În această lucrare de disertație având titlul Studiul senzorilor de presiune mems și aplicațiile lor am discutat despre un robot mobil manipulat de… [303448]

REZUMAT

În această lucrare de disertație având titlul Studiul senzorilor de presiune mems și aplicațiile lor am discutat despre un robot mobil manipulat de utilizator ptin intermediul unei aplicații. Kit-ul achiziționat a necesitat asamblarea și utilizarea senzorilor în funcție de aplicațiile dorite.

[anonimizat]-mecanici, clasificarea acestora dar și utilizarea lor în anumite aplicații din diferite domenii.

[anonimizat].

În cea de-a [anonimizat], atât a componentelor mecanice cât și electrice. Pentru fiecare componentă electrică utilizată am descris modul de funcționare.

LISTA ABREVIERILOR FOLOSITE

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE

1.1. [anonimizat] o tehnologie matură și că suntem într-o [anonimizat]. [anonimizat], iar zonele de cercetare pe termen lung în robotică trebuie luate în considerare. Relația reală și serioasă a cercetătorilor și a [anonimizat].

În ultimii ani a existat un interes considerabil în domeniul roboticii mobile și al tehnologiilor educaționale. [anonimizat] o multitudine de literatură care se ocupă de controlul roboților mobile pe roți (WMR) și de aplicațiile lor utilizând o multitudine de senzori. [anonimizat] a [anonimizat] a WMR nu a fost abordat în mod adecvat în literatura de specialitate.

[anonimizat]. [anonimizat] a oferi studenților un cadru general pentru analiza simulării și proiectarea sistemului de control bazat pe modele.

Conceptul MEMS care este destinate senzorilor (Micro-Electro-Mechanical-System) a luat naștere în anii 1980 [anonimizat] o prelungire tehnologică a microelectronicii bazată pe siliciu. Aceasta idee era de a complete tehnologiile pentru a trece de la circuitul electronic la microsisteme integrate. MEMS integrează pe un singur substrat semiconductor elemente electronice ([anonimizat], condensatoare), mecanice (cantilevere, micro-comutatoare), optice ([anonimizat]-oglinzi), electromagnetice, termice și fluidice (senzori de curgere), fiind în stare să măsoare parametrii fizici din mediul ambiant (presiune, accelerație, gaz ), dar și să acționeze (având integrate dispozitive mecanice la nivel micro: motoare, relee, pârghii).

[anonimizat] (capabila de operatii cu lățimi de bandă de frecvență mai mari și prezintă pierderi mai reduse ) pentru sisteme de comunicații fără fir.

1.2. [anonimizat]tăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca parte componentă a unui aparat sau sistem tehnic detector poate măsura/înregistra de exemplu presiunea, umiditatea, câmpul magnetic, accelerația, forța, intensitatea sonoră, radiații. Această denumire provine din latină: sensus care inseamnă simț.

Senzorul este un dispozitiv care măsoară o mărime fizică (masă, presiune, temperatură, umiditate) și o transformă într-un semnal care poate fi citit de către un observator printr-un instrument.

Exista mai multe clasificări, una dintre ele se referă la senzori de tip:

Activ: consumator de energie, de exemplu radar (măsurarea distanțelor prin emitere de radiații electromagnetice);

Pasiv: de exemplu fotorezistența cu care se poate măsura intensitatea luminii incidente.

În automatizare, informația calitativă/cantitativă măsurabilă livrată de senzori, după o eventuală amplificare și prelucrare servește la controlul și reglarea sistemelor tehnice automate.

Sistemele micro-electro-mecanice au fost concepute atât pentru înlocuirea unor produse, cât și pentru crearea altora noi. Costul scăzut asociat cu producția la scară foarte mare direcționează utilizarea microsistemelor spre aplicații care pretind o producție de masă. Microsenzorii integrați chimici, de presiune, temperatură, proximitate, accelerație, pentru aplicații din industria automobilelor reprezintă o mare familie a senzorilor de substituție. Tehnologia sistemelor inteligente de transport reprezintă un alt motor de dezvoltare pentru noile microsisteme.

Dispozitivele destinate îngrijirii sănătății sunt privite ca aplicații potențiale, atât pentru produsele de substituție, cât și pentru cele noi. Trăsătura fundamentală a aplicațiilor MEMS este aceea că ele detectează și influențează fenomenele în mod adecvat, acolo unde interacțiunea la scară micro se asociază cu efecte la scară macro. Dimensiunile mici, consumul scăzut de energie, o mare fiabilitate, un preț scăzut și compatibilitatea de a prelucra și furniza semnale de măsurare nedistorsionate într-o formă pe care utilizatorul o poate exploata ușor, constituie trăsături importante ale acestor senzori.

De obicei, microsenzorii nu interferează cu microfenomenele, ei putând urmări evenimentele la scară micro cu exactitate. Senzorii micro-electro-mecanici sunt capabili să perceapă natura unor fenomene ce se desfășoară la o scară mult mai mică decât senzorii de dimensiuni normale. Ei pot fi implementați în configurații cu dimensiuni micrometrice variabile în timp, pentru a supraveghea trecerea la granița dintre fenomenele micro la cele macro. Astfel, aplicațiile senzorilor MEMS în structurile rezonante, în studiul fenomenelor de flambaj, de curgere turbulentă, acustice, de stres termic și de schimbări de fază, sunt benefice.

Costul scăzut al microsenzorilor permit alocarea unui număr mult mai mare de puncte de măsurare în sistem decât pretinde sincronizarea răspunsului distribuit, în alocarea dinamică a sistemelor cu resurse rare sau în controlul redundant și în sistemele de management decizional. Deși marea majoritate a dispozitivelor sunt in prezent disponibile comercial se bazează pe microprelucrarea de volum. Microsistemele obținute prin microprelucrări de suprafață reprezintă producția dorită pentru produse viitoare.

Clasificarea senzorilor MEMS:

Traductori – dispozitive care transformă un semnal (electric, optic, mecanic) în energie electrică și/sau invers, conform unei legi determinate. Exemplu: traductoare de tensiune și de curent, de presiune, de temperatură, de nivel.

Actuatori – dispozitive care realizează conversia unui semnal electric sau termic în lucru mecanic sau căldură. Exemplu: actuator pentru încălzire pardoseală, actuator deschidere porbagaj, electrovalvă.

Senzori – dispozitive care preiau informația dintr-un anumit mediu, măsurând o anumită mărime fizică caracteristică (mecanică, termică, chimică, magnetică) și generează un semnal proporțional cu mărimea măsurată. Exemplu: senzori de accelerație, de temperatură, de umiditate, de tensiune, de proximitate.

Clasificarea senzorilor după forma semnalului măsurat:

Termic – măsoară temperatura, căldura, capacitatea calorică;

Radiant – raze gama, microunde, lumină vizibilă și inflaroșie;

Mecanic – accelerație, viteză, forță, presiune;

Magnetic – câmp magnetic, flux, permeabilitate magnetică.;

Chimic – nivel PH, umiditate, gaz, concentrație de vapori;

Biologic – proteine, hormoni, zaharuri.

Senzorii sunt din ce în ce mai mult folosiți pentru aplicații tehnice. Formând interfața dintre mediu și elementul de control, un senzor este un organ vital pentru un sistem artificial. Senzorii sunt folosiți la măsurarea parametrilor mecanici, biochimici, termici, magnetici și radianți.

Tendința actuală este de a fabrică senzori din ce în ce mai mici și de a integra întregul sistem senzor într-un singur cip. În acest fel, va fi posibil ca pentru o anumită sarcină, să se măsoare și să evalueze toți parametrii, într-un singur loc și la un anumit moment. Microsenzorii trebuie să prezinte o încredere ridicată, volum și masă mici și costuri de producție în masă scăzute. Aplicațiile prezente și viitoare ale microsenzorilor au cel mai ridicat potențial în industria de automobile, protecția mediului, tehnologia producției, tehnologia procesului și domeniul militar.

Cerințele solicitate de la ele sunt: precizie înaltă, siguranță ridicată pentru om, materiale și abilitatea de a furniza rezultate de încredere în timp real. Microsenzorii au devenit o unealtă indispensabilă pentru aplicațiile medicale, aceștia realizând măsurători continue ale diferiților parametrii fizici/chimici ai sângelui, cum ar fi temperatura, presiunea, valoarea pH-ului, volumul debitului și valorile respiratorii ca oxigenul, dioxidul de carbon sau anestezicele, sunt de o importanță specială. Se dorește a se utiliza cipuri cu senzori integrați care să poată măsura mai multe mărimi diferite în același timp. Folosind o varietate de senzori inteligenți și de procesoare de semnal, este posibil să se optimeze mai multe dintre operațiile de conducere a automobilelor. Senzorii chimici și biosenzorii sunt, de asemenea, importanți pentru procesarea alimentelor, unde trebuie observate continuu tot felul de materiale contaminate sau impurități. În ingineria proceselor, controlul exact al proceselor tehnologice depind de senzorii miniaturizați disponibili. Aici parametri de control trebuie să fie măsurați des, în mai multe locuri, cu diferite tipuri de senzori.

1.3. OBIECTIVE

Obiectivul cel mai important al acestei lucrări este de a pune în uz senzori care permit planificarea și controlarea unui robot mobil cu 4 roți pornind de la specificațiile tehnice ale acestuia. Strategiile dezvoltate sunt definite astfel încât planurile de mișcare să fie rapide și corect reactualizate la apariția unor schimbări în spațiul de lucru al robotului. Implementarea algoritmilor va permite testarea și funcționalitatea robotului.

Robotul mobil trebuie asamblat și programat în funcție de aplicația pe care dorim sa o creăm. Programul robotului se transmite prin cablu USB la placa arduino uno. Sarcinile pe care un robot mobil le poate avea în acest context este: controlarea robotului prin intermediul unei aplicații cu ajutorul modulului bluetooth și preluarea de date dintr-o încăpere folosind senzori de temperatură, umiditate, presiune atmosferică.

Fig. 1.3.1. Reprezenatre obiective

CAPITOLUL 2. STADIUL ACTUAL

Dispozitivele MEMS sunt componente foarte mici, microscopice. Manetele, angrenajele, pistoanele, motoarele și claritatea motoarelor cu aburi au fost fabricate de MEMS. Cu toate acestea, MEMS nu se rezumă doar la miniaturizarea componentelor mecanice sau realizarea lucrărilor din siliciu. MEMS este o tehnologie de fabricație o paradigmă pentru proiectarea și crearea de dispozitive și sisteme mecanice complexe, precum și electronice integrate, folosind tehnici de fabricare.

In ultimii ani s-au dezvoltat o serie de sisteme microelectromecanice, denumite generic MEMS

(Micro Electro Mechanical Systems). MEMS-urile sunt fabricate cu tehnologiile specifice circuitelor

integrate și cuprind sisteme mai mici de 100 micrometri. Intră în această categorie: microsenzori,

microactuatori, micromotoare, micropompe, micromanipulatoare.

Fig. 2.1. Componente MEMS

2.1. Bio-MEMS

În ultimii ani au aparut produse extrem de inovatoare care aparțin Bio-MEMS și se pot crea aplicații revoluționare pentru îngrijirea problemelor sociale majore. De exemplu, descoperirea drogurilor și monitorizarea apei dar și a mediului. Tehnologia se concentrează pe micro-fluidul sistemelor, precum și testarea, prelucrarea chimică și sunt dispozitive active care se aplică precum senzorii chimici, regulatoare de debit, micro duze. Există anumite dispozitive care permit manipularea și analiza rapidă, relativ convenabilă pentru un volum mic de lichide, un domeniu de interes deosebit în aplicații medicale la domiciliu. Utilizarea dispozitivelor pentru monitorizarea condițiilor proprii, cum ar fi analiza sângelui.

Aceste dispozitive se pot folosi de către orice persoană la domiciliu atâta timp cât dispozitivele sunt destinate acestui scop. Există persoane cu probleme grave de sănătate care pot beneficia de aparatură care conține microsenzori și pot fi o cale mai ușoară de diagnosticare.

2.2. MOEMS

Comunicațiile optice au apărut ca un singur mijloc practic de abordare a rețelei, creșterea problemelor legate de creșterea extraordinară a traficului de date cauzată de creșterea rapidă a

internetului. Tehnologia curentă de rutare încetinește fluxul de informații prin transformarea

semnalelor în informații electrice și apoi în lumină înainte de a le redirecționa. Toate comunicațiile optice oferă capacități de transfer și performanțe mult superioare sistemelor.

Cele mai semnificative produse pentru dispozitivele MOEMS includ ghidaje de undă, comutatoare optice, conexiuni, multiplexoare, filtre, modulatoare, detectoare, atenuatoare și egalizatoare. Micile lor dimensiuni au un cost redus, consum redus de energie, durabilitate mecanică și precizie ridicată.

Procesele de fabricare MEMS au ajuns în stadiul în care se fabrică în masă astfel de dispozitive. Un comutator optic tipic poate costa peste 1000 dolari, dar folosind MEMS, același nivel de funcționalitate poate fi atins pentru mai puțin de un dolar.

Fig. 2.2.1. Clasificare microsisteme

2.3. RF MEMS

RF MEMS este una dintre zonele cu cea mai rapidă creștere în tehnologia MEMS comercială. RF MEMS sunt concepute special pentru electronicele aflate în telefoane mobile și în alte aplicații de comunicare fără fir, cum ar fi radar, sisteme de poziționare globală prin satelit (GPS) și antene orientabile. MEMS a autorizat creșterea performanței, fiabilități și funcții de acordare a dispozițiilor în timp ce reduc dimensiunile și costurile în timp.

Tehnologia include elemente de reglare a circuitelor (condensatoare / inductoare, microfoane și comutatoare). Răspunsurile RF înlocuiesc elementele clasificate RF și permit o nouă generație de dispozitive RF. După cum se poate observa astăzi, dacă componentele RF MEMS continuă să înlocuiască componentele tradiționale pentru telefoane mobile din zilele noastre, atunci telefoanele ar putea să se revină la dimensiuni extrem de mici și să aibă un cost mult mai mic.

2.4. DISPOZITIVE PURTABILE

Tehnologia a avansat în zilele noastre încat dispozitivele purtabile precum ceasuri, brățări, ochelari sau îmbrăcămintea funcțională nu pot fi concepute fără senzori MEMS. Dispozitivile purtate aduc de asemenea creșterea valorii adăugate aplicațiilor industriale, medicale și de jocuri. Acest lucru este în special adevărat pentru Hub-uri de senzori și noduri de senzori specifici aplicației (ASSN). Sunt oferite până la 9 grade de libertate (DoF), precum un accelerometru pe 3 axe, un giroscop pe 3 axe și un magnetometru pe 3 axe, plus un microcontroler, toate într-o singură carcasă. Alți senzori externi, precum senzorii de presiune sau de lumină ambientală, pot conduce la un număr mai mare de 10 grade de libertate. În acest fel se oferă date senzoriale mai precise și mai robuste decât de la senzorii individuali existenți, chiar și în condiții dure. Datorită diferitelor tipuri de senzori, fiecare cu propriile caracteristici de abatere și zgomot, se compensează deficiențele senzorilor individuali.

Alte puncte pozitive: dispozitivele sunt mult mai mici și mai eficiente decât soluțiile discrete, calibrarea temperaturii și alte rutine de calibrare specifice utilizatorului nu sunt necesare, efortului de integrare și dezvoltare nu este necesar, astfel încât se scurtează timpul până la lansarea pe piață, permițând dezvoltatorilor să se concentreze pe aplicația lor și să ajungă pe piață mult mai rapid.

În momentul acesta există în top 2 senzori foarte des utilizati în dispozitive. BMX055 de la Bosch Sensortec în carcasă 3 × 4,5 mm² și LSM9DS0 de la STMicroelectronics în carcasă 4 × 4 mm² sunt module senzoriale digitale cu 9 grade de libertate (DoF), oferind cel mai mare nivel de integrare din industrie pentru senzori MEMS individuali. Ambele module includ un accelerometru pe 3 axe, un giroscop pe 3 axe și un magnetometru pe 3 axe. Datorită dimensiunilor compacte, aceste dispozitive sunt ideale pentru aplicații în care spațiul este limitat.

Fig. 2.4.1. BMX055 și LSM9DS0

CAPITOLUL 3. APLICAȚII ALE SENZORILOR MEMS

Până în prezent, doar o parte din dispozitive bazate pe MEMS sunt comercializate. Acest lucru este destul de deprimant, având în vedere multe facilități de cercetare și personalul de cercetare implicat în acest domeniu. Dar o privire mai atentă va dezvălui că în 20 de ani de lucrări efectuate în acest domeniu, cantitatea de resurse implicate în cercetarea și dezvoltarea MEMS au crescut. Acest lucru poate fi văzut din numărul de lucrări publicate până în prezent. Această explozie recentă în interes în zona MEMS ar fi putut fi un rezultat al comercializării cu succes a unor produse de profil înalt.

3.1. MICROSENZORI

Există selecții de senzori bazate pe MEMS care au fost comercializate. Una dintre cele mai frecvente aplicații ale senzorilor MEMS vin sub forma unui accelerometru în instalarea airbag-ului de siguranță în mașină.

Câteva exemple de senzori MEMS:

Senzori de presiune;

Accelerometru pentru măsurarea accelerației;

Giroscop pentru măsuarea rotației.

Senzorul de implementare airbag este una dintre cele mai timpurii utilizări ale senzorilor MEMS în mașini. O altă utilizare posibilă a senzorilor MEMS include controlul cantității de vibrații de pe o mașină folosind accelerometrul împreună cu sistemul de suspensie. De asemenea, prin măsurarea rotației mașinii cu giroscopul, este posibil să se decidă dacă șoferul pierde controlul mașinii și, prin urmare, sa apară desfășurarea sistemului de frânare. În afara industriei auto, giroscopul poate fi utilizat pentru a verifica rotațiile pieselor esențiale ale mașinii, astfel încât să prevină deteriorarea critică. Ca exemplu ar fi turbina de motoare și centrale electrice.

3.2. OGLINZI OPTICE

Micro-oglinzile MEMS pot fi utilizate la realizarea senzorilor optici și a afișajului, ambele implicând controlul și conducerea benzii de lumină. Informațiile sunt transferate la oameni de la dispozitive electronice prin intermediul tehnologiilor de afișare, cum ar fi Tuburi Cathode Ray (CRT) și Liquid Crystal Display (LCD). În viitor această aplicație este un candidat pentru a le înlocui tehnologiile de afișare. Acest lucru se datorează costului redus și performanței ridicate a micro-oglinzilor. În plus, datorită proceselor și instalațiilor similare utilizate la fabricarea micro oglinzilor MEMS, este relativ ușor să fie încorporate cu cipul IC de control pe un singur substrat de siliciu.

3.3. MICRO-ACTUATOARE (MICROPOMPE ȘI MICRO-DISPOZITIVE DE PRINDERE)

După cum sugerează titlul, micropompa MEMS este o versiune în miniatură. Cu toate acestea, metoda de pompare a fluidelor și gazelor poate fi foarte diferită de cea a celorlalte metode. Unele dintre cele mai interesante metode de pompare sunt prin folosirea undelor sonore și expansiunea termică a fluidului. Un exemplu de pompă mems de mare succes vine sub forma capului de imprimare cu jet de cerneală.

Aceste dispozitive sunt compuse dintr-o serie de elemente de încălzire pe bază de senzori MEMS, care sunt poziționate în cerneală, în spatele orificiilor simple. Când încălzitorul este pornit, se formează o bulă în cerneală care trage fluidul prin orificiu. Poziționarea precisă a bulei poate fi realizată prin poziționarea elementului de încălzire.

Tehnologia bazată pe MEMS este încă departe de a produce micro roboți care pot face intervenții chirurgicale în corpul uman, sau sateliți de siliciu de dimensiuni de câțiva centimetri. Acest lucru se datorează parțial faptului că, deși fabricarea microfabricatelor a progresat deja în măsura în care se pot crea mai multe straturi de structură plană cu precizie, în mod normal nu permit asamblarea și, astfel, limitează fezabilitatea producerii de microstructuri complexe, în special tridimensionale. Pentru a realiza structuri mai sofisticate, asamblarea micro-componentelor este indispensabilă. În plus, întreținerea și modificarea unor astfel de sisteme vor necesita, prinderea și manipularea din sisteme.

CAPITOLUL 4. SENZORI DE PRESIUNE MEMS

4.1. CLASIFICARE SENZORI DE PRESIUNE

Există mai multe tipuri de senzori de presiune, cum ar fi:

Senzori de presiune digitali (Digital);

Senzori de presiune integrați (Integrated);

Senzori de presiune compensați (Compensated);

Senzori de presiune necompensați (Uncompensated).

Sensibilitatea ridicată și repetabilitatea pe termen lung fac din senzorii de presiune alegerea cea mai bună pentru o mare varietate de aplicații de înaltă performanță.

Aplicațiile senzorilor de presiune sunt foarte variate:

Îmbunătățirea navigației GPS;

Orientarea în clădiri și pe teren;

Monitorizări diverse: sănătate, sport, activități de timp liber;

Prognoza meteo;

Indicarea vitezei de mișcare pe verticală;

Controlul ventilatoarelor.

Fig. 4.1.1. Domenii în care se utilizează MEMS

4.2. SENZORI DE PRESIUNE DIGITALI

Senzorii de presiune digitali comunică serial pe I2C sau SPI, oferind o conexiune directă la procesorul principal din sistem pentru simplitatea comunicației și flexibilitate.
MPL115A este un barometru simplu, cu ieșire digitală pentru aplicații la un cost eficient. Acesta utilizează un senzor de presiune MEMS cu un circuit integrat care prelucrează semnalele pentru a furniza date exacte de presiune. Un convertor analog/digital (ADC) livrează valorile temperaturii și presiunii la ieșirile senzorului, fie printr-o interfață serială periferică (SPI) (MPL115A1), fie prin port I2C (MPL115A2).

Fig. 4.2.1. MPL115A1 și MPL115A2-scheme bloc

Datele de calibrare care se găsesc într-o memorie ROM de pe placa de circuit sunt folosite de către microcontrolerul gazdă în algoritmi de compensare a datelor brute de la senzori și pot fi accesate în orice moment. Datele de calibrare sunt accesate, de obicei, atunci când microcontrolerul comunică cu senzorul. MPL115A1 funcționează ca un sclav SPI, cu viteze de până la 8 Mbps. MPL115A2 funcționează ca un I2C capabil să ajungă la o viteză de până la 400 Kbps Ambele variante sunt oferite într-o capsulă LGA cu dimensiuni 5.0mm × 3.0mm × 1.2mm (maxim) și pot funcționa în gama -40°C – +105°C. Toate variantele se montează pe suprafață și sunt conforme cu RoHS.

Caracteristici MPL115A

Informațiile digitalizate livrate despre presiune și temperatură împreună cu coeficienți programați de calibrare pentru utilizarea de micro-gazdă;

Calibrare în fabricație;

Gama de presiune absolută: de la 50kPa până la 115kPa;

Acuratețea: 1kPa;

Alimentare de la 2.37V până la 5.5V;

Convertor: ADC integrat;

Comunicație: SPI sau interfață I2C;

Ieșiri date: presiune monotonă și temperatură.

4.3. SENZORI DE PRESIUNE INTEGRAȚI

Senzorii de presiune integrați care sunt calibrați, se compensează cu temperatura și amplificarea. Proiectarea sistemului global este simplificată, deoarece necesită mai puține componente externe.

4.4. SENZORI DE PRESIUNE COMPENSAȚI

Senzorii de presiune sunt calibrați și au temperatura compensată. Mulți dintre senzorii de presiune din cadrul seriei compensate pot fi folosiți pentru piața medicală. Senzorii de presiune monitorizează starea pacientului prin diagnosticare precisă și sigură într-o gamă largă de condiții.
Dispozitivele sunt proiectate special pentru aplicații în care cerințele de înaltă calitate și fiabilitate sunt deosebit de importante și sunt construite folosind materiale verificate în decursul timpului în industria de aparate medicale.

4.5. SENZORI DE PRESIUNE NECOMPENSAȚI

Senzorii de presiune necompensați sunt o serie de bază de dispozitive ce livrează semnale necompensate și necalibrate. Sistemul la care sunt conectați trebuie să se implice mai mult pentru a efectua compensarea pentru senzor. Acești senzori de presiune sunt bazați pe MEMS și oferă soluții robuste pentru piața de aparate medicale, de consum, industriale și auto.

4.6. SENZORI DE PRESIUNE CE SE BAZEAZĂ PE O TEHNOLOGIE PIEZOREZISTIVĂ

Acești senzori constau într-o diafragmă de siliciu microprelucrată și o marcă tensometrică difuză, piezoelectrică. Când există vacuum sau presiune pe dispozitiv, diafragma este deformată. Constrângerile care rezultă vor crea o variație a rezistenței stratului piezorezistiv. Pentru a citi această variație, se trece un curent de excitație prin acest strat și apare o tensiune proporțională cu presiunea aplicată. Pentru a obține o citire corectă de presiune, o astfel de detectare trebuie să fie, de obicei, calibrată, compensată cu temperatura și amplificată. Senzorul combină tehnici avansate de microtehnologie și prelucrare a semiconductoarelor pentru a oferi o precizie la nivel înalt și ieșire analogică, care este proporțională cu presiunea aplicată. Senzorii IPS (Integrated Pressure Sensors) pot fi conectați direct la un convertor A/D. Senzorii au ca specificație funcția de transfer, care în cazul celor integrați este liniară.

Măsurarea presiunii poate fi împărțită în 3 categorii: Absolută, Gage și Diferențială.

Presiunea Absolută se referă la valoarea absolută a forței pe unitatea de suprafață exercitată pe o suprafață de lichid. În consecință, presiunea absolută este diferența dintre presiunea într-un punct dintr-un fluid și de zero absolut de presiune sau a unui vid perfect.

Fig. 4.6.1. Presiunea Gage

Presiunea Gage este măsurarea diferenței între presiunea absolută și presiunea locală atmosferică. Presiunea atmosferică locală poate varia în funcție de temperatura mediului, altitudine și de condițiile meteorologice locale. Presiunea atmosferică standard la nivelul mării și la 20°C este 101.325 kPa absolut. Atunci când se referă la presiunea de măsurare, este esențial să se precizeze care este referința. Presiunea este legată de Gage sau absolută. O presiune Gage, prin convenție, este întotdeauna pozitivă. O presiune negativă Gage este definită ca vid.

Presiunea Diferențială este pur și simplu măsurarea unei presiuni necunoscute cu referire la o altă presiune necunoscută. Presiunea măsurată este diferența dintre cele două presiuni necunoscute. Deoarece o presiune diferențială este o măsurare de presiune referitor la alta, nu este necesar să se precizeze o referință de presiune.

4.7. SENZORI MEMS DE ACCELERAȚIE

Senzorii miniaturizați de accelerație își vor găsi locul mai ales în industria automomobilelor. Ei sunt, de asemenea, de interes pentru industria aeronautică și spațială și pentru multe alte aplicații.

Microsenzorii pentru accelerație vor ajuta la îmbunătățirea confortului, siguranței și calității conducerii automobilelor. Totodată, ca ele să devină un produs de interes general, costurile lor de producție trebuie să fie drastic scăzute. Ca și în cazul presiunii, accelerația este, de obicei, detectată prin metode piezorezistive sau capacitive. Cel mai adesea este folosită o consolă elastică la care este atașată o masă. Atunci cand senzorul este accelerat, masa deplasează consola și deplasarea este înregistrată de senzor. Acest tip de senzori folosesc metoda de măsurare capacitivă pentru a înregistra deviația.

Fig. 4.7.1. Microsenzor capacitiv

Un senzor capacitiv este un senzor care funcționează pe baza schimbării capacității electrice a unui condensator individual sau a unui sistem de condensatori. Capacitatea poate fi influențată de mărimea care trebuie înregistrată în diferite moduri, care sunt determinate în primul rând de utilizarea prevăzută.

Un senzor capacitiv se bazează pe faptul că doi electrozi , dintre care unul poate fi suprafața de măsurat, formează „plăcile” unui condensator electric. Capacitatea sau modificarea capacității sale este măsurată. Capacitatea este influențată de următoarele principii:

placa este deplasată sau deformată prin efectul de măsurat, care schimbă distanța dintre plăci și astfel are capacitatea măsurabilă pe partea electrică;

plăcile sunt rigide, iar capacitatea se schimbă, deoarece materialul poate să fie conducător electric sau un dielectric adus în imediata apropiere;

zona efectivă a plăcii se schimbă prin mișcarea plăcilor una față de alta ca un condensator variabil;

efectul de măsurat influențează permisivitatea (constantă dielectrică) a dielectricului.

Pentru a putea detecta mai bine chiar și mici schimbări, electrodul de măsurare este adesea înconjurat de un electrod de ecranare care protejează zona de margine neomogenă a câmpului electric de la electrodul de măsurare. Acesta rezultă într-un câmp electric aproximativ paralel, cu caracteristica cunoscută a unui condensator ideal pentru plăci între electrodul de măsurare și contra electrodul de obicei pus la pământ .

De asemenea , ecranele tactile capacitive funcționează conform celui de-al doilea principiu menționat, dar nu fac obiectul acestui articol și nu vor fi menționate ca senzori.

Pentru a măsura efectiv accelerația cu acest principiu, piezorezistorii sunt plasați în puncte ale consolei unde se produce deplasarea maximă. Stabilitatea și precizia senzorului se îmbunătățește cu creșterea numărului de piezoelemente. O altă metodă pentru a înbunătății sensibilitatea este prin creșterea masei mobile. Centrul de greutate al masei trebuie sa fie cât mai aproape de capătul consolei. Accelerația este determinată din variația rezistenței.

Fig. 4.7.2. Microsenzor piezorezistiv

4.8. SENZORI MEMS ÎN DOMENIUL AUTOMOTIVE

Senzorii MEMS au luat naștere prin intermediul domeniului automotive fiind utilizați la sistemele electronice precum ABS, ESP, Airbag, ca mai târziu să fie preluat și în alte domenii precum telecomunicații, la fabricarea smartphon-urilor, industria aeronautică și spațială.

Fig. 4.8.1. Microsenzor piezorezistiv

CAPITOLUL 5. DESCRIEREA PRODUSULUI

Arduino Bluetooth Utility Vehicle este un sistem de dezvoltare a aplicațiilor de învățare cu un singur cip, bazat pe nucleul Atmega-328 al familiei Arduino MCU. Robotul mobil este control cu ajutorul unei aplicații deja existentă folosind un modul bluetooth. Sistemul mecatronic se poate controla de pe telefonul mobil sau de pe tableta și preia datele dintr-o încăpere sau din exterior. Pe robot sunt montați 2 senzori. Cei 2 senzori utilizați sunt pentru preluarea temperaturii, umidității și a presiunii atmosferice. Datele preluate de senzori vor fi afișate pe un LCD.

Fig. 5.1. Schemă conectare componente

5.1. SPECIFICAȚII, CARACTERISTICI ȘI COMPONENTELE ROBOTULUI

Listă componente:

4 x Motor DC;

4 x Roți;

1 x L298N Driver motor;

1 x Arduino UNO328;

1 x Arduino senzor shield V5;

1 x MCU remote control;

1 x 18650 battery box;

1 x 18650 charger;

1 x Bluetooth module;

1 x Set ditanțier ( 35 mm x 6, 20 mm x 3, 6 mm x 6 );

Șuruburi;

Potențiometru;

Mini breadboard.

Arduino UNO328 constituie o platformă de procesare tip open-source, bazată pe software și hardware flexibil construită în jurul unui microcontroler ATMEGA 328P-PU, capabil să preia date printr-o serie de senzori conectați la pinii plăcii și de a acționa asupra altor dispozitive ca LED-uri, motoare, servomotoare, sau alte tipuri de dispozitive mecanice pe baza unor comenzi cuprinse în programul scris într-un limbaj de programare, similar cu limbajul C++ fiind încărcat în memoria microcontrolerului.
Placa Arduino Uno poate fi alimentată cu ajutorul portului USB al calculatorului sau de la o sursă externă. Selectia surselor se face automat. Sursa externă poate fi un adaptor AC/DC sau baterii. Adaptorul este un jack de 2.1 mm, având plusul pe centru. Firele de la baterie pot fi conectate fie prin intermediul aceluiași port sau pot fi conectate la pinii GND respectiv VIN ai conectorului POWER.
Placa poate să funcționeze cu tensiuni între 6 și 20 volți dar valorile de tensiune recomandate sunt în gama 7 – 12 volti. Pinii de alimentare sunt urmatorii:

VIN. Intrare pentru alimentare cu tensiune externă pentru situația când nu se folosește conectarea la portul de USB al calculatorului care oferă și el o tensiune de 5 volți. Se poate alimenta prin acest pin (cu 7-12V) sau se poate accesa tensiunea de intrare prin acest pin.

5V. Acest pin furnizează o tensiune stabilizată de 5V obținută din stabilizatorul intern al plăcii.
Alimentarea cu tensiune exterioară prin pinii 5V sau 3.3V poate distruge placa.

3V3. Acest pin furnizeaza o tensiune de 3.3 la un curent maxim de 50 mA generată de un stabilizator intern. Tensiunea poate fi utilizată pentru aplicații care necesită alimentarea la 3,3 volti.

GND. Pini de masă.

IOREF. Acest pin generează o tensiune de referință cu care microcontrolerul poate opera.

Memoria. Microcontrolerul ATmega328 are 32 KB de memorie din care 0.5 KB sunt utilizați pentru bootloader. Conține de asemena 2 KB de SRAM și 1 KB de memorie EEPROM.

Input and Output. Fiecare din cei 14 pini digitali al plăcii Arduino Uno pot fi utilizați ca input sau output, utilizând funcțiunile pinMode (), digitalWrite () și digitalRead (). Pinii funcționează la 5 volți și pot furniza sau absorbi un curent de maximum 40 mA și datorită unui pull-up rezistor, care sunt deconectate, având valoarea de 20-50 khms.

O pare din pini au funcții speciale:
Serial. 0 (RX) și 1 (TX). Sunt utilizați pentru recepția (RX) și transmisia (TX) datelor seriale TTL. Acești pini sunt conectați la pinii corespunzători ai ATmega8U2, care au rolul de convertor USB/TTL Serial chip.
Intreruperi externe. Acești pini pot fi configurați ca pini pentru întreruperi externe.
PWM. Sunt ieșiri cu funcții PWM pe 8-biți prin funcția analogWrite ().
SPI. Sunt pini care asigură comunicația SPI prin utilizarea librăriei SPI.
LED. Este singurul LED conectat pe portul digital 13. Atunci când acest pin este HIGH atunci LED-ul este ON iar când valoarea lui este LOW atunci acest LED-ul este OFF.

Placa Arduino Uno are 6 intrari analogice, numerotate de la A0 la A5, fiecare permit o rezoluție pe 10 biți, asta însemnând un număr de 1024 valori diferite. În mod normal permit măsuratori a unor valori de tensiune în gama 0- 5 volți, dar este posibilă modificarea prin folosirea unei tensiuni diferite la pinul AREF (analogReference).

TWI: A4 sau SDA pin și A5 sau SCL pin, permit comunicația TWI, cu sprijinul librariilor Wire library.

AREF. Furnizează o tensiune de referință pentru întrările analogice, prin utilizarea funcției analogReference ().

Reset. Punerea acestui pin în LOW are loc un RESET al microcontrolerului. În mod normal este utilizat la conectarea unui buton de RESET.

Comunicarea. Arduino Uno permite comunicarea cu PC-ul, cu un alta placă Arduino sau cu alte microcontrolere. ATmega328 asigură comunicații seriale UART TTL (5V), pentru care sunt prevăzuți pinii digitali D0 (RX) și D1 (TX). Placa este prevăzută și cu un ATmega16U2 care asigură o comunicație serială USB care apare ca și port virtual pentru software-ul calculatorului. Firmware-ul din ATmega16U2 utilizează drivere USB standard și nu are nevoie de drivere externe ci doar de un fisier.
Arduino software are inclus și un serial monitor care permite vizualizarea datelor text transferate. Două LED-uri, unul montat pe RX și altul pe TX vor clipi atunci cand datele circulă prin USB la calculator.
ATmega328 suportă și comunicații I2C (TWI) sau SPI. Software-ul de la Arduino include și o librărie Wire library ce simplifică comunicația pe portul I2C. Comunicația SPI utilizează la rândul ei o librarie SPI.

Programarea. Microcontrolerul de pe placa Arduino poate fi programat prin mediul Arduino, dacă se selectează Arduino Uno din meniu-ul Tools, alegând corect tipul microcontrolerului de pe placă.
De remarcat este ca microcontrolerul ATmega328 de pe Arduino Uno, vine încărcat cu un bootloader care oferă posibilitatea ca să se poată încărca noul cod, fără utilizarea unui dispozitiv hardware suplimentar. Comunicația are loc folosind protocolul STK500. Dacă se dorește programarea fără folosirea bootloader-ului, se pot folosi pinii ICSP (In-Circuit Serial Programming). Această metodă oferă avantajul de a câștiga 0,5 kB din memorie, care în mod normal este ocupată de bootloader, însă există dezavantajul de a avea nevoie de un programator extern.

Fig. 5.1.1. Placă de dezvoltare Arduino

Arduino senzor shield V5 Shield-ul este utilizat pentru a simplifica conectarea firelor și a componentelor. Plăcuțele Arduino compatibile, folosesc plăci de expansiune cu circuite imprimate numite shield-uri, care se conectează la pinii disponibili pe Arduino. Shield-urile au capacități de a controla motoare, GPS, Ethernet, LCD.

Fig. 5.1.2. Arduino senzor shield V5

L298N Driver motor folosește driverul dublu full ST L298N, un circuit monolitic integrat într-un pachet Multiwatt și PowerSO20. Este un driver cu punte completă de înaltă tensiune, proiectat pentru a accepta nivelurile logice standard TTL și pentru a conduce sarcini inductive precum relee, solenoide, curent continuu și motoare cu pas. Două intrări de activare sunt furnizate pentru a activa sau dezactiva dispozitivul independent de semnalele de intrare. Emitenții tranzistoarelor inferioare ale fiecărui port sunt conectați împreună și terminalul extern corespunzător poate fi utilizat pentru conectarea unui rezistor extern de detectare. O intrare suplimentară de alimentare este furnizată astfel încât logica să funcționeze la o tensiune mai mică.

Specificatii:

Driver: L298N;

Sursa de alimentare a driverului: + 5V, + 46V;

Putere logică Vss: + 5, + 7V (alimentare internă + 5V);

Curentul logic: 0, 36mA;

Nivel de control: scăzut -0.3V, 1.5V, ridicat: 2.3V;

Activează nivelul semnalului: scăzut -0.3V, 1.5V, ridicat: 2.3V;

Putere maximă: 25W (temperatura 75 ﮿C);

Temperatura de lucru: -25 ﮿C, + 130 ﮿C

Dimensiune: 60mm * 54mm

Greutatea șoferului: aprox. 48g

Alte extensii: sondă de curent, indicator de direcție de control, comutator de tracțiune, alimentare electrică.

Fig. 5.1.3. Schemă driver motor

CSA. Pinul de test curent pentru motorul A, acest pin poate fi conectat la un rezistor pentru testarea curentului.

CSB. Pinul de test curent pentru motorul B, acest pin poate fi conectat la un rezistor pentru testarea curentului.

VMS. Este sursa de alimentare 5V-35V pentru motor. VMS este pozitiv, GND este negativ.

5V. Puterea de intrare pentru circuitul logic de pe placă.

EA/EB. EA/EB este pinul de activare pentru cele două motoare A / B, viteza motorului poate fi controlată și de PWM-ul acestui pin.

IN1/2/3/4. IN 1/2/3/4 este pinul pentru controlul motorului. Motorul B este identic cu motorul A.

Fig. 5.1.4. Legături driver motor

Senzor de temperatură și umiditate este un senzorul digital de temperatură și umiditate DHT11 care are o ieșire de semnal digital calibrată fiind un senzor combinat. Acesta utilizează o tehnologie dedicată de captare a modulelor digitale. Tehnologia senzorilor de temperatură și umiditate se asigură că produsele au o fiabilitate ridicată și o stabilitate excelentă pe termen lung. Senzorul include un element rezistiv și dispozitive de măsurare, cu un microcontroler de înaltă performanță conectat pe 8 biți .

Fig. 5.1.5. Desen senzor DHT11

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 3.3 V – 5 V;

Curent: 2.5 mA (maxim);

Gama de măsurare a umidității: 20% – 95% RH;

Eroarea măsurării umidității: ±5% RH;

Gama de măsurare a temperaturii: 0 oC – 60 °C;

Eroarea măsurării temperaturii: ±2 oC;

Nu funcționează sub 0°C.

Temperatura este măsurată de un NTC, iar umiditatea relativă este măsurată folosind un senzor capacitiv. Aceste elemente sunt pre-calibrate, iar ieșirea este oferită ca semnal digital. Acest senzor este compatibil cu cele mai populare plăcuțe de dezvoltare, precum Arduino. Senzorul de temperatură și umiditate DHT11 este foarte convenabil, oferind precizie bună, simplitate în utilizare și dimensiuni reduse la un preț mic. Senzorul poate măsura umiditatea în intervalul 20% – 90%, cu o precizie de 5% și temperatura în intervalul 0 – 50 ˚C, cu o precizie de 2 ˚C.

Date de conectare:

Pin-ul 1 se conectează la pin-ul de 5 V sau 3.3V al plăcii de dezvoltare;

Pin-ul 2 se conectează la un pin digital;

Pin-ul 4 se conectează la un pin GND al plăcii de dezvoltare.

Senzorul nu are inclus un rezistor de pull-up, așa că se poate folosi un rezistor 0.25W, 4.7KΩ. Acest rezistor de pull-up se conectează între pin-ul de alimentare și pin-ul de date. (în cazul în care senzorul are 4 pini, unul trebuie să fie pentru conectarea rezistorului)

Senzor de presiune atmosferică

Caracteristici tehnice:

Interval de presiune: 300 -1100 hPa (+ 9000 m, -500m în raport cu nivelul mării);

Tensiunea de alimentare: 1.8 V- 3.6 V (V DD ); 1.62 V – 3.6 V (V DDIO );

Pachet: Pachet LGA cu capac metalic;

Amprentă mică: 3,6 mm x 3,8 mm;

Super-plat: 0.93mm înaltime;

Putere redusă: 5 µa la 1 probă / sec. în modul standard;

Zgomot redus: 0,06 hPa (0,5 m) în modul de putere foarte mică;

Mod de rezoluție avansat 0,02hPa (0,17 m);

Masurarea temperaturii incluse;

Interfață I2C;

Complet calibrat;

Fără Pb, fără halogen și conform RoHS.

Descriere generală

BMP180 este succesorul compatibil cu funcțiile BMP085, o nouă generație de senzori de presiune digitali de precizie pentru aplicații de consum.

Electronica de înaltă putere și joasă tensiune a BMP180 este optimizată pentru utilizarea în telefoanele mobile, PDA, dispozitive de navigație GPS și echipamente exterioare. Cu un zgomot de altitudine mică de doar 0,25 m la timp de conversie rapid, BMP180 oferă performanțe superioare. Interfața I2C permite o utilizare simplă pentru integrarea sistemului cu un microcontroler.

BMP180 se bazează pe tehnologia piezo-rezistivă pentru robustetea EMC, precizie ridicată și liniaritate precum și stabilitatea pe termen lung. Robert Bosch este liderul pieței mondiale pentru senzori de presiune în aplicații auto. Bazat pe experiența a peste 400 de milioane de senzori de presiune în domeniu, BMP180 continuă un nou generarea de senzori de presiune micro-prelucrați.

Funcționarea senzorului BMP180

BMP180 constă dintr-un senzor piezo-rezistiv, un convertor analogic digital și o unitate de control cu E2PROM și o interfață serială I2C. BMP180 oferă valoarea presiunii necompensate și temperatura. E2PROM a stocat 176 de biți de date de calibrare individuale. Acest lucru este obișnuit pentru dependența de temperatură și alți parametri ai senzorului.

UP = date de presiune (de la 16 biți la 19 biți)

UT = date de temperatură (16 biți)

Folosind diferite moduri, compromisul optim între consumul de energie, viteză și rezoluția poate fi selectată, vezi tabelul de mai jos(tabel 5.1).

Tabel 5.1. Prezentare generală a modurilor de precizie hardware BMP180

Fig. 5.1.5. Fluxul de măsurare BMP180

Modul (putere ultra redusă, standard, rezoluție înaltă, rezoluție ultra înaltă) poate fi selectat de variabilele (0, 1, 2, 3) din codul C. Calcularea temperaturii și presiunii reale în pași de 1Pa (= 0,01hPa = 0,01mbar) și temperatura în trepte de 0,1°C.

Presiunea aerului este definită ca greutatea unei coloane de aer de deasupra unei suprafețe.
Aerul este alcătuit din diferite gaze: oxigen, azot, dioxid de carbon, vapori de apă și alte gaze. Deoarece aceste gaze au masă, aerul este atras de catre pământ de forța de atracție gravitațională. Efectul acestei forțe exercitate pe o anumită suprafață este presiunea atmosferică. Cu cât este mai mare masa de aer care apasă o suprafață cu atât mai mare este și presiunea exercitată de ea.
Presiunea se definește ca forța ce apasă normal pe unitatea de suprafață.

(5.1)
Presiunea atmosferică este forța cu care aerul apasă uniatea de suprafață a Pamântului. Unitatea de masură a presiunii în sistemul internațional este Pascalul. 1 Pascal = 1 Pa = 1 N/m2
Pentru presiunea atmosferică se utilizează în practică milimetrul coloană de mercur (Hg) 1mm Hg este presiunea exercitată de o coloană de Hg cu înalțimea de 1 mmm asta însemnând
133.28 N/m2 (densitatea Hg x accelerația gravitațională x înălțimea)

În domeniul științific se preferă milibarul care reprezintă un hectopascal adică: 1mb = 100 Pa = 1hPa. Instrumentul utilizat pentru determinarea presiunii atmosferice se numeste barometru.
Barografele pot efectua înregistrari continue pe hârtie ale presiunii atmosferice.
Barometrele standard sunt barometre cu mercur (Hg). Sunt foarte senzitive dar costisitoare iar mercurul este otravitor. Cele mai utilizate barometre sunt barometrele aneroide. Elementul de baza al barometrului aneroid este o membrana care se dilată in funcție de apăsarea exercitată de aerul atmosferic.

Presiunea atmosferica variază cu altitudinea. Cu cât altitudinea este mai mare cu atât presiunea va fi mai mică. O bună aproximație este următoarea: la fiecare 100 m urcați în altitudine presiunea variază cu 10 mb. Aproximația este valabilă până la aprox. 3000 m deasupra nivelului mării. Presiunea atmosferică are aceiasi valoare în interior și în exteriorul unei clădiri. De aceea este suficient să plasăm un barometru pe peretele interior al unei clădiri. Barometrul trebuie să fie calibrat la o valoare standard.

Presiunea este marimea fizică egală cu forța ce actionează normal asupra unei suprafețe, împărțită la aria acelei suprafate. Presiuena se masoara in sistemul international in Newton/mp.
1 N/mp=1Pa (Pascal). În practică se folosesc și alte unități de măsură pentru presiune: stația meteo automată a școlii folosește ca unități pentru presiune: 1mm Hg (milimetru coloana de mercur sau torr de la numele lui Torriceli), 1mm Hg=1 torr=133.3 N/mp, 1mb (milibar)=99.98 N/mp, 760 mm Hg = 1013.3 mb, considerată presiunea atmosferică normală, 1hPa (hectopascali), 1hPa=100Pa=100N/mp.

Presiunea atmosferică este definită ca greutatea coloanei de aer având secțiunea unitate. Presiunea atmosferică variază cu altitudinea.
Relatia între altitudine, presiune și temperatură a fost gasită de Laplace și are urmatoarea formă:

h = 8000(1+at)ln(p0/p)

unde:

p=po*exp (-h/(8000(1+at)))

este presiunea la sol, p presiunea la altitudinea h, h este altitudinea, t temperatura în grade Celsius, a = 1/273 și reprezintă coeficientul de dilatare termică al gazului ideal.

Formula de mai sus poate fi folosita pentru:

aflarea diferentei de nivel intre doua puncte;

reducerea presiunii la nivelul marii;

determinarea treptei barice.

Cu cât altitudinea va fi mai mare presiunea atmosferica va fi mai mică. Pentru a compensa această particularitate și pentru a putea face diferența între diferite localități aflate la altitudini diferite, presiunea atmosferică este ajustată la un echivalent al presiunii la nivelul mării.

5.2. SCHEMĂ BLOC ROBOT MOBIL

În schema bloc sunt prezentate legăturile dintre componentele robotului mobil.

Fig. 5.2.1. Schemă bloc

Alimentarea robotului mobil cu 4 roți se face cu 6 baterii având firele legate atât la placa de dezvoltare Arduino, cât și la driver-ul de motor. Driver-ul de motor alimentează cu curent cele 4 motoare de curent continuu care determină mișcarea celor 4 roți. Cei 2 senzori de umiditate și de presiune atmosferică sunt conectați pe senzorul shield Arduino. Modulul Bluetooth are o zonă special dedicată pe shield-ul Arduino. LCD- ul afișează datele pe care senzorii le preiau din exterior.

Robotul realizat este prezentat în imaginile de mai jos:

Fig. 5.2.2. Afișare date LCD

Fig. 5.2.3. Robot mobil

5.3. SCHEMĂ LOGICĂ ROBOT MOBIL

Fig. 5.3.1. Schemă logică robot

CAPITOLUL 6. REALIZAREA PRACTICĂ

Structura robotului este realizată din 2 plăci din plexiglas, având aceleași dimensiuni. Acestea sunt debitate în așa fel încât se pot asambla distanțierii și șuruburile. Pe plăci există găurile pentru șuruburi unde se fixează contrucția robotului și se asamblează senzorii/placa de dezvoltare/ driver-ul de motor și motoarele DC. Roțile sunt asamblate pe axul motorului de curent continuu.

Fig. 6.1. Asamblare motoare DC și roți

Fig. 6.2. Asamblare driver motor

Fig. 6.3. Asamblare placă superioară

Fig. 6.4. Asamblare placă de dezvoltare, shield, alimentare

Fig. 6.5. Asamblare senzori

Fig. 6.6. Asamblare mini breadboard și LCD

CAPITOLUL 7. MĂSURI DE PROTECȚIE ȘI TEHNICA SECURITĂȚII MUNCII

Există o mulțime de obligații în ceea ce privește elaborarea, aplicarea și respectarea normelor de protecție a muncii, precum și a instrucțiunilor aferente acestora. Legislația în vigoare menționează reguli exacte legate de organizarea protecției muncii și de responsabilizare. Umătoarele obligații importante sunt:

asigurarea încă din faza de cercetare, proiectare și execuție a sistemelor că există soluții eficiente pentru eliminarea sau reducerea la minimum a riscurilor de accidentare și îmbolnăvire în timpul procesului;

asigurarea și verificarea că toate persoanele cunosc și aplică măsurile tehnice și organizatorice. Este important ca persoana care execute asamblarea să ia în calcul măsurile de prevenție;

furnizarea tuturor persoanelor implicate care lucrează la un anumit sistem, materiale necesare informării și educării: afișe, filme, cărți, broșuri, pliante, legislație, teste, fișe tehnice, manual;

să se utilizeze corect aparatura, uneltele, echipamentele de transport și mijloacele de lucru;

să se utilizeze corect echipamentul individual de protecție;

să nu se scoată din funcțiune sau să se modifice dispozitivele de securitate proprii;

să se utilizeze corect dispoztivele conform specificațiilor (unelte, senzori, motoare).

Pentru a obține performanța specificată pentru proiectare se recomandă instrucțiunile de manipulare, lipire și montare a senzorului de presiune atmosferică BMP180. Trebuie luate în considerare atunci când se realizează montarea unui senzor de presiune pe o placă cu circuit imprimat (PCB):

Degajarea de deasupra capacului metalic trebuie să fie de cel puțin 0,1 mm;

Pentru carcasa dispozitivului trebuie asigurată ventilarea corespunzătoare în cazul în care

se măsoară presiunea;

Lichidele nu trebuie să intre în contact direct cu dispozitivul;

În timpul funcționării, senzorul este sensibil la lumină, ceea ce poate influența acuratețea

măsurării;

BMP180 nu trebuie poziționat lângă piesele care au o încălzire rapidă. Creșterea temperaturii să nu fie mai mare de 3°C/sec.

Nu se utilizează acest produs ca dispozitiv de siguranță sau de oprire de urgență, în momentul defectării

poate duce la vătămări corporale. Înainte de instalare, manipulare, utilizare sau

menținerea produsului trebuie verificate fișele cu date ale produsului de referință datele tehice ale acestuia. Imposibilitatea de conformare ar putea duce la deces sau vătămări grave.

Lucrul cu instalatiile si echipamentele electrice implica aparitia pericolului de electrocutare.  Prin electrocutare se intelege inchiderea unui circuit electric prin corpul persoanei electrocutate.

In cazul electrocutarii daca curentul electric este mare, pot aparea fenomene ireversibile la nivelul celulelor care pot duce la vatamari grave ale organismului sau in cel mai rau caz chiar la deces.

Pamantul este din punct de vedere electric, un potential stabil si acelasi timp mai este si o susrsa inepuizabila de sarcini electricepozitive sau negative. Legarea la „pamant” a unei instalatii inseamna de fapt eliminarea posibilitatii de aparitie a unei diferente de potential intre pamant si carcasa acelei instalatii. Electrocutarile pot avea loc in cazul in care omul atinge concomitent doua elemente care sunt bune conducatoare de electricitate intre care exista o diferenta de potential. Ca si exemplu este atingerea simultana a doua conductoare electrice neizolate, atingerea unui conductor intr-o portiune neizolata de catre omul care sta pe pamant, atingerea carcasei unui echipament care nu a fost legat la pamant care a intrat sub tensiune datorita deteriorarii izolatiei. Atingerea directa a doua puncte cu potentiale electrice diferite fata de pamant se poate produce mai frecvent in timpul lucrarilor de reparare a unor instalatii electrice aflate sub tensiune.

La acest tip de electrocutare tensiunea la care este supus omul poate fi tensiunea de linie a retelei, adica tensiunea intre doua faze sau tensiunea de faza, intre faza si nul. Atingerea directa a unui punct cu potential electric diferit fata de de pamant se poate produce in toate cazurile neizolarii corespunzatoare a omului fata de pamant, in cazul in care se atinge un obiect metalic cu potential diferit de cel al pamantului. In toate cazurile de atingere a unui singur element aflat sub tensiune pericolul poate fi redus complet, daca omul este izolat corespunzator  fata de pamant. Prin intermediul unui izolant (cauciuc, lemn, etc.) se adauga o rezistenta foarte mare in circuitul curentului care se stabileste prin corpul omenesc, putandu-se astfel limita curentul de electrocutare la valori nepericuloase. Atingerea indirecta a doua puncte de pe sol aflate la potentiale diferite apare in cazul scurtcircuitelor de mare putere sau a trasnetelor cand un curent foarte mare trebuie sa se scurga in pamant printr-o instalatie  de legare la pamant fie datorita caderii de pamant a unui conductor rupt aflat sub tensiune.

Normele generale de prevenire și stingere a incendiilor stabilesc principiile, criteriile de performanță, cerințele și conditiile tehnice privind siguranța la foc pentru construcții, instalații și alte amenajări, agenții care pot interveni în caz de incendiu și pentru înlăturarea efectelor acestuia, precum si normele, regulile, recomandările și măsurile generale ce trebuie avute în scopul apărării împotriva incendiilor.

Prezentele norme generale se aplică la proiectarea, executarea și exploatarea construcțiilor, instalațiilor și a altor amenajări, în raport cu faza de realizare în care se află și indiferent de titularul dreptului de proprietate, precum și la organizarea și desfășurarea activității de apărare împotriva incendiilor. În organizarea, desfășurarea și conducerea activității de apărare împotriva incendiilor se ține seama de următoarele principii: respectarea reglementărilor în vigoare, priorității, dimensionării optime, colaborării și conlucrării cu factorii interesați. Proiectarea și executarea construcțiilor, instalațiilor și ale altor amenajări se realizează astfel încât, în cazul unui incendiu produs în faza de utilizare a acestora, să asigure următoarele cerințe:

protecția și evacuarea utilizatorilor, ținând seama de vârsta și de starea lor fizica;

limitarea pierderilor de bunuri;

preîntâmpinarea propagării incendiului.

Criteriile de performanță privind cerința de calitate "siguranța la foc" sunt:

riscul de incendiu;

rezistența la foc;

preîntâmpinarea propagării incendiilor;

comportarea la foc;

stabilitatea la foc;

căile de acces, de evacuare și de intervenție.

Criteriile de performanță privind siguranța la foc și principalii factori de determinare a acestora. Nivelurile de performanță privind siguranța la foc și măsurile de prevenire și stingere a incendiilor, stabilite pentru construcții, instalații și alte amenajări, vor fi prevazute în documentațiile tehnice de organizare, sistematizare și amenjare a teritoriului, precum și în documentațiile tehnice de proiectare și de executare a construcțiilor și instalațiilor.

Evaluarea, armonizarea și reflectarea interdependenței dintre nivelurile de performanță privind siguranța la foc și măsurile de prevenire și stingere a incendiilor, stabilite și necesare, se vor realiza prin scenarii de siguranță la foc.

CAPITOLUL 8. CONCLUZII FINALE

Robotul mobil realizat în acest proiect este unul de mici dimensiuni dar plecând de la acesta se pot dezvolta roboți mobili utili în diferite domenii. Proiectul a fost realizat prin îndeplinirea părților practice: controlarea prin intermediul unei aplicații, preluarea datelor din mediul exterior și afișarea acestora pe un ecran LCD.

Obiectivele nu au fost îndeplinite în totalitate din cauza faptului ca, senzorul de presiune atmosferică utilizat la partea practică nu face parte din categoria MEMS acești senzori având un cost mai mare.

Avantajele robotului sunt:

crearea de noi aplicații datorită senzorilor multiplii;

ușurința de deplasare datorită celor patru roți;

transmiterea codului pe placa arduino cu cablu USB.

Dezavantajele robotului sunt:

imposibilitatea de a fi utilizat pe alte suprafețe față de cele plane;

dimensiunile pieselor, acestea fiind foarte mici;

consumul mare de energie din cauza utilizării a 6 baterii tip AA.

Îmbunătățirea performanțelor robotului se poate face prin:

utilizarea senzorilor IR și a senzorului cu ultrasunete pentru ca robotul să evite toate obstacolele ce apar din orice direcție, fără a ține cont la momentul respectiv de comenzile primite de la utilizator.

utilizarea unui buton separat pentru pornirea sau oprirea robotului;

ecranul LCD să aibă dimensiuni mai mari pentru a putea afișa cu ajutorul senzorului BMP180 și altitudinea.

CAPITOLUL 9. ABSTRACT

Robotica este ramura tehnologiei care se ocupă cu proiectarea, construcția, operarea și aplicarea de roboți și sisteme informatice pentru controlul lor, feedback-ul senzorial și prelucrarea informației.

Secolul XXI este un secol destinat roboticii. Cel mai promițător candidat la tema viitoarei revoluții industriale majore în urma celei de-a treia revoluții industriale (digitale), robotica este pe punctul de a juca un rol un rol din ce în ce mai important în societate pentru influența sa în toate aspectele vieții, inclusiv medicina și asistența medicală, servicii de construcții, fabricație, logistică și transport.

Există mai multe opinii diferite cu privire la starea actuală a roboticii. Unii oameni consideră că robotica este o tehnologie matură și nu există niciun motiv pentru a cheltui mai mulți bani în cercetare. Alții consideră că cercetătorii din domeniul roboticii promiteau lucruri foarte îndepărtate de rezultatele reale și sunt mai aproape de domeniul științifico-fantastic.

Un alt grup de oameni nu cred în robotică din cauza exagerării în trecut a cercatătorilor. Perioada roboților mobili se termină și va începe o nouă eră legată de roboți umanoizi, sisteme autonome, roboți personali și asistenți, roboți de serviciu etc.

CAPITOLUL 10. BIBLIOGRAFIE

[1] Scribd. (2018). MEMS 1_G_Ionascu.pdf. [online] Available at: https://ro.scribd.com/document/372427211/MEMS-1-G-Ionascu-pdf [Accessed 6 Feb. 2020].

[2] Senzori de presiune. (2012). Retrieved 14 June 2020, from https://www.electronica-azi.ro/2012/12/11/senzori-de-presiune-2/.

[3] (2020) Telecom.etc.tuiasi.ro. Available at: http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/dionescu/MEMS%20referate/Microsenzori_de_acc_Irimia%20Dragos_incomplet.pdf (Accessed: 14 June 2020).

[4] Kapazitiver Sensor

Kapazitiver Sensor (2020). Available at: https://de.wikipedia.org/wiki/Kapazitiver_Sensor (Accessed: 14 June 2020).

[5] asmlektor, V.

asmlektor, V. (2016) Arduino UNO, microcontrolere. Available at: https://microcontrolere.wordpress.com/2016/08/10/arduino-uno/ (Accessed: 14 June 2020).

[6] Arduino

Arduino (2011). Available at: https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino#Shield-uri (Accessed: 14 June 2020).

[7]Anon

(2020) Google.ro. Available at: https://www.google.ro/search?q=schema+shield+arduino&tbm=isch&ved=2ahUKEwiz4b2h9oHqAhUCtaQKHU1fBnkQ2-cCegQIABAA&oq=schema+shield+arduino&gs_lcp=CgNpbWcQAzoECCMQJ1DyBliWIGCmJWgAcAB4AIABZIgBlgKSAQMyLjGYAQCgAQGqAQtnd3Mtd2l6LWltZw&sclient=img&ei=3mrmXrP6FYLqkgXNvpnIBw&bih=674&biw=1536&hl=de#imgrc=dD7uc3MRnrh25M (Accessed: 14 June 2020).

[8] L298N Motor Driver Board – Geeetech Wiki

L298N Motor Driver Board – Geeetech Wiki (2020). Available at: https://www.geeetech.com/wiki/index.php/L298N_Motor_Driver_Board#Introduction (Accessed: 14 June 2020).

[9] asmlektor, V.

asmlektor, V. (2016) Arduino UNO, microcontrolere. Available at: https://microcontrolere.wordpress.com/2016/08/10/arduino-uno/ (Accessed: 14 June 2020).

[10] MEMS Pressure Sensor | Microelectromechanical Systems | Bending MEMS Pressure Sensor | Microelectromechanical Systems | Bending (2020). Available at: https://ro.scribd.com/document/131668952/MEMS-Pressure-Sensor (Accessed: 26 June 2020).

[11] MEMS | Microelectromechanical Systems | Semiconductor Device Fabrication

MEMS | Microelectromechanical Systems | Semiconductor Device Fabrication (2020). Available at: https://ro.scribd.com/document/245064923/MEMS (Accessed: 26 June 2020).

[12] Anon

(2020) Cdn-shop.adafruit.com. Available at: https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/BST-BMP180-DS000-09.pdf (Accessed: 26 June 2020).

[13] Anon

(2020) Datasheet.octopart.com. Available at: https://datasheet.octopart.com/A000066-Arduino-datasheet-38879526.pdf (Accessed: 26 June 2020).

[14] Anon

(2020) Components101.com. Available at: https://components101.com/sites/default/files/component_datasheet/DHT11-Temperature-Sensor.pdf (Accessed: 26 June 2020).

[15] Senzor de Temperatura DHT11 Arduino PIC AVR ARM STM3

Senzor de Temperatura DHT11 Arduino PIC AVR ARM STM3 (2020). Available at: https://www.optimusdigital.ro/ro/senzori-senzori-de-temperatura/584-senzor-de-temperatura-dht11.html (Accessed: 27 June 2020).

[16] senzori.docx

senzori.docx (2020). Available at: https://ro.scribd.com/document/444873411/senzori-docx (Accessed: 27 June 2020).

[17] Care sunt normele de protectie a muncii – drepturi si obligatii

Care sunt normele de protectie a muncii – drepturi si obligatii (2020). Available at: https://bundeangajat.olx.ro/normele-de-protectie-a-muncii-de-ce-sunt-importante-obligatiile-angajatorului-si-ale-salariatilor/#Obliga%C8%9Biile%20angajatorului%20%C8%99i%20ale%20salaria%C8%9Bilor (Accessed: 27 June 2020).

[18] Anon

(2020) Modulul5.files.wordpress.com. Available at: https://modulul5.files.wordpress.com/2011/02/curs-asamblc483ri-mecanice-m7.pdf (Accessed: 27 June 2020).

[19] Anon

(2020) Umfst.ro. Available at: https://www.umfst.ro/fileadmin/documente_oficiale/regulamente_upm/2013/iulie/Regulament%20propriu%20privind%20securitatea%20si%20sanatatea%20in%20munca_2013.pdf (Accessed: 27 June 2020).

[20] Masuri de protectie impotriva electrocutarii

Masuri de protectie impotriva electrocutarii (2014). Available at: https://electronicaaplicata.wordpress.com/2014/02/10/masuri-de-protectie-impotriva-electrocutarii/ (Accessed: 28 June 2020).

[21] Masuri de protectie impotriva electrocutarii

Masuri de protectie impotriva electrocutarii (2014). Available at: https://electronicaaplicata.wordpress.com/2014/02/10/masuri-de-protectie-impotriva-electrocutarii/ (Accessed: 28 June 2020).

[22] Anon

(2020) Cis01.central.ucv.ro. Available at: http://cis01.central.ucv.ro/psi/norme_mec/NORME%20GENERALE%20psi.pdf (Accessed: 28 June 2020).

[23] Anon

(2020) Google.ro. Available at: https://www.google.ro/search?q=OBIECTIVE+STUDIU&tbm=isch&ved=2ahUKEwj7ipui06TqAhVEtaQKHR1VBY0Q2-cCegQIABAA&oq=OBIECTIVE+STUDIU&gs_lcp=CgNpbWcQAzIECCMQJzoCCAA6BAgAEB46BAgAEBM6CAgAEAUQHhATOggIABAIEB4QEzoGCAAQCBAeUPK7BViYxQVgqMoFaABwAHgAgAGOAYgB3QaSAQMwLjeYAQCgAQGqAQtnd3Mtd2l6LWltZw&sclient=img&ei=y5_4Xrv5HcTqkgWdqpXoCA&bih=674&biw=1536#imgrc=8WpT697hOJFF8M (Accessed: 28 June 2020).

[24] edu2000+

edu2000+ (2020). Available at: http://old.lefo.ro/carmensylva/curriculum/meteoweb/presiunea.html (Accessed: 28 June 2020).

[25] Anon

(2020) Google.com. Available at: https://www.google.com/search?q=mems+application&tbm=isch&ved=2ahUKEwjEsKyN9LbqAhUagKQKHXFdA0YQ2-cCegQIABAA&oq=mems+application&gs_lcp=CgNpbWcQAzIECAAQEzIECAAQEzIICAAQBRAeEBMyCAgAEAgQHhATOgQIIxAnOgQIABBDOgIIADoECAAQHlC0igRY_rAEYIKzBGgAcAB4AIABiQGIAe4OkgEEMC4xNpgBAKABAaoBC2d3cy13aXotaW1n&sclient=img&ei=JTICX4SKGJqAkgXxuo2wBA&bih=674&biw=1536#imgrc=N1pUwRMI84-CHM (Accessed: 5 July 2020).

[26] Anon

(2020) Telecom.etc.tuiasi.ro. Available at: http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/dionescu/MEMS%20referate/Utilitatea%20senzorilor%20MEMS%20%C3%AEn%20domeniul%20automotive_Stan_C.pdf (Accessed: 6 July 2020).

CAPITOLUL 11. ANEXE

11.1. PROGRAM ARDUINO

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_BMP085.h> //bibliotecă senzor presiune

#include <dht.h>//bibliotecă senzor umiditate/temperatura

#include <SoftwareSerial.h>

#include <LiquidCrystal.h>//bibliotecă LCD

char PRESSURESHOW[4];// inițializare pin 4 pentru afișarea rezultatelor (presiune)

Adafruit_BMP085 bmp;

dht DHT;

#define DHT11_PIN 2 //definire pin senzor uniditate/temperatură

SoftwareSerial blue_serial(0, 1); // RX(receptor), TX(transmitor)

int pinI1 = 8 ;// definire pin motor

int pinI2 = 9 ;// definire pin motor

int pinI3 = 6 ;// definire pin motor

int pinI4 = 7 ;// definire pin motor

#define EA 10 //definire pin motor de pe placa driver motor

#define EB 11 //definire pin motor de pe placa driver motor

int rightspeed = 0;

int leftspeed = 100;

LiquidCrystal lcd(14, 3, 4, 5, 12, 13); //pini conexiune LCD

void setup ()

{ Serial.begin(9600);

lcd.begin(16, 2);// setare număr de coloane și număr de rânduri (LCD)

pinMode (pinI1, OUTPUT);

pinMode (pinI2, OUTPUT);

pinMode (EA, OUTPUT);

pinMode (pinI3, OUTPUT);

pinMode (pinI4, OUTPUT);

pinMode (EB, OUTPUT);

}

void go () // Deplasare

{// Mers drept

analogWrite(EA, 10); //setare viteză

analogWrite(EB, 40); //setare viteză

digitalWrite (pinI4, LOW);

digitalWrite (pinI3,HIGH);

digitalWrite (pinI1, HIGH);

digitalWrite (pinI2, HIGH);

delay (100);

}

void left () // Deplasare la dreapta

{

analogWrite(EA, 80); //setare viteză

analogWrite(EB, 0); //setare viteză

digitalWrite (pinI4, LOW);

digitalWrite (pinI3, HIGH);

digitalWrite (pinI1, HIGH);

digitalWrite (pinI2, LOW);

delay (100);

}

void right () // Deplasare la dreapta

{

analogWrite(EA, 0); //setare viteză

analogWrite(EB, 80); //setare viteză

digitalWrite (pinI4, HIGH);

digitalWrite (pinI3, HIGH);

digitalWrite (pinI1, LOW);

digitalWrite (pinI2, HIGH);

delay (100);

}

void back () // Mers înapoi

{

analogWrite(EA, 40); //setare viteză

analogWrite(EB, 40); //setare viteză

digitalWrite (pinI4, HIGH);

digitalWrite (pinI3, LOW);

digitalWrite (pinI1, HIGH);

digitalWrite (pinI2, LOW);

delay (100);

}

void stop () // stop

{

analogWrite(EA, 0); //setare viteză

analogWrite(EB, 0); //setare viteză

digitalWrite (pinI4, LOW);

digitalWrite (pinI3, LOW);

digitalWrite (pinI1, LOW);

digitalWrite (pinI2, LOW);

delay (100);

}

void loop ()

{

int chk = DHT.read11(DHT11_PIN);

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print(DHT.temperature);

lcd.print((char)223);

lcd.print("C ");

lcd.print("H=");

lcd.print(DHT.humidity);

lcd.print("%");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Presiune="); // afișare nume

String PRESSUREVALUE = String(bmp.readPressure());// conversie valoare presiune într-un caracter

PRESSUREVALUE.toCharArray(PRESSURESHOW, 4);

lcd.print(PRESSURESHOW);

lcd.print("hPa ");

delay(1000);

char val = Serial.read ();

Serial.write (val);

if (-1!= val)

{

if ('W' == val)

go ();

else if ('A' == val)

left ();

else if ('D' == val)

right ();

else if ('S' == val)

back ();

else if ('Q' == val)

stop ();

delay (100);

}

else

{

delay (500);

}

}