini digitali/analogi pe placa de dezvoltare . Toți conectorii sunt standard XH2.54
(tip Breadboard). Se conectează direct cu firul jumper.

30
2.4.4.1 Semnificația pinilor modulului I2C

Fig. 2. 10 Pinii modulului I2C [21]

Zona 1. Aici sunt 4 pini după cum urmează:
– GND – masa;
– VCC – alimentare 5V DC;
– SDA – semnal de date al modulului I2C;
– SCL – semnal de ceas al modulului I2C.
Zona 2. Rezistor ajustabil – reglează luminozitatea și contrastul afișajului LCD.
Zona 3. Jumper alege adresa (A0 , A1, A2) afișajului LCD. Dacă acest jumper este
deconectat, devine „1” logic ; dacă este conectat, devine „0” logic . Normal, acest jumper nu
este lipit, adresa inițială fiind 0x20 (A2=1, A1=1, A0=1). Dacă utilizatorul cere schimbarea
adrese i, există 8 valori disponibile , 0x20-0x27, așa cum se arată în tabelul de mai jos .

Tabelul 2.1[19]
A0 A1 A2 Adrese
Conectat Conectat Conectat 0x27
Deconectat Conectat Conectat 0x26
Conectat Deconectat Conectat 0x25
Deconectat Deconectat Conectat 0x24
Conectat Conectat Deconectat 0x23
Deconectat Conectat Deconectat 0x22
Conectat Deconectat Deconectat 0x21
Deconectat Deconectat Deconectat 0x20

31
Zona 4. Folosind IC No. PCF8574A se extinde portul.
Zona 5. LED POWER afișează starea de alimentare a afișajului LCD .
Zona 6. Jumperul dezactivează alimentarea backlight -ului afișajului LCD. Dacă este
conectat, permite alimentarea backlight -ului afișajului LCD [21].

2.4.4.2 Specificațiile afișajului LCD 1602 cu modul I2C
– Adresa I2C: 0x20 -0x27 (preconfigurat 0x20);
– Tensiune de alimentare: 5V;
– Contrast reglabil;
– Backlight albastru cu caractere de culoare albă[ 20].

2.4.5 MOSFET -ul IRLZ44N

Fig. 2. 11 MOSFET IRLZ44N

Trаnzistorul este un dispozitiv electronic c аre аre rolul de а modific а un curent electric
import аnt prin modific аreа tensiunii de pol аrizаre а unui elect rod de com аndă s аu prin
modific аreа curentului аbsorbit de electrodul de com аndă. Scopul este аtins cu cheltuieli

32
minime d аcă putere а cerută de electrodul de com аndă este mult m аi mică decât putere а din
circuitul princip аl, exprim аtă аici prin intermediul curentului „import аnt”[2].
MOSFET -ul (metal –oxide –semiconductor field -effect transistor ) folosește un singur tip
de purtători de s аrcină, c аre circulă printr -un cаnаl semiconductor. Electrodul de com аndă аre
rolul de а modific а conductivit аtea c аnаlului, în аcest fel modificându -se vаloаreа curentului
comаndаt[2].
Electrodul de com аndă аcționeаză аsuprа secțiunii c аnаlului S (prin modific аreа
lățimii), c аre determină modific аreа rezisten ței și c аre rezisten ță determină modific аreа
curentului [2].
MOSFET -ul modific ă conductivit аteа (inversul rezisten ței electrice) c аnаlului cu
аjutorul unui câmp electric m аi intens s аu mаi slаb în func ție de poten țiаlul electrodului de
comаndă, numit grilă. Curentul se închide printr -o zonă semiconducto аre (cаre reprezintă însăși
cаnаlul) între doi electrozi unul numit sursă – pentru că furnize аză purtătorii de s аrcină și
celălаlt numit drenă – pentru că аre rolul de а colect а purtătorii [2].
MOSFET -ul аre două zone semiconducto аre de аcelаși fel (de tipul N pentru
trаnzistorul din fig . 2.12) аlocаte un а sursei și ce аlаltă drenei, sep аrаte printr -un str аt de tipul
celălаlt (în acest caz de tipul P). Orice pol аritаte а tensiunii se aplic ă între drenă și sursă un а
din jonc țiunile P -N vа fi bloc аtă аșа încât nu se v а închide nici un curent fără аportul
electrodului de com аndă – respectiv gril а trаnzistorului [2].

Fig. 2.1 2 MOSFET cu c аnаl N indus [2]

33
Grilа este în cont аct cu semiconductorul de tipul P, fiind sep аrаtă de аcestа printr -un
izolаtor, c аre în c аzul MOS FET-ului este un str аt de oxid de siliciu c а în fig . 2.12[2].
În condi țiile аplicării unei tensiuni pe grilă pozitivă în r аport cu substr аtul, аceаstă
tensiune, prin câmpul electric orient аt de lа grilă către S s împinge golurile m аjoritаre din zon а
P și аtrаge lа suprаfаțа de sep аrаție а metаlului grilei electronii minorit аri. În zon а P, între cele
două zone N+ аpаre un str аt de electroni minorit аri cаre formează un str аt de inversie а
conduc ției[2].
Creștere а poten țiаlului grilei determină creștere а lățimii str аtului de inversie. Aplicând
o diferen ță de poten țial între drenă și sursă electronii din str аtul de inversie se vor depl аsа pe
cаleа N+ (sursă) – cаnаl form аt din strаtul de inversie – N+ (drenă), determinând curentul
„import аnt” аl trаnzistorului [2].
Trаnzistorul descris m аi sus se numește MOSFET cu cаnаl N indus [2].
În fig . 2.13 este prezent аt simbolul tr аnzistorului „ MOSFET cu cаnаl N indus” [2].
Notаțiile аu semnific аțiile: S – sursă , D – drenă , Ss – substr аt, G – grilă[2].

Fig. 2.1 3 Simbolul MOSFET -ului cu canal N indus [2]

Tensiune а de pol аrizаre а grilei este VGS pozitivă c а să formeze c аnаlul – mаteriаlizаt
prin str аtul de inversie – iаr tensiune а VDS este pozitivă c а să аntreneze electronii de l а sursă
către drenă – pentru c а în circuit să se st аbileаscă curentul ID orient аt de l а D spre S [2].
Funcți а trаnzistorului este să modifice curentul c аre circulă de l а drenă l а sursă prin
modific аreа potenți аlului VGS а grilei f аță de sursă [2].

34
2.4.5.1 Configurația pinilor MOSFET -ului IRLZ44N

Fig. 2.1 4 Pinii MOSFET -ului[22]

– G – grilă;
– D – drenă ;
– S – sursă ;

2.4.5.2 Caracteristicile MOSFET -ului IRLZ44N
– Tip: cu canal N indus;
– Tensiunea de la grilă la surs ă, max im: ± 16V;
– Curent continuu de drenă: 41A;
– Încărcarea totală a porții: 32 nC;
– Disiparea puterii: 83W;
– Căderea de tensiune drenă -sursă: 55;
– Temperatura de operare: -55⁰C – +175⁰C [22].

35
Capitolul 3. Implementarea sistemului automat de udare a
plantelor de apartament

În acest capitol se prezintă schema electrică a sistemului automat de udare a plantelor
de apartament, descrierea funcționării sistemului din punct de vedere electric , codul sursă pe
baza căruia funcționează sistemul , poze din timpul realiz ării acestuia și rezultate experimentale .

3.1 Schema electrică a sistemului

Fig. 3.1 Schema electrică a sistemului

3.2 Descrierea f uncționării sistemului din punct de vedere electric
Pentru început, sistemul se alimentează cu tensiune electrică din două părți. Pompa se
alimentează cu 12V direct de la sursa de 220V cu ajutorul unui alimentator de 12V , iar placa
de dezvoltare se alimentează cu 5V direct de la sursa de alimentare de 220V , ca și în cazul
pompei, prin intermediul unui încărcător de telefo n de 5V .

36
Mărimea de referință va fi setată cu ajutorul switch -urilor S2 și S3 , alimentate de la
pinul de 5V al plăcii de dezvoltare, conectate la pinii digitali D 3 și D4 ai plăcii de dezvoltare
și la masă cu ajutorul unor rezis toare de câte 100 kΩ notate R2 și R3 pe schema electrică de
mai sus .
Traductorul de umiditate TRADU este alimentat prin pinul VCC de la pinul de 5V al
plăcii de dezvoltare, GND al traductorului fiind conectat la masă, iar pinul OUT de la traductor
trimite semnalul cu mărimea măsurată către microcontrolerul ATMEGA 328p -PU prin
intermediul pinului analogic A0 al plăcii de dezvoltare.
Afișajul LCD 1602 I2C va fi alimentat prin pinul VCC cu ajutorul pinului de 5V al
plăcii de dezvoltare , pinul GND fiind conectat la masă, pinul SDA la pinul analogic A4 și pinul
SCL la pinul analogic A5; pini analogici ai plăcii de dezvoltare.
Microcontrolerul amplasat la nivelul plăcii de dezvoltare compară mărimea măsurată
cu mărimea de referință, iar dacă valoarea măsurată este mai mic ă decât mărimea de referință,
microcontrolerul trimite comand a de pornire către pompa M1 prin intermediul MOSFET -ului
Q1. Grila MOSFET -ului Q1 este conectat ă la pinul digital D2 al plăcii de dezvoltare și la masă
cu ajutorul unui rezistor R1 de 100 kΩ, sursa MOSFE T-ului Q1 este conectată la masă, iar
drena este legată la minusul pompei, plusul acesteia conectându -se la sursa de 12V.

3.3 Codul sursă
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define PIN_TRADU A0 //conectează ieșirea traductorului de umiditate la acest
pin analog ic (preconfigurat A0)
#define PIN_POMPA 2 //conectează pompa la MOSFET
#define PIN_JOS 4 //definește switch -ul pentru setarea umidității mai mică
#define PIN_SUS 3 //definește switch -ul pentru setarea umidității mai mare
#define TIMP_MIN_INTRE_UDARI 2 //timpul minim între ud ările plantei în secunde

37
#define UMIDITATE_SET 0 //setează nivelul dorit al umidității
#define O_SINGURA_UDARE 5 //setează timpul în secunde pentru o singură udare
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); //setează adresa LCD I2C
void setup()
{

pinMode ( PIN_SUS, IN PUT );
pinMode ( PIN_JOS, INPUT );

//setează referința analogică la 1.1V

analogReference(INTERNAL);

lcd.init(); //inițializează LCD -ul

//afișează un mesaj pe LCD

lcd.backlight();
lcd.home (); //mergi acasă
lcd.print("");
lcd.setCursor ( 0, 0 ); //prima linie
lcd.print (" Dumitrescu ");

38
lcd.setCursor ( 0, 1 ); //mergi pe linia următoare
lcd.print ("Alexandra Maria");
delay ( 3000 );
}

void loop()
{

lcd.home ();
static int nudaapapentru = TIMP_MIN_INTRE_UDARI*10;
static int umiditateSet = UMIDITATE_SET;
static int udare = 0;
int analogValue = analogRead(PIN_TRADU);
int umiditate = map(analogValue, 0, 1023, 0, 100);

lcd.print("Umiditate: ");
lcd.print(umiditate);
lcd.print("% ");

int switch Jos = digitalRead(PIN_JOS);
int switch Sus = digitalRead(PIN_SUS);

39
if(switch Jos == HIGH)
{
if(umidi tateSet != 0) umiditateSet –;
delay(50);
}
if(switch Sus)
{
if(umiditateSet != 100) umiditateSet++;
delay(50);
}

lcd.setCursor ( 0, 1 ); //mergi pe linia următoare
lcd.print ("UmiditateSet: ");
lcd.print ( umiditateSet);
lcd.print (" "); //spațiu pentru ștergerea caracterelor anterioare de pe LC D

if(nudaapapentru >= 1)nudaapapentru –;

if(((umiditate < umiditateSet) && (!nudaapapentru)) || (udare))
{

40
if(udare == 0)udare = O_SINGURA_UDARE*10;
if(udare > 1){
digitalWrite(PIN_POMPA, HIGH);
}
else
{
digitalWrite(PIN_POMPA, LOW);
nudaapapentru = TIMP_MIN_INTRE_UDARI*10;
}
udare –;
}
delay (100);

}

41
3.4 Poze din timpul realizării montajului

Fig. 3.2 Realizarea conexiunilor electrice

42

Fig. 3. 3 Amplasarea componentelor în circuit

43

Fig. 3. 4 Finalizarea sistemului automat de udare a plantelor de apartament

44
3.5 Rezultate experimentale
În primul caz sunt date următoarele rezultate experimentale :
Nr. crt. Timp [s] Mărime de referință [%] Mărime măsurată [%]
1. -5 0 36
2. 0 40 36
3. 5 40 38
4. 10 40 40
5. 15 40 40
6. 20 40 40

În acest grafic se poate observa că mărimea măsurată, și anume umiditatea solului , a
crescut cu 4 procente în 20 de secunde.

În cel de -al doilea caz s unt date următoarele rezultate experimentale :
Nr. crt.
Timp [s] Mărime de referință [%] Mărime măsurată [%]
1. -5 0 52
2. 0 55 52
3. 5 55 53
4. 10 55 53
5. 15 55 54
6. 20 55 55
7. 25 55 55
8. 30 55 55

45

Mărimea măsurată a crescut cu 3 procente în 30 de secunde. În intervalul de timp 5 -10
secunde se înregistrează aceeași valoare deoarece apa se retrage repede în sol provocând astfel
o mică eroare.

În cel de -al treilea caz s unt date următoarele rezultate experimentale :
Nr. crt. Timp [s] Mărime de referință [%]
Mărime măsurată [%]
1. -5 0 55
2. 0 60 55
3. 5 60 57
4. 10 60 56
5. 15 60 57
6. 20 60 58
7. 25 60 59
8. 30 60 59
9. 35 60 58
10. 40 60 60
11. 45 60 60
12. 50 60 60

46

Aici se observă că mărimea măsurată crește cu 5 procente în 50 de secunde. Și aici
există erori tot din pricina apei care se retrage în sol mult mai repede decât sistemul este în
stare să irige din cauza tubului subțire din PVC .
Pentru realizarea graficelor s -a folosit Online Graph Maker.

47
Concluzii

În încheierea acestui proiect , putem concluziona faptul că sistemul a fost proiectat și
testat cu succes ; instalația a reușit să evite deshidratarea plantei.
Sistemul funcționează pe baza principiului de măsurare a nivelului umidității solului
prin intermediul tehnologiei traducto rului, folosind m icrocontrolerul ATMEGA 328p -PU și
pompa , pe lângă celelalte componente , pentru a oferi plantei cantități s uficiente de apă atunci
când este necesar .
Multe aspecte ale sistemului pot fi personalizate și utilizate pentru a regla cerințele
plante lor. De asemenea, utilizarea a mai mult de un traductor de umiditate este o altă idee
pentru a uda mai multe plante de la același sistem , dar există și multe alte idei experimentale
și provocatoare ca, de exemplu, introducerea unui traductor de temperatură, a unui traductor
de lumină sau alertarea printr-un mesaj despre umiditate a solului plantelor către utilizator prin
intermediul telefonul ui mobil .
Proiectul a fost dezvoltat cu ajutorul caracteristicil or integrate ale tuturor
componentelor hardware folosite. Prezența fiecărui modul a fost gândită și plasată cu atenție,
contribuind astfel la buna funcționare a sistemului .
Traductorul de umiditate măsoară nivelul umidității solului plante lor. Dacă nivelul de
umiditate se situează sub nivelul dorit și limitat , setat cu ajutorul switch -urilor , traductorul de
umiditate transmite semnalul către microcontroler care declanșează pompa peristaltică și
aliment ează cu apă solul respective i plante . Când se atinge nivelul de umiditate dorit, pompa
este oprită. Astfel, funcți onarea întregului sistem a fost încercată și se poate spune că își
îndeplinește funcția .
Pentru majoritatea oamenilor devine o provocare să își mențin ă plantele sănăto ase și
vii, de aceea, scopul proiectului este de a folosi principiile și conceptele inginerești de control
pentru a furniza un sistem automat de udare a plantelor pe bază de microcontroler. Sistemul va
ajuta la economisirea de timp, bani și apă , și, în același timp, atât la creșterea producției de
culturi prin reducerea sau înlocuirea efortului uman, cât și la menținerea sănătății plantelor de
apartament prin a evita uitarea udării lor la momentul potrivit .

48
Bibliografie

[1]Băieșu, A., „Tehnica Reglării Automate ”, Editura MATRIX ROM, București , 2012
[2]Bucur, C., „ Dispozitive electronice și electronică analogică ”, Editura Univeristății din
Ploiești, 2007
[3]Cîrtoaje, V., „Teoria Sistemelor ”, Editura UPG, Ploiești, 2012
[4]Mihalache, S.F., „ Elemente de ingineria reglării automate ”, Editura MATRIX ROM,
București, 2008
[5]https://edoc.pub/determinarea -umiditatii -in-sol-in-agricultura -de-preciziesisteme -cu-
senzori -pdf-free.html
[6]http://www.creeaza.com/legislatie/administratie/ecologie -mediu/Determinarea -umiditatii –
solulu663.php
[7]http://ime.upg -ploiesti.ro/attachments/article/102/EA%20cap4.pdf
[8]https://en.wikipedia.org/ wiki/Soil_moisture_sensor#Technology
[9]https://ro.wikipedia.org/wiki/Pomp%C4%83
[10]https://microcontrolere.wordpress.com/2016/08/10/arduino -uno/
[11]https://ro.wikipedia.org/wiki/Microcontroler
[12]https://rum.patkardevelopers.com/avtomatika -dlja-teplicy
[13]https://www.optimusdigital.ro/ro/componente -electronice -microcontrollere/641 –
microcontroller -atmega328p -pu-.html?search_query=arduino+uno&results=85
[14]https: //components101.com/microcontrollers/atmega328p -pinout -features -datasheet
[15]https://en.wikipedia.org/wiki/Peristaltic_pump
[16]https://www.verical.com/datasheet/adafruit -dc-dc-converter -1150 -5038516.pdf
[17]https://wiki.dfrobot.com/Capacitive_Soil_Moisture_Sensor_SKU_SEN0193?fbclid=IwA
R1Gzxn6 -BSF-WgkekACG87VAr -5sj8-dabI6yaDfjP1Ee2xImdLLEhXwm8
[18]https://ro.wikipedia.org/wiki/Afi%C8%99aj_cu_cristale_lichide
[19]https://opencircuit.nl/ProductIn fo/1000061/I2C -LCD -interface.pdf
[20]https://www.dfrobot.com/product -135.html

49
[21]http://www.micro4you.com/files/ETT/I2C%20LCD%2016×2%20Module%20Manual.pd
f
[22]https://www.el -component.com/mosfets/irlz44n

50
Rezumat în limba engleză

The project is an implementation of an automatic watering system for the apartment
plants.
The first chapter includes general information about automatic adjustment systems and
the study of the theme of this project.
The second chapter includes the connection diagram and the block diagram of the
system, the principle of its operation and the presentation of the main components.
The third chapter includes the electrical diagram of the automatic watering system for
the apartment plant s, the descriptio n of the system's operation from the electrical point of view,
the source code on which the system works , pictures from the time of its realization and
experimental results .
The system operates on the basis of the principle of soil moisture measurement thr ough
the transducer technology, using the ATMEGA 328p -PU microcontroller and the pump, in
addition to the other components, to provide the plant with sufficient amounts of water when
it’s necessary .
The moisture transducer measures the soil moisture level of the plants. If the moisture
level is below the desired and limited level, set by push buttons switch, the moisture transducer
transmits the signal to the microcontroller that triggers the peristaltic pump and feeds the soil
of the plant with water. When the desired moisture level is reached, the pump is switched off.
The purpose of the project is to use engineering principles and concepts of control to
provide an automatic watering system for plants based on microcontroller. The system will
help save tim e, money and water, and, at the same time , both in the growth of crop production
by reducing or replacing human effort, as well as to maintaining the health of apartment plants
by avoiding forgetting their watering at the right moment.