Motivul pentru care am ales aceasta tema [625234]

1
CUPRINS

Introducere
Motivul pentru care am ales aceasta tema
Influenta factorilor atmosferici asupra omului
CAPITOLUL 1
1. Notiuni teoretice

1.1. Factorii atmosferici si influenta lor asupra organismului uman
1.1.1. Temperatura aerului;
1.1.2 Umiditatea aerului;
1.1.3 Presiunea atmosferica;
1.1.4 Cantitatea de lumina;

1.2. Achizitia de date
1.2.1. Arhitectura sistemelor de achizitie de date;
1.2.2. Principiile de baza ale achizitiei de date ;
1.2.3. Tipuri de interfete de comunicatie
1.2.3.1 Interfete de comunicatie seriala
1.2.3.1.1 Transfer de date serial
1.2.3.1.1.1 Principiile transferului de date serial si asincron
1.2.3.1.1.2 Principiile transferului de date serial si sincron
1.2.3.1.2 Interfata I2C
1.2.3.1.3 Interfata SPI
1.2.3.1.4 Interfata USB
1.2.3.2 Interfete de comunicatie paralela
TRANSMISIE FARA FIR
1.3. Senzori
1.3.1. Senzori de temperatura si umiditate
1.3.2. Senzori presiune
1.3.3. Senzori de lumina

2
1.4. Microcontroller ;
1.4.1. Functii generale
1.4.2. Clasificare
CAPITOLUL 2
2. Descrierea detaliata a platformei
2.1. Senzori
2.1.1. Senzor de temperatura si umiditate DHT11;
2.1.2. Senzor de presiune atmosferica: BMP180;
2.1.3. Senzor de intensitate a luminii: TSL2561;
2.2. Microcontroller : Arduino Uno
2.3. Modulul de trasmisie fara fir: NRF24l01;
2.3.1. Modul de realizare;
CAPITOLUL 3
3. Descrierea mediilor de programare
3.1. Arduino IDE
3.1.1. Notiuni introductive si componente generale
3.1.2. Librarii ;
3.1.3. Modul de lucru;
3.1.4. Tipuri de functii;

3.2. Programul LabVIEW
3.2.1. Notiuni introductive si componente generale
3.2.2. Paleta de controale, paleta de unelte, paleta de functii
3.2.3. Subpaleta numeric, subpaleta Boolean, subpaleta string
3.2.4. Modul de lucru
3.2.5. Tipuri de functii
3.2.6. Functii pentru valori alfanumerice
3.2.7. Elemente pentru reprezentari grafice
3.2.8. Aplicatii
CAPITOLUL 4
4. Rezultate obtinute
4.1. Rezultate obtinute in urma achizitiei de la senzorul de temperatura;
4.2. Rezultate obtinute in urma achizitiei de la senzorul presiune ;
4.3. Rezultate obtinute in urma achiziti ei de la senzorul de lumina ;

3
4.4. Interpretarea rezultatelor obtinute
CONCLUZII
 Concluzii
 Consideratii si perspective;
BIBLIOGRAFIE
ANEXA COD SURSA

4
INTRODUCERE

Aceast a lucrare vizeaza un domeniu foarte important, si anume preluarea informatiilor atmoferice,
monitorizarea si prelucrarea acestora. Factorii atmoferici au un impact puternic asupra organismului
uman, dar si aspura tot ceea ce inseamna tehnologie si industrie. In consecinta, am ales realizarea unui
sistem de achizitie de date ce masoara parametri mediului ambiant, in vederea clasificarii acestora.
Cerintele societatii umane se modifica o data cu progresul tehnologiei, astfel, in contextul actual
rapiditatea, mobilitatea si func tionalitatea sunt trasaturi indispensabile ale produselor electronice.

Termeni folositi
In aceasta lucrare ma voi referi la sistem de achizitie si distributie de date prin termenul generic
sistem de achizitie.

5
1. NOTIUNI TEORETICE

1.1. Factorii atmosferici si influenta lor asupra organismului uman

1.1.1. Temperatura aerului
Tempera tura aerului este cel mai comun si, totodata cel mai important parametru care caracterizeaza
mediul ambiant.
In incaperile de locuit, temperatura aerului trebuie sa inregistreze valori cuprinse in intervalul 18 –
20℃, cu un maximum admis de 26℃ pe timpul verii. Valori ale temperaturii in afara acestui interval
pot inflenta i n mod negativ organismul uman . La valori ale temperaturii mai mici de 30℃, frecventa
cardiaca s e mentine in liminte normale (valoare medie 80 bpm), valoarea sa crescand intr -un mediu
cald sau excesiv de cald, ajungand pana la 120 bpm ca urmare a solictiarii organismului. Tot din cauza
temperaturii ambientale extreme, pot apare variatii ale tensiunii arteriale . In cazul temperaturilor
ridicate, tensiunea arteriala scade datorita vasodilatatiei, ducand la prabusiri prin instalarea colapsului
caloric, iar in cazul temperaturilor scazute aceasta creste ca urmare a vasoconstrictiei.[1]
In domeniul electronicii, temperatura ambientala este deasemenea foarte importanta. Pentru a putea
functiona corect, componentele trebuie sa se afle intr -un mediu cu o anumita temperatura.
Temperatura nominala este specificata de produca tor, depinde de materialul si tehnica de fabricatie a
componentei respecti ve si reprezin ta temperatura maximă a mediului ambiant în care poate funcționa o
componenta un timp îndelungat fiind solicitat la puterea sa nominală .

1.1.2. Umiditatea aerului
Umiditatea aerului este data de cantitate a de vapori apa prezenti in aer. De cele mai multe ori
caracterizarea gradului de incarcare a aerului cu vapori de apa se face prin intermediul umiditatii
relative -raportul procentual intre umiditatea absoluta si umiditatea maxima. In incaperi, valoarea
umiditatii relative a aerului trebuie sa fie cuprinsa intre 35% si 65%, valoarea optima fiind de 50%,
acceptandu -se valori extreme: 30% (valoare sub care este vorba despre aer “uscat”) si de 70% (valoare
peste care este vorba de aer “umed”). In cazul in care umiditatea relativa are o valoare mica,
organismul uman poate reactiona, conducand la aparitia stresului pulmonar care se manifesta prin
deshidratarea (deconcentrarea) sangelui.

1.1.3. Presiunea atmosfe rica
Presiunea atmosferica este f orta exercitata de aerul din atmosfera pe unitatea de suprafata.
Presiunea atmosferica normala este, prin conventie, presiunea masurata la nivelul marii in conditii
de termice de 20℃ si a carei valoare este, in functie de unitatea de masura:
 In Pascal:10 1,325kPa;
 In bar:1013.25milibar;
 In atmosfere:1 atm
 In milimetro coloana de mercur: 760mmHg.


6
In cazul in care presiunea atmosferica este mai mica decat cea normala, la nivelul organismului se
produc anumite tulburari precum cresterea tensiunii arteriale, marirea ritmului cardiac, intensificarea
durerilor musculare si a crizelor de astm (dupa caz). Pe celalta parte, daca presiunea atmosferica este
mai mare decat valoarea standard, organismul uman este infuentat in mod pozitiv prin scaderea
ritmului cardiac si oxigenarea sportita a sangelui.
1.1.4. Cantitatea de lumina
Cantitatea de lumina, este de aseme nea un factor foarte important a carui lipsa sau exces poate avea
efecte negative asupra o rganismului uman. Nivelul canititatii de lumina necesar unei persoane depinde
de la un moment al zilei la altul si de activitatile desfasurate. Daca in timpul zilei, cantitatea de lumina
trebuie sa fie mare pentru ca organismul sa isi mentina starea de vigilenta si alerta necesara desfasurarii
activitatilor cotidiene, pe tim pul serii lumina trebuie sa aiba un nivel scazut pentru a permite
organismului sa se relaxeze si pentru ca starea de somn, iar in timpul noptii sa lipseasca. In cazul in
care exista o sursa de lumina in timpul noptii, somnul este afectat, iar pe termen lun g acest lucru are
impact asupra organismului manifestandu -se prin dereglari hormonale, incapacitatea de a gandi clar,
imposibilitatea relgarii nivelului tensiunii arteriale si al glucozei.
Lumina solara are o valoare cuprinsa intre 50.000 -100.000 lucsi, pe cand un bec normal nu are o
valoare mai mare de 500 lucsi. Lipsa luminii solare, poate avea efecte secundare aspura organismului
uman precum stari de greata, dureri de cap si chiar hiperactivitate.
Nivelul de iluminare a diferitelor incaperi dintr -o locu inta difera in fun ctie de activitatile care se
desfasoara in aria respectiva. In tabelul 1.1 sunt prezentate cateva valori ale nivelului de iluminare
standard, pentru diferite tipuri de incaperi dintr -o locuinta:

Incapere Nivel de iluminare
Dormitor 50 lucsi
Bucatarie 200 lucsi
Camera de zi 50-100 lucsi
Hol, coridor 75-100 lucsi
Camera de baie 75-125 lucsi
Garaj 50 lucsi
Tabel 1.1 Valori standard ale nivelului de iluminare intr -o locuinta
1.2. Sisteme de achizitie si distributie de date
Intr-o exprimare simplificata, achizitia de date presupune obtinerea anumitor informatii despre o
sursa exterioara sistemului care face masuratoarea. In domentiul tehnic, intr-un proces de achizitie de
date sunt masurate anumite marimi electrice sau neelectrice si rezultatele sunt prelucrate in vederea
obtinerii scopului dorit.
Sistemele de achizite de date au evoluat, in general, o data cu dezvoltarea tehnicii, dar mai ales o
data cu industria.
Evolutia siste melor de achizitie de date a fost infuent ata, in mod decisiv, de dezvoltarea

7
calulatoarelor personale la care sunt, de obicei, conectate. Asemenea sisteme au rolul de achizitie a
datelor cu privire la un anumit proces in vederea unei prelucrari ulterioare. Perfectionarea sistemelor de
calcul a per mis realizarea unor prelu crari complexe asupra semnalelor achizitionate. Totodata, acest
progres confera flexibilitate si usurinta in vederea modificarii relatiilor dintre marimile achizitionate si
algoritmii de comanda si control ai sistemului.

Sistemel e de achizitie sunt raspandite in foarte multe domenii de activitate din zilele noastre:
 in industrie sunt utilizate in vederea monitorizarii si reglarii instalatiilor tehnologice;
 in cercetarea stiintifica sunt utilizate pentru masurarea si prelucrarea unui spectru vast de
marimi atat electrice cat si neelectrice;
 in comunicatii pentru supravegherea diverselor linii de comunicatie;
 in domeniul casnic, intrucat tendinta de automatizare este intr -o continua crestere.

1.2.1. Arhitectura sistemelor de achizitie de date
Un sistem de achiziție de date trebuie să poată executa trei funcții fundamentale:
 convertirea fenomenului fizic într -un semnal care poate fi măsurat;
 măsurarea semnalelor generate de senzori sau traductoare în scopul extragerii informațiilor
despre procesele fizice;
 analizarea datelor și prezentarea lor într -o formă utilizabilă.

Figura 1.1: Structura generala a unui sistem de achizitie de date

8
1.2.2. Principiile de baza ale achizitiei de date

Figura 1.2 : Schema bloc a unui sistem de achizitii de date cu un semnal analogic de intrare

Un sistem de achiztie de date cu un semnal analogic de intrare (Figura 1.2) este alcatuit din
urmatoarele blocuri functionale:

a)Blocul senzorilor sau al traductoarelor – converteste fenomentul fizic vizat intr -un semnal
electric in vederea prelucarii si masurarii;
b)Blocul circuitelor de conditionare – prelucreaza analogic semnalul (amplificarea semnalului
provenit de la senzori sau traductoare, liniarizare, filtrare, adaptarea semna lului etc.);
c)Blocul circuitel or de esantionare si memorare –are rolul de a prelua valori instantanee ale
semnalelor analogice provenit de la iesirea circuitului de conditionare si de a le mentine la intrarea
convetorului analog -numeric cel putin pe durat a in care are loc conversia analog -numerica;
d)Blocul convertoarelor analog -numerice – realizeaza conversia semnalului analogic in
semnal digital;
e)Blocul de prelucrare si control (microporcesor )-coordoneaza atat circuitul de esantionare si
memorare (prin comada de esantionare si cea de mentinere a semnalului la intrarea CAN), cat si
functionarea convertorului analog -numeric.
Pentru achizitia mai multor semnale de intrare, se impune utilizarea unui circuit multiplexor folosit
pentru selectarea succes iva a semnalelor analogice de intrare (Figura 1.3) . In plus fata de sistemul de
achizitii de date cu un singur semnal analogic, unde microporcesorul comanda circuitul de esantionare
si memorare ,convertorul analogic -digital (inceperea conversiei) si prime ste de la CAN semnalul de
finalizare si validare a conversiei, in sistemlele cu mai multe semnale analogice de intrare
microprocesorul furnizeaza si semnale de adresare pentru selectarea intrarilor. Astfel, in ambele cazuri,
microporcesorul organizeaza pr ocesul de masurare, coordonand toate circuitele sistemului de achizitie.
In cazul sistemelor de achizitie de date cu un semnal analogic de intrare, placa de achizitie de date
este formata exclusiv din circuitul de esantionare si memorare si din convertorul analogic -numeric, pe
cand in cazul sistemelor cu mai multe semnale analogice de intrare placa de achizitie de date are inclus
si multiplexorul analogic.

9

Figura 1.3: Schema bloc a unui sistem de achizitii de date mai multe semnal e analogic e de intrare

1.2.3. Standarde de comunicatie
Sistemele de achizitie de date fac parte dintr -un sistem co mplex de masurare, prelucrare a
rezultatelor si conducere, fiind coordonate de un calculator central. Cea mai importanta problema ce
trebuie rezolvata o constituie dialogul intre elementele componente ale sistemului.
Intr-un sistem de masura/ achizitie de date, dispozitivele trebuie sa comunice intre ele, dar mai ales
sa se inteleaga intre ele. Acest lucru este posibil prin implicarea directa a unei legaturi fizice (numita
generic magistrala) si a unui set de conventii (numit generic protocol de comunicatie). Ansamblul
format din protocolul de comunicatie si legatura fizica reprezinta interfata de comunicatie.
O interfata de comunicatie realizeaza legatura intre echipamentel e electronice si calculatorul
central, in vederea setarii modului lor de functionare , precum si transferul propriu -zis de date.
In mod evident, fiecare dispozitiv trebuie sa contina un bloc de interfata pentru conectarea cu alte
echipamente. Transferul da te se face prin magistrale, al caror suport fizic poate fi un fir (conductori)
sau fara fir (de exemplu canale radio). Realizarea unui sistem este simplificata daca echipamentele care
urmeaza sa fie interconectate sunt dotate cu interfete standardizate.

Descrierea unui interfata standardizate cuprinde informatii referitoare la:
 marimile electrice – valori limita de tensiune si curent ale semnalelor logice;
 marimile mecanice -tipul conectorilor;

10
 magistralele corespunzatoare standardului;
 protocoalele de com unicatie;
Ansamblul de biti, caractere si coduri de comanda utilizate in vederea realizarii trasferului de date
intre doua echipamente conectate printr -o interfata standard formeaza protocolul de comunicatii.
Acesta face posibila interconectarea unui echip ament mai rapid cu un echipament mai lent, fara sa
apara situatii de confuzie sau pierderi de date.
Conectarea dintre un sistem de achizitie de date prevazut cu o interfata standard si un calculator
personal este posibila daca aceasta se realizeaza prin i nterfata standard corespunzatoare (Figura 1.3).

Figura 1.4 : Structura generala a unui standard de interfata

Dupa modul in care se face transferul datelor, interfetele de comunicatie se clasifica in 2
categorii:
 interfete de comunicatie seriala -transferul datelor se face secvential ;
 interfete de comunicatie paralela -transferul datelor se face simultan ;

1.2.3.1. Interfete de comunicatie seriala
Interfetele de comunicatie seriala folosesc un numar redus de linii de comunicatie de -a lungul carora
bitii transmitandu -se secvential.
Aceste tipuri de interfete presupun , pentru transferul datelor, utilizarea unor biti s uplimenntari (bit
de start, bit de stop, bit de paritate, informatia de sincronizare etc.) in vederea delimitarii octetilor de
date..
In Figur a 1.5 se poate observa ca pentru transferul corect al unui octet de dat e este necesar
transmiterea a 12 biti (8 biti de date, 1 bit start ,2 bit de stop, un bit de paritate ).
Principalul avantaj al interfetelor seriale in constituie simplitatea suportului fizic, fiind utila in
aplicatiile de viteza mica si medie.
Necesitatea delimitarii octetilor sau blocurilor de date si astfel introducerea bitilor suplimentari,
scade viteza de transfer, lucru c are conduce la utilizarea acestor tipuri de interfete de comun icatie

11
numai in cazul aplicatiilor e viteza mica sau medie.

1.2.3.1.1. Transferul de date serial

In fuctie de modul in care se face transferul de -a lungul liniei de date se disting doua categorii de
transfer:
 transfer de date sicron – datele sunt transmise sub forma de blocuri (grup de cuvinte binare),
iar sinctronizarea se realizaeaza prin adaugarea la blocurile de date a unor caractere speciale
(caractere SYNC);
 transfer de date asincron – datele sunt transmise sub forma de cuvinte binare, iar informatia de
sincron izare este atasata cuvantului;
Indiferent de tipul transferului de date, la cuvant respectiv blocul de date sunt adaugate si informatii
care verifica daca transferul a fost realizat corect. Astfel, datele sunt tratate unitar la receptie, in sensul
ca sunt acceptate sau respinse in intregime, in functie de informatiile de verificare ale transferului.

1.2.3.1.1.1. Principiile transferului de date serial si asincron
Figura 1.5 : Structura unui cuvant de date in transferul de date asincron
In general, transmisia este in r epaus pe nivelul 1 logic. Astfel, in momentul in care un cuvant trebuie
transmis, linia de transmisie trece pe nivelul 0 logic, pe durata unui bit (bitul de START). Dupa acest
bit, urmeaza bitii de date, precedati de un bit de paritate care verifica corect itudinea transferului. In
mod evident, dupa bitul de paritate urmeaza unul sau 2 biti de STOP, dupa care linia de transmisie intra

12
in repaus (trece pe nivelul 1 logic). Transmisia se numeste asincrona, intrucat emisia unui cuvant poate
avea loc oricand, ca t timp linia se afla in repaus.

1.2.3.1.1.2. Principiile transferului de date serial si asincron
Un cadru de date este format din mai multe cuvinte binare transmise secvential.In trasferul de date
serial si sincron, emitatorul si receptorul sunt sincronizati de unul sau mai mul te caractere speciale
(SYNC), caractere transmise la inceputul cadrului. Existenta zonei de sincronizare la inceputul fiecarui
cadru, face posibila transmisia datelor cu refacerea tactului la receptor din datele transmise. Zona de
ANTET descrie tipul transmisiei (acest lucru realizat de Identificator), adresa desinatiei si adresa
sursei. Similar cu transferul asictron, zona de date este urmata de cuvintele CRC (Cyclic Redundancy
Code), avand rolul de a verifica corectitudinea transferului.
Figur a 1.6: Structura unui bloc/ cadru de date in transferul de date sincron

1.2.3.1.2. Interfata I2C (Interface Integrated Circuits )
In vederea maximizarii eficientei hardware si pentru simplificarea proiectarii circuitelor, a fost
implementata o magistrala care sa permita interfatarea intre circuitele integrate si microcontroler.
Aceasta magistrala poarta numele de I2C (Interface Integrated Circuits) .
Magistrala I2C este o magistrala simpla, eficienta si ieftina, dispunand de doua linii: SDA (serial
data) – linia seriala de date si SCL(serial clock) -linia de ceas serial , prin intermediul carora informatia
este manipulata intre oricare 2 dispozitive conectate la magistrala. . Dispozitiv ele conectate la
magistrala se poate identifica printr -o adresa unica, iar la un moment dat acestea pot indeplini rolul de
receptor sau transmitator. Astfel, componentele conectate la magistrala pot fi, in functie de rolul lor in
procesul transferului, Master sau Slave.

13
Un dispozitiv este considerat M aster cand poat e initia un transfer de date pe magistrala si are
posibilitatea generarii semnalului de ceas care coordoneaza transferul. Initierea transferului de date
presupune folosirea unui protocol de comunicatie, unitatile de tip master trebuie sa contina in mod
obligatoriu sisteme de logica programabila.
De mentionat faptul ca, I2C este o magistrala multi -master , lucru ce presupune ca mai multe
dispozitive de tip master se pot conecta la magistrala.

Figura 1.7 : Exemplu de interconectare a circuitelor integrate cu I2C
In fig ura 1.7, dispozitivele care pot indeplini rolul de master la un moment de timp sunt
microcontrolere (μC a si μC B). In mod evident, afisajul, indiferent de tipul acestuia nu poate indeplini
rolul de transmitator, pe cand blocul de memorie poate indeplini a tat functia de transmitator, cat si de
receptor.
1.2.3.1.2.1. Transferul datelor pe interfata I2C
Nivelul semnalului de pe linia seriala de date (SDA) se poate schimba numai cand semnalul de pe
linia de ceas serial (SCL) este pe nivelul coborat de tensiune (nivel Low). Transferul fiecarui bit de date
genereaza un impuls al tactului (ceasului), iar datele de pe SDA trebuie sa fie stabile cat timp perioada
tactului este pe nivelul High.
Conditia de start a unui transfer de date pe interfata I2C presupune tranzitia semnalului SDA) de la
nivelul inalt al tensunii (nivel High) la nivelul Low cat timp semnalul SCL se afla pe nivelul High.
Marcarea sfarsitului transferului este facuta prin tranzitia semnalului SDA de pe nivelul Low pe
nivelul High, cat timp semnalul SCL se afla pe nivelul de tensiune High.
Atat conditia de start si de stop sunt generate exclusiv de dispozitivul Master. Magistrala se
eticheteaza ocupata imediat dupa intalnirea conditiei de start si se considera din nou libera dupa aparitia
conditiei de stop.
Transferul datelor se face de la cel mai semnificativ bit (MSB).

14

Figura 1.8 : Transferul datelor pe interfata I2C

Figura 1.9: Formatul complet al unui transfer de un octet de date

In Figura 1.9 este prezentat formatul complet al unui transfer de date de un octet. Magistrala I2C, fiind
una de tip serial si sincron, pachetul de date are nevoie de un bit de start. Acesta este urmat de adresa
dispozitivului de tip slave reprezentata pe 8 biti. Bitul de directie seteaza sensul de transfer al datelor
(daca dispozitivul master este receptor sau transmitator). Dupa fiecare octet de date transmis, dar si
inaintea inceperii transferului, receptorul (indiferent daca este master sau slave) genereaza un bit de
confirmare ( acknowledgement ). Marcarea sfarsitului transferului de date se face prin bitul de stop.

15
1.2.3.1.3. Interfata SPI (Serial Peripheral Interface )
Standardul Serial Peripheral Interface (SPI) a fost dezvoltat in vederea interfatarii dintre un
microcontroller si dispozitive de mici dimensiuni. Dat fiind ca foloseste patru semnale, aceasta interfata
se mai numeste si „inter fata cu patru fire‟.