Sebastian Petru SABOU [607073]

Sebastian Petru SABOU

Îndrumător laborator microcontrolere

ARDUINO

U.T. PRESS
CLUJ -NAPOCA, 201 8
ISBN 978 -606-737-341-7

Editura U.T.PRESS
Str. Observatorului nr. 34
C.P. 42, O.P. 2, 400775 Cluj -Napoca
Tel.:0264 -401.999
e-mail: [anonimizat]
http://biblioteca .utcluj.ro/editura

Director: Ing. Călin D. Câmpean

Textul și imaginile din acest document sunt licen țiate
Attribution -NonCommercial -NoDerivs CC BY -NC-ND
Codul surs ă din acest document este licen țiat Public -Domain

Copyright © 201 8 Editura U.T.PRESS
Reproducerea integrală sau parțială a textului sau ilustrațiilor din această carte este
posibilă numai cu acordul prealabil scris al editurii U.T.PRESS.

ISBN 978 -606-737-341-7

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 2
CUPRINS

Introducere – Arduino
3
1. Mediul de lucru – Arduino IDE
4
2. Intrări și ieșiri digitale
9
3. Modulația în durată a impulsurilor – PWM
11
4. Comunicația serială USART
16
5. Măsurarea semnalelor analogice
21
6. Dispozitive de afișare – LCD
29
7. Protocolul de comunicație I2C
34
8. Protocolul de comunicație SPI
41
9. Dispozitive de intrare – Tastatura
46
10. Servomotor
50
11. Măsurare distanță folosind senzori cu ultrasunet e
55
12. Comunicația radio – nRF24L01
62
13. Bibliografia
68

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 3
Introducere – ARDUINO

Arduino este o companie open -source care produce atât partea de hardware
(sistemele de dezvoltare) cât și partea de software necesară compilării și programării
sistemelor de dezvoltare. Pe lângă componenta de design, producție și comercializare
este inclusă și o comunitate uriașă care se ocupă cu crearea, realizarea,
implementarea multor proiecte, de ajutor reciproc pentru depanarea hardware și
software a multor proiecte, de crearea unor componente (librării) c u funcții
suplimentare sau pentru diverse componente noi.
Platformele Arduino se bazează pe sisteme de dezvoltare cu microcontrolere
(sunt suportate mai multe tipuri de microcontrolere), acestea sunt construite astfel
încât să pună la dispoziție utilizato rului pini (conectori) de intrare și ieșire, care pot fi
interfațați cu o multitudine de senzori și alte componente, fie prin conexiuni directe, fie
prin intermediul unor module de extensie care poartă de numirea de shield -uri.
Platformele asigura aliment area, programarea și pot asigura și comunicația, prin
intermediul interfeței USB. Pot fi alimentate și din surse de alimentare externe,
majoritatea având conector de alimentare pentru acest scop.
Pentru programare și dezvoltarea de programe este asigurat un mediu de
dezvoltare integrat (IDE), bazat pe Processing , asigurând suport pentru limbajul C și
C++.
Arduino este și o platformă, un sistem de dezvoltare, utilizat pentru a programa
o serie de procesoare din familia Atmel. Se utilizează procesoare de tip SoC (System
on Chip), specificațiile fiecărei variante de platforme fiind disponibile la adresa
https: //www.arduino.cc/en/Products/Compare .
În cadrul laboratorului se vor utiliza platformele Arduino Uno. Acestea utilizează
microcontrolerele Atmega328P, au o arhitectură pe 8 biți, sunt alimentate la o tensiune
de 5V și o frecvență a oscilatorului de 16MHz, memorie SRAM de 2kB, EEPROM 1kB
și o memorie flash pentru programe de 32kB din care 0,5kB este utilizată de către
bootloader (programul care asigură comunicația cu calculatorul, care are și rolul de a
realiza transferul și programarea software -ului de la calculator). Ca și interfață are 14
pini digitali ( pini de intrare -ieșire, nivele logice, din care 6 pot fi ieșiri cu PWM) și 6 pini
analogici (pot fi utilizați ca și intrări pentru convertorul analog -digital pe 10 biți,
încorporat). Alimentarea microcontrolerului se realizează la 5V dar sistemul de
dezvoltare poate fi alimentat în intervalul maxim 6 -20V, recomandat 7 -12V (din
experiența practică nu se recomandă depașirea unei tensiuni de 9V datorită disipării
termice foarte reduse a stabilizatorului de tensiune).
Comunicația cu calculatorul se realizează prin intermediul interfeței USB, se
realizează un port serial virtual care permite programarea sistemului de dezvoltare dar
și comunicația serială a eventualelor programe cu calculat orul (care nu mai este
condiționat de existența unui port serial realizat cu circuite dedicate). Unele sisteme
au implementat on -board această comunicație, altele necesită un circuit extern, pentru
a asigura conversia USB -serial. Toate pot fi programate pr in intermediul unui port
ICSP dedicat, acest port se utilizează îndeosebi când din diferite motive este necesară
reprogramarea programului de inițializare bootloader.
Arduino are o platformă hardware open -source: referințele de design pentru
Arduino sunt d istribuite sub licența Creative Commons Attribution Share -Alike 2.5 și
sunt disponibile pe situl Arduino. Schemele și fișierele de producție sunt și ele
disponibile. Codul sursă pentru IDE este disponibil sub GNU General Public License,
version 2.[ 3]

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 4
1. Mediul de lucr u Arduino IDE

Pentru dezvoltarea programelor și pentru programarea platformelor Arduino se
utilizează mediul de programare Arduino IDE. Acesta se poate descărca de la adresa
https://www. arduino.cc/en/Main/Software și este distribuit cu titlu gratuit. Există
variante pentru cele mai uzuale sisteme de operare: Windows, Mac OS și Linux. O
altă alternativă este crearea de programe utilizând platformele software care sunt
online https://create.arduino.cc/ .
Presupunând că sistemele de operare care sunt, uzual, instalate pe
calculatoarele din laborator sunt cele de tip Windows, în continuare se va face referire
la utilizarea acestora.
După descărcar ea și instalarea mediului de porgramare Arduino IDE se rulează
aplicația și se obține imaginea din figura 1.1.

Fig. 1.1 Ecranul de start Arduino IDE

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 5
Arhitectura unui program pentru Arduino

Programele scrise pentru platformele Arduino poartă denumirea de „sketch” .
Acestea sunt alcătuite din două funcții importante:
void setup () {
// instrucțiunile de aici se execută o singură dată, la pornire
// se utilizează pentru setări și inițializări
}

void loop() {
// instrucțiunile de aici se execută în buclă, de la ultima instrucțiune se reia bucla
// cu prima instrucțiune din această funcție, aici e programul principal
// se execută în mod repetat până la oprirea alimentării cu energie a sistemul ui
}

După cum au fost descrise pe scurt, prima funcție este utilizată pentru
inițializarea variabilelor, a comunicației seriale (de exemplu baud rate), pentru
declararea pinilor ca fiind de ieșire sau de intrare, diverse funcții pentru inițializare a
unor senzori, etc. Această funcție este executată la pornirea (imediat după
alimentarea sau după reset) sistemului de dezvoltare Arduino Uno, fiind rulată o
singură dată. A doua funcție (loop();) , este funcția similară cu „main()” din limbajul de
programa re „C” , este rulată în buclă, adică la sfârșitul execuției ultimei instrucțiuni din
cadrul funcției este continuată cu execuția primei instrucțiuni din această funcție, totul
fiind un ciclu care se repetă continuu.

Instalare Arduino IDE

Instalarea mediului de programare Arduino IDE începe prin descărcarea
programului de la adresa https://www.arduino.cc/en/Main/Software a versiunii dorite.
Sunt disponibile si versiuni mai vechi prec um si versiuni care necesită instalarea sau
doar dezarhivarea și rularea programului. Aceasta ultimă variantă se utilizează în
situațiile în care se utilizează sistemul de operare Windows la care nu se cunoaște
sau nu se dorește instalarea programului (sau utilizatorul nu are drepturile necesare
instalării).
Mediul de programare Arduino IDE poate fi instalat pe cele mai uzuale sisteme
de operare: Windows, Linux, Mac OS. În continuare se va presupune instalarea sau
utilizarea lui folosind sistemul de operar e Windows.
În momentul descărcării programului este posibilă și donarea unei sume
modice, necesare pentru finanțarea acestui proiect, donația nu este o condiție
obligatorie, se poate descărca programul și fără acest act de caritate.
După instalare sau după prima rulare (în cazul variantei care nu necesită
instalare), programul va crea în folderul Documents un folder Arduino unde va salva
bibliotecille de funcții care vor fi instalate ulterior precum și programele nou create vor
fi salvate acolo în mod impl icit (dacă nu se specifică altă cale).
La rularea Arduino IDE va apărea ecranul de start din figura 1.1. Dupa lansarea
în execuție a programului va fi necesară configurarea lui. De menționat că aceasta
configurare, a portului de comunicație, va trebui repe tată de fiecare dată când se
schimbă portul USB din calculator la care este conectată platforma Arduino, de fiecare
dată când se va utiliza alt sistem Arduino și la fiecare pornire a calculatorului. Este

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 6
necesar acest lucru deoarece, teoretic, la fiecare c onectare a Arduino la calculator,
sistemul de operare va atribui acestei conexiuni virtuale seriale un nume, acest nume
poate să difere dacă se schimba sistemul sau dacă trece un anumit timp în care
Arduino nu a fost conectat la calculator.

În figura 1.2 se poate observa meniul în care se pot face setările
menționate anterior, în meniul Board se alege platforma Arduino pentru care se va
realiza pro gramul sau care va fi programat iar în meniul Port se alege portul serial prin
intermediul căruia calculatorul va comunica cu platforma (Figura 1.3) .
După finalizarea acestor configurări, se poate trece la următoarea etapă, ce de
scriere a programului pentru microcontroler. Pentru început este recomandată
utilizarea exemplelor, pentru a descoperi fiecare facilitată oferită de către Arduino,
exemplele se afla în meniul File – Examples , fiind grupate pe categorii.
Este de reținut faptul ca fiecare bibliotecă de funcții care este adă ugată mediului
de programare, în mod uzual, este însoțită și de programe exemple care să faciliteze
înțelegerea modului de lucru cu respectivele funcții.
Figura 1.2 Configurare Arduino IDE

Figura 1.3 Configurarea tipului de Arduino precum și a portului de comunicație

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 7

Se pot deschide, pentru început, programe din 01. Basics , pentru a verifica
compilarea și programarea platformei Arduino Uno. Unul din primele programe care
se testează, furnizând și un feedback vizual, este Blink . După deschiderea fișierului
urmează compilarea și programarea. Acestea se pot realiza apelând la meniuri sau
prin intermediul a două butoane, prezentate în figura 1.5

Diferența dintre cele două butoane (sau opțiuni) este aceea că butonul de Verify
realizează doar o compilare a programului pentru a descoperi dacă există erori de
sintaxă sau de utilizare a unor funcți i, pe când butonul de Upload realizează o
compilare și, în caz de succes, urmată de o programare a platformei cu programul
rezultat.
O facilitate utilizată la fiecare utilizare a unei componente noi sau a unui modul
nou, este adăugarea de biblioteci (sau l ibrării) care conțin funcții care permit
conectarea, accesul la date, comenzi sau alte comenzi care permit utilizarea noilor
componente. Astfel, se realizează un acces la nivel mai înalt la aceste componente,
putându -le utiliza fără a cunoaște foarte detal iat modul de comunicare sau de
transmitere a datelor, lista de comenzi care pot fi executate de către aceste
componente, etc.
Figura 1.4 Exemple de programe d in
Arduino IDE

Verify

Compilare

Upload

Compilare
și
programare

Figura 1.5 Localizarea și semnificația butoanelor de compilare și programare

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 8
Adăugarea acestor biblioteci de funcții se realizează doar o singură dată,
acestea rămânând salvate în folderul Documents /Arduino . De asemenea e de
menționat faptul că aceste biblioteci de funcții conțin (în marea lor majoritate) și
exemple de utilizare a acestor funcții. Aceste exemple vor fi listate în meniul File-
Examples -Numele bibliotecii .
Adăugarea de noi biblioteci se realize ază urmând pașii descriși în figura 1.6.

Configurați Arduino IDE pentru a permite conectarea la platforma Arduino Uno,
din cadrul laboratorului, selectați programul Blink din exemple, compilați și pe urmă
compilați și programați Arduino Uno. Care este rezutatul ? (din punct de vedere vizual)
Adăugați o bibliotecă, deschideți exemplul (sau unul din exemple) care este
conținut de către biblioteca adaugată.

Imaginea:
Stânga sus – meniul pentru adăugare
Dreapta sus – selectarea Add ZIP
Library
Stânga jos – alegerea fișierului cu
funcții

Figura 1.6 Selecția meniurilor și opțiunile necesare includerii de noi biblioteci

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 9
2. Intrări – Ieșiri digitale

Informații teoretice preluate din sursa [2]

Pinii microcontrolerului Atmega328 pot fi configurați ca și intrări sau ieșiri
digitale, adică cu nivele logice. Chiar și pinii care sunt considerați ca fiind analogici pot
fi utilizați ca și intrari sau ieșiri cu nivele logice.
Înainte de a fi utilizați, în cadrul unui program, este necesară configurarea
pinilor ca fiind de intrare sau de ieșire. În cazul platformei Arduino, implicit (la pornirea
sistemului) pinii digitali sunt configurați ca fiind de intrare, adică sunt în starea de înaltă
impedanță. Este de menționat faptul că daca se utilizează pinii astfel configurați și nu
au conectate alte componente care să le stabilească un nivel logic, există posibilitatea
ca nivelele logice ale pinilo r să fie influențate de către mediul ambiant și să generez
modificări ale nivelelor logice „citite”, rezistența lor echivalentă de intrare fiind de
ordinul 100 Mohm. Prin urmare este necesară stabilirea unui nivel logic stabil prin
intermediul unor compone nte electronice externe, pentru a fi siguri că nu se obțin
valori influențate de către mediu. Dacă pinii respectivi nu sunt utilizați în cadrul
programului ca fiind intrări (adică nu sunt „citiți” de către program) atunci nu e necesară
conectarea altor com ponente la acei pini.
La inițializare toți pinii sunt in starea de înaltă impedanță și din motive de
consum de energie electrică, având o rezistență electrică echivalentă de valoare mare
practic curentul prin circuitul electric al respectivului pin este d e valoare foarte mică și
implicit rezultă un consum redus de energie electrică.
Atunci când sunt utilizați ca și pini de intrare este recomandată utilizarea unor
rezistențe externe, de valori de ordinul 10k, conectate la VCC sau la GND („pull -up”
sau „pull -down”).
Microcontrolerul Atmega328 din componența platformei Arduino Uno are
integrate rezistențe electrice de „pull -up”, care pot fi activate utilizând parametrul
INPUT_PULLUP în cadrul instrucțiunii de setare a tipului de pin (de intrare sau de
ieșire). Activarea acestor rezistențe interne de pull -up are ca efect, oarecum,
inversarea comportamentului pinilor de intrare, în sensul în care dacă nu este activ
senzorul de la intrare (de exemplu un comutator) se va citi valoarea HIGH iar când
senzorul este a ctivat se va citi valoarea LOW. Uzual valoarea rezistențelor interne de
pull-up este de ordinul 20k -50k dar diferă și funcție de tipul microcontrolerului.
Conectând un led la GND și la un pin digital (având activă rezistența de pull -up) este
foarte probabi l ca ledul să lumineze suficient cât să fie vizibil.
În cazul în care se activează rezistențele de pull -up, senzorii sau comutatoarele
care se conectează la intrare ar trebui să fie active (să comute la activarea lor) pe
starea logică de LOW.
Un alt efect al utilizării rezistențelor interne de pull -up, datorită faptului că
registrele care configurează activarea lor sunt aceleași care controlează și starea
logică a ieșirilor pinilor, când sunt configurați ca ieșiri, având activate rezistențele
interne de pul l-up în momentul în care se configurează pinul ca fiind de ieșire, starea
pinului va fi HIGH ! Acest comportament este valabil și în sens invers, având setat
pinul de ieșire pe nivelul HIGH și comutând respectivul pin ca fiind de intrare se va
activa autom at rezistența internă de pull -up !
Utilizarea pinilor ca ieșire digitală implică utilizarea parametrului OUTPUT în
instrucțiunea pinMode(). Pinul configurat ca fiind de ieșire poate furniza curent de
maxim 40mA, fie în starea LOW fie in starea HIGH. Ca urm are pot alimenta sau
comanda diverse circuite electrice pentru care este suficientă valoarea maximă

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 10
suportata de circuitul intern al pinului respectiv. Uzual se pot comanda direct leduri (cu
utilizarea unei rezistente de limitare a curentului) dar nu se po t comanda direct relee
sau motoare care necesită curenți mai mari pentru funcționarea lor.
Scurtcircuitarea pinilor între ei sau conectarea la GND sau VCC poate duce
inclusiv la distrugerea integratului deși de obicei are ca efect distrugerea circuitului
intern corespunzător acelui pin.

Unul din cele mai simple programe utilizate pentru inițierea utilizării mediului de
programare Arduino IDE precum și pentru învățarea programării platformei Arduino
Uno este programul “Blink”, are ca efect comanda unui LED realizând efectul de
clipire.
Schema electrică este prezentată în figura 2.1 .

Este utilizată o diodă LED care este gata lipită pe cablajul platformei Arduino
Uno, fiind conectată la pinul D13, prin intermediul unei rezistențe de 220 ohmi. Un
nivel logic de 5V la pinul D13 are ca efect aprinderea LED -ului.
Programul utilizat se găsește în Arduino IDE la File/Examples/01.Basics/Blink
.

Figura 2.1 Schema electrică de conectare a
LED-ului „onboard” [2]

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 11

3. Modulația în durata a impulsurilor – PWM

Informații preluate și adaptate de la [20]
Termenul de PWM vine din limba engleza de la Pulse Witdh Modulation si
inseamna ca avem un semnal modulat în lățimea impulsurilor de comandă . Ca sa fim
mai explici ți putem spune c ă un astfel de semnal PWM constă î n codarea informa ției
în lăț imea impulsului ob ținut. Factorul de umplere al unui semnal PWM se calculează
cu rela ția D(fu)=T i/T, unde T i este durata impulsului ș i T perioada semnalului.
Deci, putem astfel s ă observă m că fiecare procent al unui astfel de semnal
reprezint ă o valoare important ă în aplicaț ia pe care o dorim să o implementăm cu un
astfel de semnal spre deosebire de semnalul TTL care poate sa aiba doar dou ă stări.
(high, low).
Semnalele PWM sunt semnale de com andă a unor tr anzistoare de putere, folosite în
cadrul unor convertoare î n comutatie.
Un modulator PWM are r olul de a comanda un comutator și este o parte importantă ș i
complex ă a unui regulator de tensiune î n comu țatie.
Principiul de realizare a unui astf el de modulator PWM const ă în alc ătuirea unei
scheme electronice care s ă conțină :
– generator în dinte de fierastră u
– amplificator de eroare
– comparator
O diagram ă simplificat ă pentru realizarea semnalului PWM este prezentat ă în figura
urmă toare.

Figura 3.1 Circuit simplificat pentru realizarea semnalului PWM
Generator in dinti
Sawtooth Wave Generator
+
-+
-de fierastrau
+
-VrefTranzistorul de putereBlocul comutatorVf – semnal de reactie
Amplificator de EroareComparatorVaVr
Vpwm

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 12

Figura 3.2 Formele de undă pentru circuitul 3.1

Dupa cum se poate observa si in figura 3.1 acest modulator PWM const ă dintr -un
generator î n dinte de fierastr ău (saw -tooth generat or), un amplificator de eroare ș i un
comparator.
Frecvenț a generatorului este setata de valoarea constantei de timp RC.
Amplificatorul de eroare compar ă tensiunea de referință și semnalul de reac ție.
Semnalul de reac ție este obtinut ț de obicei, printr -o divizare a tensiunii de ie șire. Dac ă
consideram ca V f este semnalul de reactie si V Ref este tensiunea de referinta si V f =
βV0, deoarece V f = V Ref, V0 = V Ref/β.

Tensiunea de la iesirea amplificatorului de eroare este comparata cu valoarea
semnalului in dinte de fierastrau. Daca iesirea acestuia este mai mare decat valoarea
dintelui de fierastrau atunci la iesirea comparatorului vom avea ‘1’ logic adica T on.
Daca iesirea amplificatorului este mai mica decat valoarea dintelui de fier astrau atunci
la iesirea comparatorului vom avea ‘0’ logic adica T off.
Daca tensiunea de iesire tinde sa creasca, atunci tensiunea de reactie va creste
peste tensiunea de referinta, astfel tensiunea de iesire a amplificatorului de eroare va
scadea rezulta nd astfel o durata mai mica pentru care la iesirea comparatorului vom
acea ‘1’ logic. Daca tensiunea de iesire scade atunci la iesire comparatorului vom avea
o durata mai mare de ‘1’ logic. Aceasta modificare a latimi impulsurilor in functie de
tensiunea d e iesire este datorata factorului de umplere (duty -cicle).
În cazul în care tensiunea de ie șire este constantă aceasta este menținută de
reacț ia negativa la valoarea dorita.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 13
Altfel descris, PWM ( Pulse Width Modulation) este o tehnică folosită pentru a
varia în mod controlat tensiunea dată unui dispozitiv electronic. Această metodă
schimbă foarte rapid tensiunea oferită dispozitivului respectiv din ON în OFF și invers
(treceri rapide din HIGH (5V de exemplu) in LOW (0V). Perioada de timp
corespunzătoare val orii ON dintr -un ciclu ON -OFF se numește factor de umplere ( duty
cycle ) și reprezintă, în medie, ce tensiune va primi dispozitivul electronic. Astfel, se
pot controla circuite analogice din domeniul digital. Practic, asta înseamnă că un LED
acționat astfel se va putea aprinde / stinge gradual, iar în cazul unui motor acesta se
va învârti mai repede sau mai încet.
În cazul unui motor, căruia i se aplică un semnal PWM cu factor de umplere de 0%,
viteza de rotație a acestuia va fi egală cu 0rpm. Un factor de u mplere de 100% va
duce la o turație maximă a acestuia.
1. Principiul de funcționare
Factorul de umplere se exprimă în procente și reprezintă cât la sută din perioada unui
semnal acesta va fi pe nivelul ON. În Figura 1 se pot observa semnale PWM cu factori
de umplere diferiți. Astfel, se poate deduce foarte ușor formula pentru a obține
valoarea factorului de umplere (D):
D = t_on / (t_on + t_off) * 100 = pulse_width / period * 100
Astfel, tensiunea medie care ajunge la dispozitiv este dată de relația: D * Vc c.
Figura 3.3 Semnal PWM cu diferiți factori de umplere
Modularea folosește variația factorului de umplere a unei forme de undă
dreptunghiulară pentru a genera la ieșire o tensiune analogică. Considerând o formă
de undă dreptunghiulară f(t) cu o valoare m inimă ymin și o valoare maximă ymax și
factorul de umplere D (ca în figura figure 1 ) valoarea medie a formei de undă e dată
de relația:

cum f(t) este o formă de undă dreptunghiulară v aloarea sa maximă se atinge pentru
0<t<D*T.
Multe circuite digitale pot genera semnal e PWM. Majoritatea microcontrol erelor oferă
această facilitate, pe care o implementează folosind un numărător care este
incrementat periodic (conectat direct sau indirect la o unitate de ceas) și care este
resetat la sfârșitul fiecărei perioade a PWM -ului. Când valoarea numărătorului este

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 14
mai mare decât valoarea de referință, ieșirea PWM (output -ul) trece din starea HIGH
în starea LOW (sau invers).
În cazul microcontrolerul ui ATmega328, semnalele de comandă PWM sunt generate
cu ajutorul timerelor sau pot fi generate doar prin intermediul unui program, în acest
ultim caz frecvența semnalului fiind mai mică (datorită modului de generare).
În figura 3.4 este prezentată schema e lectrică de conectare a unui motor de
curent continuu prin intermediul căreia se poate comanda motorul în două regimuri, în
primull caz se poate comanda doar în modul pornit -oprit (on, off), fără să se poată
modifica turația acestuia, iar în al doilea caz se poate comanda astfel încât turația
motorului să poată fi modificată cu un număr de 256 de trepte. Factorul de umplere al
semnalului PWM fiind definit prin intermediul unui registru pe 8 biți se poate deduce
că numărul maxim de trepte care poate fi gener at este de 256. În cazul schemei din
figura 3.4 este prevăzut un buton de pornire, buton conectat la pinul D2, care atunci
când este apăsat va aduce pinul D2 la nivelul logic high, urmând ca în cuprinsul
programului să fie citit și interpretat acest nivel logic de la intrarea D2.
Un exemplu de program generic care generează semnal PWM este următorul:
int PWM_out_pin = 9; // trebuie să fie unul din pinii 3, 5, 6, 9, 10, or 11 in cazul Arduino Uno
void setup() {
pinMode(PWM_out_pin, OUTPUT); // pin de iesire PWM
}
void loop() {
byte PWM_out_level; //variabila care va reprezenta factorul de umplere
PWM_out_level = … / / calculul factorului de umplere – se poate calcula functie de algoritmul
dorit
analogWrite( PWM_out_pin, PWM_out_level); // se comanda iesire, generarea semnalului
PWM
}

Figura 3.4 Schema de comandă PWM a unui motor de curent continuu
Să se scrie programul care să genereze semnalul PWM conform schemei de
conectare din figura 3.4, pe baza codului generic prezentat anterior.
Să se modifice progra mul astfel încât să se ia în calcul și butonul S1.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 15
Semnalul PWM poate fi utilizat și în cazul în care se dorește modificarea turației unui
motor dar și posibilitatea schimbării sensului de rotație a acestuia. În acest scop se
utilizează circuitul din figur a 3.6 care conține circuitul integrat L293D, acesta fiind o
punte H integrată.

Figura 3.6 Schema electrică de conectare a unui motor cc în punte H

Exemplu de program utilizat pentru circuitul de la figura 3.6.
//functie pentru comanda motorului
void motor(int pornit)
{
if(pornit==1) {//verifica daca motorul trebuie pornit
if(directie==0)//verifica in ce directie trebuie rotit motorul
{
analogWrite(VIT, 0);//opreste motorul
}}
//seteaza rotire la stanga
digitalWrite(DIRA,LOW);

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 16
digitalWrite(DIRB,HIGH);
//stabileste noua viteza
analogWrite(VIT, viteza);

}

else//daca directia setata este dreapta
{
analogWrite(VIT, 0);
}
//roteste motorul la dreapta
digitalWrite(DIRA,HIGH);
digitalWrite(DIRB,LOW);
analogWrite(VIT, viteza); //seteaza viteza noua
}
}
else //daca comanda este de oprire
{ analogWrite(VIT, 0);//opreste motorul
digitalWrite(DIRA,LOW);
digitalWrite(DIRB,LOW);}
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 17
4. Comunicația serială – USART

Sistemul de dezvoltare Arduino Uno permite realizarea comunicațiilor seriale
având implementate circuite periferice pentru următoarele tipuri de comunicații:
– comunicație serială USART
– comunicație serială I2C (TWI)
– comunicație serială SPI
Aceste tipuri se pot extinde utilizând prin utilizarea de programe adecvate,
astfel se pot utiliza și alte medii de comunicare (radio, ethernet, infraroșu…) cu diverse
variante de transmitere a datelor (serial, paralel), având implementate sau nu
protocoale de detecție și (sau) corecție a erorilor.
În acest capitol va fi abordată comun icația serială utilizând USART. Aceasta se
realizează din punct de vedere al intrărilor -ieșirilor prin utilizarea pinilor RX și TX.
Pentru a se asigura comunicația între două echipamente este necesară conectarea
lor conform figurii 4.1

Figura 4.1 Conect area pinilor USART

Prin pinul TX se transmit octeți, prin RX se primesc octeți. Se poate observa
că este necesară conectarea TX la RX, respectiv RX la TX, respectiv fiecare pin de
iesire la pinul de intrare al celuilalt sistem.
Comunicarea serială USART este realizabilă doar între două echipamente
(este bidirecțională) , nu sunt asigurate condițiile din punct de vedere electric, de
utilizare a mai multor echipamente conectate la aceeași magistrală serială.
În figura 4.2 se poate vedea schema electrică de conectare a doua sisteme
Arduino Uno care pot să comunice între ele.

Figura 4.2 Conectarea a două sisteme Arduino Uno

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 18
Nivelele logice utilizate sunt cele TTL (în cazul Arduino Uno, prezentat mai sus)
iar distanța maximă (lungimea conectorilor) este de ordinul zecilor de centimetri.
Este de menționat faptul că pinii RX și TX (pinii 0 și 1) sunt utilizați și pentru
comunic ația prin intermediul portului USB, respectiv sunt utilizați și pentru
programarea sistemului de dezvoltare. Acest fapt impune o atenție sporită la utilizarea
acestor porturi, includerea acestora în circuite care pot menține sau modifica nivelul
de tensiun e poate duce la imposibilitatea programării platformei Arduino Uno. De
asemenea, în cazul circuitului din figura 4.2 de exemplu, dacă unul din sisteme este
programat deja și încearcă să transmită pe portul serial date și se dorește
programarea celuilalt si stem Arduino, suprapunerea celor două sisteme de
comunicație simultană (programarea și respectiv comunicația de la un sistem) poate
duce la erori în cadrul procesului de programare.

Această interfață este utilizată și pentru programarea sistemului de dezv oltare,
având preprogramat un mic program, care poartă denumirea de bootloader, care
asigură comunicația cu calculatorul (cu Arduino IDE) și prin intermediul căruia se pot
încărca programele pe platforma Arduino IDE.

Parametri de comunicație cei mai impor tanți sunt:
– Formatul datelor pe 8 biți, număr biți date și bit de paritate
– Rata de transfer (baud rate): 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400,
19200, 28800, 38400, 57600, sau 115200
–

Funcții cele mai utilizate pentru comunicația serială USART, sunt:

-Serial.begin(viteza) -are rolul de a inițializa biblioteca Serial. Parametrul viteza este
dat în biți pe secundă

-Serial.read() – citește date de pe portul serial

-Serial.print() – tiparește date pe portul serial

-Serial.println() – tiparește datele pe o linie nouă

Arduino Uno utilizează pentru comunicația serială, mai exact pentru
comunicația implicită, componente hardware care sunt integrate în microcontroler. În
cazul în care este necesară utilizarea mai multor interfețe seriale, se pot obține
utilizând biblioteci specifice, obținând interfețe seriale software. Limitarea acestora
constă în viteza de transfer (baud rate) care este mai mică față de cel realizat
hardware.

Un exemplu de utilizare a interfeței seriale este prezentat în cele ce urmează.
Acesta recepționează un caracter de la calculator și trimite înapoi caracterul
recepționat pe portul serial.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 19
byte byteRead; //variabila de memorare a caracterului receptionat

void setup() {
Serial.begin(9600); //comunicatia serial, baud rate 9600
}

void loop() {
if (Serial.available()) { //se verifica daca exista date receptionate
byteRead = Serial.read(); //in caz afirmativ citeste octetul receptionat
Serial.write(byteRead); //transmite octetul rece ptionat inapoi pe interfata
seriala
}
}

SoftwareSerial este tot o modalitate de comunicare seriala, doar ca in loc de a
utiliza pinii RX si TX ai microcontroller -ului (care sunt dedicati pentru o astfel de
comunicare), utilizam o librarie software care emuleaza comunicarea folosind
(aproape) oricare doi pini digitali ai placii Arduino. Avantajul imediat este faptul ca in
acest mod putem conecta placa Arduino cu mult mai multe dispozitive seriale. [25]

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial mySeria l(10, 11); // RX, TX
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("Goodnight moon!");
mySerial.begin(4800);
mySerial.println("Hello, world?");
}
void loop() {
if (mySerial.available()) {
Serial.write(mySerial.read());
}
if (Serial.available()) {
mySerial.write(Serial.read());
}
}

Un exemplu de program care utilizează transmisia serială între două sisteme de
dezvoltare Arduino Uno , folosind schema din figura 4.2, care transpune programul
Blink (din exemple) în varianta Remote Blink.

//Transmițător //Receptor
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
Serial.print('H'); void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 20
delay(1000);
Serial.print('L');
delay(1000);
}
if (Serial.available() > 0) {
incomingByte= Serial.read();
if (incomingByte== 'H') {
digitalWrite(13, HIGH);
}
if (incomingByte== 'L') {
digitalWrite(13, LOW);
}}}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 21

5. Măsurarea semnalelor analogice

Un semnal analogic este un semnal continuu in amplitudine si timp, poate avea orice
valoare in orice moment de timp, cum se poate observa in graficul din partea stanga a figurii
1. Un semnal digital, pe de alta parte, este discret si in amplitudine si in timp, poate avea un
numar finit de valori, cum se poate observa in graficul din partea dreapta a figurii 5.1.

Figura 5.1: Semnal analogic si discret

Un calculator este capabil sa lucreze doar cu semnale discrete (digitale). In acelasi timp,
aproape toa te semnalele din lumea reala sunt semnale continue (analogice).

Pentru a putea măsura semnalele analogice într -un sistem de calcul digital, acestea trebuie
convertite în valori numerice discrete. Un convertor analog – digital (ADC) este un circuit
elect ronic care convertește o tensiune analogică de la intrare într -o valoare digitală.

Fig. 5.2: Reprezentarea unui semnal analogic

Convertorul analog -digital (prescurtat ADC – analog digital converter) are nevoie ca
semnalul analogic sa fie intr -un anumit interval de valori. Acest domeniu de valori poate fi
diferit pentru fiecare circuit de conversie, este specificat in foaia de catalog.
In cazul convertorului integrat in microcontrolerul ATMEGA328, care se gaseste in
placile de dezvoltare Arduino Un o, tensiunea minima de masurare este 0V iar cea maxima este
5V.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 22
Dupa cum se stie, calculatoarele opereaza utilizand numere reprezentate binar, aceasta insemna
ca si valoarea obtinuta in urma conversiei trebuie sa fie in acelasi sistem binar de reprezenta re.

O caracteristică importantă a unui ADC o constituie rezoluția acestuia. Rezoluția indică
numărul de valori discrete pe care convertorul poate să le furnizeze la ieșirea sa în intervalul
de măsură. Deoarece rezultatele conversiei sunt stocate intern sub formă binară, rezoluția unui
convertor analog -digital este exprimată în biți.

Fig.5.3: Același semnal analogic eșantionat la rezoluții diferite

De exemplu, dacă rezoluția unui convertor este de 10 biți atunci el poate
furniza valori diferite la ieșire. Dacă gama de măsurare este de 0 -5V, rezoluția de
măsurare va fi: .

Fig. 5.4: Semnalul analogic refăcut în urma conversiei inverse (DAC)

Care este însa rata minimă de eșantionare pentru a reproduce fără pierderi un semnal
de o frecvența data?
Teorema lui Nyquist spune că o rată de eșantionare de minim două ori mai mare decât frecvența
semnalului măsurat este necesară pentru acest lucru, teorema aplicându -se și pentru un semnal
compus dintr -un intreg spectru de frecvențe, cum ar fi vocea umană s au o melodie. Limitele
maxime ale auzului uman sunt 20Hz – 20kHz dar frecvențele obișnuite pentru voce sunt în
gama 20 -4000Hz, de aceea centralele telefonice folosesc o rată de eșantionare a semnalului de
8000Hz. Rezultatul este o reproducere inteligibilă a vocii umane, suficientă pentru transmiterea
de informații într -o convorbire obișnuită. Pentru reproducerea fidelă a spectrului audibil se
recurge la rate mai mari de eșantionare. De exemplu, înregistrarea pe un CD are o rată de
eșantionare de 44100Hz cee a ce este mai mult decât suficient pntru reproducerea fidelă a
tuturor frecvențelor audibile.

In figura 5 se poate observa diferenta care poate sa apara daca un semnal este esantionat cu o
frecventa mai mica fata de cea obtinuta conform teoremei lui Nyqui st. Se poate observa ca

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 23
exista posibilitatea ca in urma reconstituirii semnalului analogic din cel discret sa se obtina un
cu semnal care este diferit de cel initial.

Fig. 5.5 Sus – semnal esantionat corect
Jos – semnal esantionat cu o frecventa mai mica fata de de cea corecta

In funcție de modul în care se execută conversia, convertoarele analog -digitale pot fi de mai
multe tipuri :
▪ ADC paralel (Flash)
▪ ADC cu aproximare succesivă
▪ ADC cu integrare (single -slope, dual -slope);
▪ ADC Sigma -delta (delta -sigma, 1-bit ADC sau ADC cu oversampling).
Convertorul ADC al Atmega32 8
Convertorul analog -digital inclus în microcontrollerul A tmega328 este un ADC cu aproximări
succesive. Are o rezoluție de pana la 10 biți și poate măsura orice tensiune din gama 0 -5V de
pe opt intrări analogice multiplexate. Dacă semnalul de la intrare este prea mic în
amplitudine, convertorul are facilitatea de preamplificare a acestuia in două setări, de 10x sau
de 200x.
Acest convertor poate fi controlat printr -un registru de stare și con trol (ADCSRA) și un
registru cu biți de selecție pentru multiplexoare (ADMUX). În primul dintre ele, putem stabili
când să se efectueze conversia, dacă să se genereze întrerupere la finalul unei conversii etc.
Folosind registrul pentru multiplexoare se ale ge ce canal va genera input pentru convertor si
tensiunea de referință. De asemenea, în afară de aceste două registre mai avem registrul ADC
în care este scris rezultatul conversiei (ADC).
Registrele necesare pentru configurarea convertorului sunt următoar ele:

ADMUX – ADC Multiplexer Selection Register
Mai multe detalii puteți să găsiți la secțiunea 23.9 – Register description din datasheet.
Fig. 5: Registrul ADMUX
▪ REFS1 și REFS0 selectează referința de tensiune, adică valoarea maximă care poate fi
convertită. Utilizatorul poate alege dintre două referințe interne, de 2.5V și 5V sau o
referință externă (orice valoare între 0V si 5V) care trebuie furnizată pe pinul AVcc.
▪ ADLAR selectează ordinea biților rezultatului conversiei (LSB -first sau MSB -first).
▪ MUX4..0 selectează intrarea de pe care se face conversia. Se poate alege și un mod de
functionare diferențial, caz în care se va măsura diferența de tensiune între cei doi pini
aleși.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 24

ADCSRA – ADC Control and Status Register A
Fig. 5.6: Registrul ADCSRA
▪ ADEN este bitul de Enable și activează convertorul.
▪ ADSC: scrierea acestui bit pe 1 va genera automat o conversie de pe intrarea selectată.
▪ ADATE este bitul de Enable pentru trigger -mode în care o conversie este generată pe
frontul pozitiv al unui s emnal furnizat extern de către utilizator.
▪ ADIF este bitul de întrerupere și va fi setat automat la terminarea unei conversii.
▪ ADIE este bitul de Enable pentru întrerupere. Aceasta va fi generată automat la fiecare
conversie dacă bitul respectiv este 1.
▪ ADPS2..0 selectează rata de eșantionare pentru convertor. Aceasta poate fi de maxim
fclk/2.

ADC – ADC Data Register
Fig.
Fig. 5.7: Registrul de date ADC
În funcție de valoarea bitului ADLAR , rezultatul conversiei va fi pus în registrul ADC aliniat
la stânga sau dreapta.
Relația dintre valoarea din registrul ADC și tensiunea măsurată este următoarea:
, unde Vin este tensiunea măsurată iar Vref este tensiunea aleasă ca
referință.
Exemple de utilizare
▪ Inițializare ADC: canal 1 (PA1):
ADMUX = 0;
ADMUX |= (1 << MUX0 ); // ADC1 – channel 1
ADMUX |= (1 << REFS0 ); // AVCC with external capacitor at AREF pin
ADCSRA = 0;
ADCSRA |= (1 << ADPS2 ) | (1 << ADPS1 ) | (1 << ADPS0 ); //set clock prescaler at 128
ADCSRA |= (1 << ADEN ); // enable ADC

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 25
▪ Citire ADC prin polling:
ADCSRA |= (1 << ADSC ); //start conversion
loop_until_bit_is_set (ADCSRA , ADIF ); //wait until conversion is done: until ADIF from
ADCSRA is set to 1
unsigned int value = ADC ;

Materiale:
● Arduino Uno Board
● cablu USB A -B
● fire de conexiuni

Procedura:
• Mersul lucrarii
o Se verifica sa nu fie alimentata placa Arduino
o Conectati cu ajutorul unui fir de conexiune tensiunea 3,3V la pinul A0

Figura 5.8
• Scrieti codul
o Utilizati codul de mai jos ca si un model pentru a face conversia la A0:
Listing 5.1
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// AnalogRead la Serial
// Author: Sabou Sebastian
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// initializare pin 0 al Arduino ca si pin intrare
int aIn = A0;
void setup () {
//comunicatia seriala, 9600 baud
Analog input 0

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 26
Serial .begin (9600);
}

void loop () {
// citeste intrarea analogica de la pin 0:
int sensorValue = analogRead (aIn);

// tipareste valoarea obtinuta in urma conversiei la portul serial
Serial .println (sensorValue);
delay (10);
// intirziere pentru a putea observa modificarile la portul serial
}
o Majoritatea liniilor de cod au fost utilizate in lucrarea de labora tor referitoare
la comunicatia seriala
o Partea nou de cod este:
int sensorValue = analogRead (aIn);
o Aceasta comanda are ca efect conversia tensiunii de la intrarea memorata in
variabila aln. De remarcat ca variabila memoreaza valoarea A0 desi aln este
de tip intreg si prin urmare A0 nu este, in genera, tratat ca un integer. Este o
exceptie, A indica, in acest caz, ca este o intrare Analogica.
o Valoarea tensiunii de la pinul A0 este convertita de catre ADC intr -un numar
din intervalul 0 -1023 si este stocata in variabila sensorValue .
o Dupa scrierea codului se procedeaza la incarcarea fisierului compilat
(verificati sa fie selectata corect varianta de placa – Arduino Uno si portul de
comunicatie sa fie cel corect)
o Compilati si incarcati fisierul executabil in microcontroler
▪ Deschideti monitorul serial din IDE Arduino
▪ Verificati daca este selectata valorea de 9600baud pentru comunicatie
▪ Observati valoarea afisata
▪ Lasati monitorul serial deschis
o Modificati valoarea tensiunii de la intrare prin con ectarea firului de conexiune
la +5V, 3.3V, GND (0V).
o Convertiti valoarea afisata pe terminalul serial in tensiunea analogica
corespunzatoare (practic obtineti valoarea tensiunii de la intrare) cu ajutorul
formulei:
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒 =(𝐴𝐷𝐶 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 )𝑉REF +
2𝑛
▪ unde n este numarul de biti ai convertorului ADC. V REF+ =5V in cazul
Arduino si numarul de biti este 10

Modificati programul sa utilizeze alta intrare (A1, …A5).
Modificati programul astfel incat sa utilizeze doua intrari pentru conversie si sa afisez e
valorile respective.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 27

Realizati circuitul de mai jos, utilizand 5V si GND de pe placa Arduino.

Figura 5.9 Măsurare tensiune continuă

Programul care preia rezultatul conversiei ADC si converteste acest rezultat in
valoarea tensiunii corespunzatoare de la intrare este prezentat mai jos. Verificati
corectitudinea afisarii cu tensiunea de la pinul A0, masurand aceasta tensiune cu ajutorul unui
voltmetru electronic.
Realizati cel putin 10 masuratori diferite, modificand potentiometrul, si calculati
eroarea convertorului ADC. (Diferenta dintre rezultatul obtinut in urma conversiei si valoarea
masurata cu ajutorul voltmetrului electronic)
Calculati procentual eroarea obtinuta mai sus.

/////////////////////////////////////////////////////// ///////////////
// AnalogRead – Potentiomet ru
// Author: Sabou Sebastian
//////////////////////////////////////////////////////////////////////
int potentiometer = A0; // Se declara pinul la care e conectat potentiometrul
float voltageReading = 0;

void setup (){
Serial .begin (9600);
}

void loop (){
// Se citeste rezultatul conversiei
float raw = analogRead (potentiometer);

// Se converteste rezultatul in valoarea tensiunii de la intrare
voltageReading = (raw/1023) * 5;

// Se afiseaza valoarea tensiunii
Serial .print ("Tensiune potentiometru : ");
Serial .println (voltageReading);

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 28
// Se seteaza frecventa cu care se face conversia la 4Hz
delay (250);
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 29
6. Dispozitive de afișare – LCD

Informații preluate și adaptate de la [17], [18] ,[19]

Ecranul LCD pe care il vom utiliza este dedicat afișării textului. Ca și caracteristici, el
poate afișa un text format din 32 de caractere, cate 16 pe fiecare dintre cele două rânduri
disponibile. Fie care caracter este de fapt o matrice de 5×8 puncte. Pentru a putea comanda
LCD-ul este utilizat un controller de tip HD44780 care are două registre pe 8 biți:
IR (Instruction Register) – tine minte coduri reprezentand instructiuni precum
stergerea ecranulu i sau mutarea curorului la o anumita pozitie.
DR (Data Register) – memoreaza remporar informatiile ce pot fi stocate fie in
DDRAM sau in CGRAM.
Alegerea intre cele doua registre se realizeaz ă prin intermediul unui selector de registru care,
in cazul ecranu lui nostru, este conectat la pinul 8.

Ecranul contine doua tipuri de memorii:
DDRAM (Display Data RAM) – memoreaza codurile ascii ale caracterelor ce vor fi afisate si
poate memora pana la 80 de litere. Adresele sunt de la 00 pana la 0F pentru primul rand si
de la 40 pana la 4F pentru al doilea rand.
CGRAM – in aceasta memorie este stocata forma caracterelor. Scriind in ceasta memorie, un
programator poate sa isi defineasca propriile caractere (din pacate puteti defini doar 8
caractere).
LCD-ul utilizează pinii digitali de la 2 la 7, astfel:
pinul digital 7 – RS;
pinul digital 6 – EN;
pinul digital 5 – DB4;
pinul digital 4 – DB5;
pinul digital 3 – DB6;
pinul digital 2 – DB7 (explicația semnalelor pe pagina următoare).

Pentru comunicația cu modulul LCD, se utilizează mai mulți pini, transferul datelor fiind realizat
în mod paralel a celor 8 biți. Controlerul afisajului ( HD44780 ) pemite și transferul datelor
utilizând doar 4 biți pentru date, octetul fiind transferat în doi pași. Astfel se poate realiza o
economie a pinilor utilizați pentru comanda LCD.

Figura 6.1 Configurația pini lor pentru afișajul LCD

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 30

Controllerul HD44780 conține două registre pe 8 biți: registrul de date și registrul de
instrucțiuni. Registrul de instrucțiuni e un registru prin care LCD primește comenzi (shift, clear
etc). Registrul de date este folosit pentru a acumula datele care vor fi afișate pe display. Când
semnalul Enable al LCD -ului este acti vat, datele de pe pinii de date sunt puse în registrul de
date, apoi mutate în DDRAM (memoria de afișaj, Display Data RAM) și afișate pe LCD.
Registrul de date nu este folosit doar pentru trimiterea datelor către DDRAM ci și către
CGRAM, memoria care stoch ează caracterele create de către utilizator (Character Generator
RAM). Display Data Ram (DDRAM) stochează datele de afișare, reprezentate ca și caractere
de 8 biți. Capacitatea extin să a memoriei este de 80 X 8 biț i, sau 80 de caractere.

Figura 6.3 Codurile ASCII care pot fi utilizate
pentru afișare

Figura 6.2 Semnificația pinilor afișajului LCD

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 31
Memoria rămasă liberă poate fi folosita ca un RAM generic. Pe LCD -ul nostru se
afișează doar 2×16 caractere, deoarece aceasta este dimensiunea afișorului, dar controllerul
poate stoca 80. Forma grafică efectivă a unui caracter afișat pe LCD este dată de conținutul
memoriei CGROM (Character Generator Read Only Memory). Această memorie conține
matricele de puncte pentru fiecare caracter (5×8 puncte sau 5×10 puncte – depinde de
dispo zitiv).

Aspectul caracterelor de la 0x00 la 0x07 poate fi definit de utilizator. Se va specifica
pentru fiecare caracter o matrice de 8 octeți, cate unul pentru fiecare rând. Cei mai putini
semnificativi 5 biți din fiecare rând vor specifica care pixeli v or fi aprinși și c are nu (vezi figura
6.4) [18].

Exemplu: afișarea șirurilor de caractere și a valorilor numerice pe LCD În primul exemplu vom
afișa un șir de caractere pe prima linie a LCD -ului, și n umărul de secunde care au trecut de la
începerea programului.

Figura 6.4 Realizarea de caractere personalizate

Figura 6.5 Schema electrică de conectare a unui LCD

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 32
Exemplu de program pentru afișarea pe ecranul LCD
//include biblioteca pentru lucrul cu LCD
#include <LiquidCrystal.h>
/* LCD RS pinul digital 12
* LCD Enable pinul 11
* LCD D4 pinul 5
* LCD D5 pinul 4
* LCD D6 pinul 3
* LCD D7 pinul 2
Al șaptelea pin este pinul de la potentiometrul de reglare a iluminarii */
//inițializează lcd -ul la valorile stabilite ale pinilor
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
unsigned long time;
void setup()
{
//seteaza numarul de randuri si coloane ale LCD -ului
lcd.begin(16, 2);
}
void loop()
{
//luam numarul de secunde trecute de la reset (sau pornirea programului)
time = millis() / 1000;
//setam cursorul la coloana 0 randul 1
lcd.setCursor(0, 0);
//scriem un text
lcd.print("hello, world!");
//setam cursorul la mijlocul liniei a doua
lcd.setCursor(0, 1);
//scriem timpul
lcd.print(time);
}

Modificați programul anterior astfel încât să actualizeze doar caracterele care sunt modificate
pentru timpul afișat.

Figura 6.6 Rezultatul rulării
programului

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 33

Exemplu: generarea de caractere utilizator (Figura 6.4)
Acest exemplu ilustrează crearea caracterelor de către utilizator, și folosirea lor.

#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2);
// Masca pentru primul caracter, fiecare linie de biț i reprezintă o linie a caracterului
byte happy[8] = {
B00000,
B11011,
B11011,
B00000,
B00000,
B10001,
B01110,
};
// Masca pentru al doilea caracter
byte sad[8] = {
B00000,
B11011,
B11011,
B00000,
B00000,
B01110,
B10001,
};
void setup() {
lcd.begin(16, 2);
// cele două caractere sunt stocate în CGROM, zona utilizator, poziŃiile 0 și 1
lcd.createChar(0, happy);
lcd.createChar(1, sad);
// Afișare prima linie, un text standard urmat de primul caracter utilizator
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Happy ");
lcd.wr ite(byte(0)); // ObservaŃi diferenta dintre print și write
/* cand referiti caracterul „0” trebuie sa faceti un cast la byte. Altfel compilatorul va
semnala o eroare. Exceptie este cazul in care referii o variabila:
byte zero = 0;
lcd.write(zero);
*/
// Afisare pe a doua linie
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Sad ");
lcd.write(1); // cand referiti caractere diferite de „0” nu mai este necesar cast -ul;
}
// Functia loop ramane nefolosita, puteti să o folositi pentru a extinde funcționalitatea
void loop()
{
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 34

7. Protocolul de comunicație I2C

Protocolul Inter Integrated Circuit (I2C) este un protocol creat pentru a permite mai
multor circuite integrate “slave” să comunice cu unul sau mai mute circuite integrate
“master”. Acest tip de comunicare poate fi folosit doar pe distanțe mici de comunica re
și asemenea protocolului UART are nevoie doar de 2 fire de semnal pentru a
trimite/primii informații.
Protocolul I2C a fost dezvoltat î n 1982 de către firma Philips pentru diferite circuite
integrate Philips . Specificațiile originale permiteau comunica rea doar cu frecvența de
100kHz și doar pe 7 biți de adresă, limitând numărul dispozitivelor conectate la bus,
la 112. În 1992 spațiul de adrese a fost extins la 10 biți și comunicarea se realiza pe
500kHz. În prezent există trei moduri adiționale: fast p lus (1MHz) , high-speed
(3.4MHz) si ultra-fast (5MHz) .
In plus, in 1995 Intel a introdus o nouă variant ă de I2C, numit ă "System Management
Bus" (SMBus) , care este mult mai bine controlat ă și realizată cu intenția de a maximiza
predictibilitatea comunicării dintre suporturile IC și plăcile de baza ale PC -urilor. Cea
mai notabil ă diferență dintre SMBus si I2C este aceea că prima limitează viteza de
comunicație de la 10kHz la 100kHz, iar a doua poate supo rta dispozitive cu o frecvență
de la 0kHz la 5MHz.

Figura 7.1 Comunicația serială între două dispozitive

Un dezavantaj al comunicației seriale asincrone este acela c ă, comunicarea este
permisă doar î ntre dou ă dispozi tive. Chiar daca este posibil să conect ăm mai multe
dispozitive la un singu r port serial, apar conflicte de bus ("bus contention") deoarece
două dispozitive tind s ă conducă aceeași linie în acela și timp și dispozitivele se pot
defecta .
În cele din urm ă, rata de transfer a datelor reprezi ntă o problema. Teoretic nu este nici
o limit ă în comunicarea seriala asincrona , dar practic î n comunicarea UART ,
dispozitivele suportă o rata de transfer fixă ș i cea mai mare rat ă este de aproximativ
230400 biți/secunda.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 35

Dezavantajele comunicației seriale SPI.

Figura 7.2 Comunicația serială SPI

Cel mai mare minus pe care -l are protocolul SPI este numărul mare de pini de care
este nevoie. Pentru conectarea unui singur "master" cu un singur "slave" la un bus
SPI, este nevoie de 4 linii, iar fiecare "slave" pe care -l conectam după , necesita un
circuit adițional ce selectează un pin I/O de pe dispozitivul folosit ca "master". Prin
urmare, î n acest ti p de comunicare este realizabilă conectarea a mai multor dispozitive
"slave" la un si ngur dispozitiv "master", dar cu toate acestea, din cauza numărului
mare de pini utilizați, este nevoie ca circuitul „master” să utilizeze mai multe porturi de
ieșire pentru comanda circuitelor „slave”
SPI este totuși bun din cauza implementării ușoare si a ratei de transmitere a datelor
( transmitere si recepționare simultana ) prin conexiunea full -duplex, suportând o rata
de transmisie de 10 milioane de biți/secunda.

Figura 7.3 Conectarea mai multor dispozitive I2C

I2C necesita două legături, similar cu comunicarea serială asincron ă, cu diferența ca
acest tip de comunicare poate suporta pana la 1008 dispozitive de tip "slave". Mai mult
decât atât, in comunicarea de tip I2C pot exista mai multe dispozitive de tip "master"
conectate la un bus, lucru nepe rmis în comunicația SPI.
Rata de transfer a datelor nu este foarte bun ă, fiind asemănătoare cu cea de la portul
serial ; cele mai multe dintre dispozitivele I2C-uri comunica cu o rat ă de transmisie
cuprins ă între 100kHz și 400kHz.
În ceea ce privește implem entarea, acea sta este mai complexă decât în cazul
implementării SPI, dar mult mai ușoara decât in cazul comunicării asincrone, cu
UART .

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 36
Fiecare bus I2C este compus din doua semnale: SCL (semnalul de ceas) si SDA (
semnalul de date). Semnalul de ceas este întotdeauna generat de bus -ul masterul
curent. Fiecare bus I2C poate suporta p ână la 112 dispozitive, iar toate dispozitivele
trebuie s ă aibă aceeași conexiune GND .
Spre deosebire de alte metode de comunicare, precum UART , magistrala I2C este de
tip “open drain”, ceea ce duce la faptul că fiecare dispozitiv conectat la magistrală
modifică starea logică a magistralei doar în sensul nivelului logic „low”, nici un
dispozitiv nu va încerca „fixarea” unui nivel logic „high”. Așadar , se elimină problema
de "bus c ontention”, unde un dispozitiv încearcă sa „tragă ” una dintre linii in starea
"high” in timp ce altul o aduce in "low”, eliminând posibilitatea de a distruge
componente. Fiecare linie de semnal are un rezistor pull -up pe ea, pentru a putea
readuce semnalul pe "high” când nici un alt dispozitiv nu cere „low”.

Figura 7.4 Circuitul electric de interfață în cazul I2C

În figura 7 .4 se remarc ă folosirea a dou ă rezisten țe pe liniile de semnal. Selecția
rezistentelor variază odată cu dispozitivele care folosesc busul, dar o regula buna este
de a începe cu rezistente de 4.7k si cu scăderea valorilor lor dac ă e necesar.

Figura 7.5 Transmisia datelor în cazul protocolului I2C

Mesajele transmise sunt împărțite in doua tipuri de cadre (frames): cadre de date
(conțin mesaje pe 8 biți direcționate de la dispozitivul de tip "master" la cel de tip
"slave" și invers) și cadre de adresă (conține adresa dispozitivul de tip "slave", la care
dispozitivul de tip "master" trimite mesajul).

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 37
Datele sunt puse pe linia SDA d upă ce SCL ajunge la nivel "low" ș i sunt eșantionate
când SCL ajunge "high". Timpul î ntre nivelul de ceas si operațiile de citire/scriere este
definit de dispozi tivele conectate pe magistrala ș i va fi diferit, funcție de circuitele
integrate utilizate .
Condiția de start
Pentru a iniția cadrul de adresa, dispozitivul "master" lasă SCL "high" si pune SDA pe
"low", astfel toate dispozitivele "slave" sunt pregătite pentru a recepționa date.
Daca doua sau mai multe dispozitive "master" doresc sa -si asume bus -ul la un
moment dat, primul dispozitiv care ajunge de la "high" la "low" primul, va prelua
controlul bus -ului.
Cadrul de adresa
Cadrul de adresa este mereu primul atunci când o noua comunicare începe. Mai întâi
se vor trimite sincron biții adresei (primul fii nd cel mai semnificativ), apoi se va
transmite un semnal de tip R/W pe biți. Bitul 9 al cadrului este reprezentat de bitul
NACK/ACK. Acesta este cazul pentru ambele cadre (de adrese si de date).
După ce primii 8 biți ai cadrului sunt transmiși, dispozitivu lui receptor ii este dat
controlul asupra SDA -ului. Daca acest dispozitiv nu schimba in 0 logic linia SDA
înainte de al nouălea puls de ceas, se poate deduce ca acesta nu a primit datele, ori
nu a știut sa interpreteze mesajul recepționat. In acest caz, sc himbul de date se
oprește si rămâne la latitudinea dispozitivului "master" cum va proceda mai departe.
Cadrul de date
După ce cadrul de adresa a fost trimis, datele/mesajele pot începe a fi transmise.
Dispozitivul "master" va continua sa genereze impulsuri de ceas la un interval regulat,
iar datele vor fi plasate pe SDA, fie de dispozitivul "master" fie de cel "slave", in funcție
de biții R/W transmiși in cadrul anterior. Numărul de cadre de date este arbitrar.
Condiția de oprire
De îndată ce toate cadrele au fost trimise, dispozitivul "master" va genera o condiție
de oprire. Condițiile de oprire sunt definite de tranziția de la "low" la "high" ( 0 -> 1 ) pe
SDA, după o tranziție 0 -> 1 pe SCL cu SCL pe "high".
În timpul operației de scriere, valoarea din SDA nu ar trebuie sa se schimbe când SCL
este "high" pentru a evita condițiile false de oprire.
În cazul Arduino UNO, pinii I2C pentru Arduino sunt pinul analogic 4 (care este
pinul SDA), si pinul analogic 5 (care este pinul SCL). Pentru Arduino Mega, pinu l digital
20 este pinul SDA si pinul digital 21 este pinul SCL. In cazul Arduino Leonardo, cei doi
pini SDA si SCL sunt distincți, marcați ca atare pe placa. Pentru a folosi un dispozitiv
I2C, vei conecta pinul SDA al dispozitivului cu pinul SDA al Arduino , pinul SCL al
dispozitivului cu pinul SCL al Arduino. In plus, in funcție de dispozitiv, s -ar putea sa fie
necesar sa conectezi si pinul de adresa la GND sau la VCC (in cele mai multe cazuri,
pinul de adresa este deja conectat, dar nu întotdeauna).

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 38
Comunicarea dintre trei sisteme de dezvoltare Arduino Uno, utilizând protocolul I2C.
Programul utilizat este prezentat mai jos, pentru fiecare din cele trei sisteme (unul
master și două sisteme de tip slave).

Master Slave1 Slave2
#include <Wire.h>
void setup()
{
Wire.begin();
}
void loop()
{

Wire.beginTransmission(1);
Wire.write('H');
Wire.endTransmission();

delay(500);

Wire.beginTransmission(1);
Wire.write('L');
Wire.endTransmission();

delay(500);

Wire.beginTransmission(2);
Wire.write('H');
Wire.endTransmission();

delay(500);

Wire.beginTransmission(2);
Wire.write('L');
Wire.endTransmission();

delay(500);
}
#include <Wire.h>
const byte slaveId = 1;
void setup()
{
Wire.begin(slaveId);
Wire.onReceive(receiveEvent);
Serial.begin(9600);

pinMode(13,OUTPUT);
digitalWrite(13,LOW);
}
void loop()
{
}
void receiveEvent(int howMany)
{
char inChar;

while(Wire.available() > 0)
{
inChar = Wire.read();

if (inChar == 'H')
{
digitalWrite(13, HIGH);
}
else if (inChar == 'L')
{
digitalWrite(13, LOW);
}
else
{
Serial.println("Different from H and
L");
}
}
#include <Wire.h>
const byte slaveId = 2;
void setup()
{
Wire.begin(slaveId);
Wire.onReceive(receiveEvent);
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
}
void receiveEvent(int howMany)
{
char inChar;

while(Wire.available() > 0)
{
inChar = Wire.read();

Serial.println(inChar);
}
}

O situație des întâlnită de utilizarea a magistralei I2C, în cazul sistemelor Arduino, este
aceea de conectare a unui dispozitiv de afișare de tip LCD alfanumeric. Pentru
reducerea conexiunilor electrice și utilizarea pinilor disponibili de la Arduino pentru alte
dispozitive, sunt mo tivele principale de utilizare a acestui circuit adaptor.
În figura 7.5 este prezentată imaginea acestui circuit conectat la LCD, iar în figura 7.6
este prezentată schema electrică de conectare.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 39

Figura 7.5 Sistemul I2C care permite conectarea ecranului LCD la Arduino

Figura 7.6 Schema electrică de conectare LCD I2C

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 40
Se conectează pinul 1 (SDA) la pinul analogic 4 al Arduino, pinul 2 (SCL) la pinul 5
analogic al Arduino, pinul 3 (VCC) la pinul 5V al Arduino si pinul 4 (GND) la pinul GND
al Arduino.
Din meniul Examples, încarcă exemplul "HelloWorld_i2c" (sau încarcă codul de test
de mai jos).

#include "Wire.h"
#include "LiquidCrystal.h"

// Connect via i2c, default address #0 (A0 -A2 not jumpered)
LiquidCrystal lcd(0);

void setup() {
// set up the L CD's number of rows and columns:
lcd.begin(16, 2);

lcd.setBacklight(HIGH);
lcd.print("hello, world 0 !");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("hello, world 1 !");

}

void loop() {

}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 41
8. Protocolul de comunicație SPI

Comunicarea SPI este de tip Master/Slave, circuitul master fiind de obicei un
microcontrolerul ce controleaza unul sau mai multe circuite periferice. SPI a fost
dezvoltată de Motorola pentru a furniza o interfață simplă, de cost redus între
microcontrolere și dispozitive periferice. Fiind o intefață serială sincronă, transmisiile
sunt sincronizate cu un semnal de ceas care sunt furnizate de către master
(dispozitivul principal) receptorului (dispozitivul secundar), care și el la rândul său
utilizează semnal ul de ceas la achiziția fluxului de biți.

Pentru comunicarea SPI sunt utiliza ți o serie de pini dedica ți și care au roluri clar
definite:
• MISO (Master In Slave Out) – este de f apt pinul 12 al Arduino -ului. Aș a cum
sugereaz ă și denumir ea, aceasta este linia utilizată de către slave pentru a trimite
date catre master.
• MOSI (Master Out Slave In) – pinul 11 al Arduino, este utilizat pentru ca masterul
să poata trimite date c ătre slave.
• SCK (Serial Clock) – pentru ca cele dou ă dispozitive s ă poată comunica sincron
(după cum spuneam mai sus, comunicarea este una sincron ă), este nevoie ca
circuitul master să genereze frecvența care va reprezenta referința în ceea ce
privește „ritmul” comunicației . Circuitul s lave va recepționa această frecvență și va
reacționa începând comunicația cu circuitul master . SCK in cazul nostru este
implementat de pinul 13 al Arduino.
• SS (Slave Select) – Este utilizat de către master pentru a selecta diverse circuite
slave. Deși în acest caz este implementat utilizând pinul 10, acest lucru nu este
obligatoriu putând fi utilizat oricare alt pin digital. În comunicația SPI, dacă pinul
SS este setat pe valoarea LOW atunci circuitul master dorește să comunice cu
acel dispozitiv, practic se activează recepția datelor pentru acel circuit. Ca să
oprească comunicarea cu acel dispozitiv, se setează pinul SS pe high. Ca și
exemplu, daca am conectat doua dispozitive care comunică pe SPI, acestea vor
utiliza aceiași pini 11,12,13 cu semnificatiile de mai sus dar vor utiliza doi pini SS
diferiți – să zicem 9 si 10 (la 10 sa presupunem ca avem conectat un shield ethernet
iar la 9 avem conectat un cititor de carduri MicroSD). Pentru a selecta dispozitivul
ce are conectat pinul SS la 9 va trebui sa setăm 10 cu high și 9 cu low (în aceasta
ordine) – în cazul nostru am selectat cardul MicroSD și comunicația va fi facută cu
el în timp ce shieldul ethernet va fi ignorat. Pentru a selecta dispozitivul ce are
portul SS conectat la pinul 10, se va seta 9 cu high și apoi 10 cu low – în cazul
nostru se va opri co municația cu cititorul de carduri și se va comunica cu shieldul
ethernet.
Cu o conexiune SPI avem mereu un dispozitiv principal care controlează dispozitivele
periferice. Teoretic, sunt 3 linii comune pentru toate dispozitivele:

• MISO (Master In Slave Out)- linia secudară pentru trimiterea datelor la
cea princi -pală.
• MOSI (Master Out Slave In) – linia principală pentru trimiterea datelor la
dispozitivele periferice.
• SCK (Serial Clock) – impulsurile ceasului care sincronizează
transmiterea datelor generate de dispozitivul principal.
Există o linie specifică fiecarui dispozitiv pentru unele procesoare:

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 42
• SS (Slave Select) – pin-ul fiecărui dispozitiv prin care dispozitivul
principal poate activa sau dezactiva dispozitive specifice.

Când pin -ul SS al unui disp ozitiv este activ, are loc comunicarea cu dispozitivul
principal.
Când este inactivat, ignoră dispozitivul principal. Acesta permite distribuirea acelorași
căi de transmisii MISO, MOSI și CLK mai multor dispozitive SPI.
Pentru a scrie codul unui nou dispo zitiv SPI trebuie să ținem cont de următoarele:
• Viteza maximă folosită pentru un dispozitiv SPI este controlată de
primul parametru din setările SPI. Viteza este mai mică sau egală decât
cea a unui cip de 15 MHz care utilizează cu setările SPI.
• Modificarea datelor este controlată atât de al doilea parametru al
setărilor SPI cât și de MSB (Most Significant Bit) sau LSB (Least
Significant Bit). Majoritatea cipurilor SPI utilizează prima comandă de
date.
• Al treilea parametru al setărilor SPI controlează impuls urile de ceas și
permit punerea în așteptare a ceasului când este oprit sau pornit.

SPI Standard poate implementa mai multe dispozitive, fiecare întru -un mod diferit,
adică trebuie să acorzi o atenție mai specială pentru fișa de date a dispozitivului când
scri un cod.
Unele periferice care au interfețe SPI sunt în măsură să transfere mai mulți octeți
deodată, în care se pot transfera un flux continuu de date de la dispozitivul principal
către cele secundare. Acest tip de transfer permite ca semnalul SS să rămână activ
pe toată durata transferului. Unele periferice secundare permit conectarea unui lanț
de priorități. De exemplu, dacă dispozitivul principal trimite trei octeți prin interfața SPI,
atunci primul octet va fi transferat la primul dispozitiv secun dar A, timp în care B și C
rămân liberi, apoi la transferul următorului octet, primul octetul din A merge la
dispozitivul secundar B, iar noul octet rămâne în A. Și în final ultimul octet nou se
transferă în A, cel de -al doilea ,care a fost în A, merge în B, iar ce a fost în B merge
în dispozitivul secundar C.
Această conectare în lanț nu este funcțională la orice dispozitiv periferic SPI.
In general sunt 4 moduri de transmisie. Aceste moduri controlează tot timpul datele
modificate la intrare sau ieșire, la creșterea sau scăderea semnalului de ceas (faza de
ceas), când ceasul este în repaus și când este pornit sau oprit (polaritate de ceas).
Cele 4 moduri combină polaritățile și fazele conform acestui tabel (Tabelul 3.3):

Mod Polaritatea ceasului
(CPOL) Faza de ceas (CPHA)
SPI_MODE0 0 0
SPI_MODE1 0 1
SPI_MODE2 1 0
SPI_MODE3 1 1

Tabelul celor 4 moduri a ceasului

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 43
Toate plăcile de bază AVR au un pin SS care este folositor atunci când se comportă
ca și un dispozitiv secundar controlat de un dispozitiv principal extern. De când
această librărie suportă doar modul principal acest pin ar trebui să fie setat mereu ca
ieșire, altfel interfața SPI poate fi pusă automat în modul secundar de către
componente, inter pretând libraria inoperativă. Este posibilă folosirea oricărui contact
SS pentru dispozitive.
Ca exemplu, placa de Arduino Ethernet folosește pinul 4 pentru a controla conexiunea
SPI cu slotul cardului extern și pinul 10 pentru a controla conexiunea cu con trolorul
Ethernet.[4]

Pentru comunicația utilizând protocolul SPI se va utiliza biblioteca SPI.h, unde sunt
funcțiile care se pot utiliza pentru această comunicație.

Figura 8.1 Comunicația SPI cu un singur circuit slave [12]

Figura 8.2 Comunicația SPI cu două circuite cu rol de slave [12]

În figurile 9.1 și 9.2 sunt prezentate schemele de conectare a unui circuit master
cu unul, respectiv două circuite slave. Se poate observa că la fiecare circuit slave
adăugat, circuitul master trebuie să aloce un pin pentru activarea acestuia, cu cât mai
multe circuite de tip slave sunt conectate la magistrală cu atât mai mulți pini ai

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 44
circuitului master vor fi dedicați acestei comunicații, fiind indisponibilizați pentru alte
utilizări.

În figura 8.3 este prezentată schema de conectare a două sisteme Ard uino Uno
care comunică între ele folosind magistrala SPI.

Figura 8.3 Comunicația a două sisteme Arduino Uno utilizând SPI

Programul utilizat pentru această comunicație este prezentat mai jos, unul este pentru
microcontrolerul care are rolul de master ș i un program este pentru al doilea circuit cu
rolul de slave.

Exemplu de program – master
#include <SPI.h>
void setup (void) {
Serial.begin(115200); // comunicația serială cu PC -ul va fi la 115200 baud
digitalWrite(SS, HIGH); // dezactivare – deselec tare circuit slave
SPI.begin ();
SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8);// divizorul semnalului de ceas 8
}

void loop (void) {
char c;
digitalWrite(SS, LOW); // selectarea circuitului slave
// trimiterea sirului de caractere de test
for (const char * p = "Hello, world! \r" ; c = *p; p++) {
SPI.transfer (c);
Serial.print(c);
}
digitalWrite(SS, HIGH); // dezactivare circuit slave
delay(2000);
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 45

Exemplu de program pentru circuitul cu rol de slave
#include <SPI.h>
char buff [50];
volatile byte indx;
volatile boolean process;

void setup (void) {
Serial.begin (115200);
pinMode(MISO, OUTPUT); // pinul de transmisie setat ca si iesire
SPCR |= _BV (SPE); // setarea SPI cu rol de slave
indx = 0; // golirea buf erului
process = false;
SPI.attachI nterrupt(); // activarea intreruperii pentru SPI
}
ISR (SPI_STC_vect) // rutina pentru intreruperea SPI
{
byte c = SPDR; // citire octet din registru de date SPI
if (indx < sizeof buff) {
buff [indx++] = c; // salvare date la urmatorul index in bufer
if (c == ' \r') //verificare sfarsit cuvant
process = true;
}
}

void loop (void) {
if (process) {
process = false; //reset are variabila process
Serial.println (buff); // tiparirea sirului de caractere la terminalul serial
indx= 0; //resetare index
}
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 46
9. Dispozitive de intrare – Tastatura

Pentru realizarea unor programe care să fie cât mai interactive este necesară
utilizarea unor dispozitive de intrare prin intermediul cărora să poată fi introduse sau
modificate anumite variabile. Înclusiv navigarea printr -un meniu este mult mai facilă
prin utilizarea unor butoane.
Una din cele mai rapide metode de utilizare a unor butoane pentru sistemele
de dezvoltare Arduino, este conectarea acestora prin intermediul unor rezistențe
(connfigurate ca divizor de tensiune reglabil) la convertorul analog digital.
În figura 9.1 este prezentată schema de conectare și în figura 9.2 se prezintă
implementarea acestei variante .

Figura 9.2 Implementarea practică a tastaturii analogice

Figura 9.1 Tastatura analogică

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 47
Programul pentru utilizarea tastaturii analogice este prezentat mai jos:
//preluat din sursa [26]

void setup() {
//activeaza rezisstenta de pull up pentru portul
digitalWrite(A0, HIGH);
// initializare port serial
Serial.begin(9600);
}

void loop() {
// citeste valoarea de pe portul analogic
int analogic = analogRead(A0);
delay(200);//asteapta putin pentru revenirea butonului

if (!(analogic>=1010&&analogic<=1023)){//incepe verificarea doar daca s -a apasat
un buton
if (analogic>=185&&analogic<=200)//185 -200 este intervalul valorilor citite pe portul
analogic pentru butonul 1
{
// tipareste valoarea si mesaj
Serial.println("Ai a pasat butonul:1"); }

if (analogic>=150&&analogic<=170)//150 -170 este intervalul valorilor citite pe portul
analogic pentru butonul 2
{
// tipareste valoarea si mesaj
Serial.println("Ai apasat butonul:2"); }

if (analogic>=100&&analogic<=149)//100 -149 este intervalul valorilor citite pe portul
analogic pentru butonul 3
{
// tipareste valoarea si mesaj
Serial.println("Ai apasat butonul:3"); }

if (analogic>=69&&analogic<=101)//69 -101 este intervalul valorilor citite pe portul
analogic pentru butonul 4
{
// tipareste valoarea si mesaj
Serial.println("Ai apasat butonul:4"); }

if (analogic>=0&&analogic<=25)//0 -25 este intervalul valorilor citite pe portul analogic
pentru butonul 5
{
// tipareste valoarea si mesaj
Serial.println("Ai apasat butonul:5"); }

}
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 48
O variant ă mai complexă este utilizarea unor butoane organizate matricial , cum este
prezentată în figura 9.3

Figura 9.3 Tastatura cu organizare matricială a butoanelor

Pentru relizarea programului se folosește librăria Keypad .Exemplul de program care
utilizează această variantă de tastatură este prezentat mai jos. [27]

/* Keypadtest.pde
*
* Demonstrate the simplest use of the keypad library.
*
* The first step is to connect your keypad to the
* Arduino using the pin numbers listed below in
* rowPins[] and colPins[]. If you want to use different
* pins then you can change the numbers below to
* match your setup.
*
*/
#include <Keypad.h>

const byte ROWS = 4; // Four rows
const byte COLS = 3; // Three c olumns
// Define the Keymap
char keys[ROWS][COLS] = {
{'1','2','3'},
{'4','5','6'},
{'7','8','9'},
{'#','0','*'}
};
// Connect keypad ROW0, ROW1, ROW2 and ROW3 to these Arduino pins.
byte rowPins[ROWS] = { 9, 8, 7, 6 };
// Connect keypad COL0, COL1 and COL2 to these Arduino pins.
byte colPins[COLS] = { 12, 11, 10 };

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 49
// Create the Keypad
Keypad kpd = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS );

#define ledpin 13

void setup()
{
pinMode(ledpin,OUTPUT);
digitalWrite(ledpin, HIGH);
Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
char key = kpd.getKey();
if(key) // Check for a valid key.
{
switch (key)
{
case '*':
digitalWrite(ledpin, LOW);
break;
case '#':
digitalWrite(ledpin, HIGH);
break;
default:
Serial.println(key);
}
}
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 50
10. Servomotoa re

În literatura sub denumirea de servomotoare se cuprind motoarele electrice
executate special pentru a fi utilizate în sistemele automate de poziționare și care în
general sunt de puteri reduse (până la puteri de ordinul câtorva [kW]).
Pentru puteri mai ma ri se folosesc motoarele electrice convenționale, care sunt
elemente de execuție mai lente, cu constante de timp mai mari dar și cu randament
mai bun. Servomotoarele sunt motoare electrice speciale, de curent continuu sau
curent alternativ cu viteză de rot ație reglabilă într -o gamă largă în ambele sensuri
având ca scop deplasarea într -un timp prescris a unui sistem mecanic (sarcina) de -a
lungul unei traiectorii date, realizând totodată și poziționarea acestuia la sfârșitul cursei
cu o anumită precizie.
Sistemele de reglare automată moderne impun servomotoarelor următoarele
performanțe:
1. gamă largă de modificare a vitezei în ambele sensuri;
2. funcționare stabilă la viteză foarte mică;
3. constante de timp cât mai reduse;
4. fiabilitate și robustețe ridicat e;
5. raport cuplu/moment de inerție cât mai mare;
6. suprasarcină dinamică admisibilă mare;
7. caracteristici de reglare liniare.
Servomotoarele electrice se folosesc în cele mai diverse aplicații cum ar
fi acționarea roboților industriali universali, a mașinilor unelte cu comandă numerică,
a perifericelor de calculator, în acționarea imprimantelor rapide, în tehnica
aerospațială, instalații medicale etc. În aplicațiile enumerate, cuplul dezvoltat de
servomotoare variază într -o plajă largă de valori, 0,1 ÷ 100 [Nm], cu puteri nominale
ce variază în intervalul 100 [W] și 20 [kW].
Conform principiului lor de funcționare, servomotoarele electrice pot fi
clasificate în: servomotoare de curent continuu, servomotoare asincrone și
servomotoare sincrone, în această ultimă categorie fiind incluse atât servomotoarele
de curent continuu fără perii cât și servomotoarele pas cu pas.
Servomotoarele de curent continuu se caracterizează prin posibilitatea de
reglare a vitezei în limite largi, 1:10.000 și chiar mai mu lt, prin intermediul unei părți de
comandă electronică relativ simplă.
Servomotoarele de curent continuu au caracteristici mecanice și de reglaj
practic liniare, cuplu de supraîncărcare mare, greutate specifică mică, moment de
inerție redus etc. Dezavanta jele sunt legate de colector, fenomene de comutație,
uzură și scânteiere.
Servomotoarele asincrone, în prezent răspândite în tot mai mare
măsură, elimină dezavantajele servomotoarelor de curent continuu legate de sistemul
colector -perii, fiind de asemenea atractive prin robustețea, simplitatea și prețul lor.
Există însă și o serie de dezavantaje legate de randament, factor de putere, greutate
și nu în ultimul rând procedee de comandă mai complicate decât cele ale
servomotorului de curent continuu.
Spre deosebire de motoarele DC, care produc rotație continuă cât timp sunt
conectate la o sursă de tensiune, motoarele servo sunt folosite pentru a obține rotații
parțiale, stabile și controlate, pentru efectuarea unor operații cu amplitudine mică dar

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 51
cu precizie ridicată: acționare mecanism de închidere -deschidere, poziționare senzori,
efectuarea unor gesturi, etc.

Figura 10 .1 Imaginea servomotorului utilizat

Motoarele servo au 3 fire, iar culoarea acestora variază în funcție de
producător. Culoarea roș ie desemnează de obicei Vcc (5V), în timp ce GND este de
obicei negru sau maro. Pe lângă aceste două fire de alimentare, există un al treilea,
firul de comandă, care este de obicei galben, portocaliu sau alb. Figura 10.2 ilustrează
diferite tipuri de schem e de culori.

Figura 1 0.2 Diferite variante ale conectorului servomotorului

Semnalul de comandă seamănă foarte bine cu PWM, deosebirea fiind în felul
de utilizare a impulsului, mai exact nu contează raportul ON/OFF (duttz cycle) ci doar
durata impulsului .
În figura de mai jos este prezentat grafic semnalul de comandă al acestui
servomecanism.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 52

Figura 10 .3 Semnale comandă servomecanism

Motorul servo nu va executa (de obicei!) o rota ție completă, ci va devia de la
poziț ia de echilibru cu un unghi controlat de tensiunea aplicată pinului de semnal.
Folosind un semnal PWM pe acest pin, vom avea control asupra unghiului de rota ție
al motorului.
Cel mai simplu mod de a controla motoarele de tip servo este prin folosirea
bibliotecii Servo. Folosi rea acestei biblioteci permite controlarea a până la 48 de
motoare pe placa Arduino Mega. Dacă se folosesc mai mult de 12 motoare, biblioteca
va dezactiva func ția PWM pe pinii 11 și 12. La Arduino Uno, această bibliotecă va
dezactiva PWM pe pinii 9 și 10, indiferent de câte motoare se folosesc.
Metodele puse la dispozi ție de biblioteca Servo sunt prezentate mai jos:
servo.attach(pin) / servo.attach(pin, min, max) – atașează obiectul Servo la pini
● servo: un obiect instanță a clasei Servo
● pin: numărul pinului digital unde va fi atașat semnalul pentru motorul Servo
● min (opțional): lățimea pulsului, în microsecunde, corespunzătoare unghiului minim
(0 grade) al motorului servo (implicit 544)
● max (opțional): lățimea pulsului, în microse cunde, corespunzătoare unghiului maxim
(180 grade) al motorului servo (implicit 2400)

servo.detach() – detașează obiectul de tip Servo de la pin.

boolean val servo.attached() – verifica daca obiectul de tip Servo este atașat unui
pin.
Returnează adevărat sau fals. servo.write (angle) – scrie o valoare (0 .. 180) către
servo, controlând mișcarea:
● Pentru Servo standard ⇒ setează unghiul axului [grade] cauzând motorul să se
orienteze în direcția specificată.
● Servo cu rotație continuă ⇒ configurează viteza de rota ție (0: viteza maxima intr -o
directie; 180: viteza maxima in direc ția opusă; ≈ 90: oprit)

int val servo.read() – citește unghiul curent al motorului servo, configurat la ultimul
apel al metodei write().

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 53

Figura 1 0.4 Schema electrică de conectare a componentelor
pentru testarea servomotorului

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 54
#include <Servo.h> //includerea bibliotecii functiilor pentru servo
Servo myServo; //declararea myServo
int const potPin = A0; //definirea pinului A0 , cursorul potentiometrului
int potVal; //rezultatul conversiei analog -numerice
int unghi ; //variab ila pentru unghiul de rotatie al servo -ului

void setup() {
myServo.attach(9);
Serial.begin(9600);
}

void loop() {
potVal = analogRead(potPin); //se converteste tensiunea de la cursorul
potentiometrului
Serial.print(“potVal: “);
Serial.print(potVal); //se afiseaza rezultatul conversiei la portul serial
angle = map(potVal, 0, 1023, 0, 179); //se scaleaza valoarea tensiunii din domeniul
//0-1023 in 0 -179 …adica din tensiune in
unghiul
// de rotire
Serial.print(“, unghi : “);
Serial.println( unghi ); //se afiseaza unghiul calculat
myServo.write( unghi ); //se comanda rotirea servo -ului cu unghiul calculat
delay(15);
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 55

11. Măsurarea distanțelor prin metoda ultrasunetelor

Viteza sunetului
Într-un gaz ideal viteza sunetului este în funcție de temperatură.Din fericire pe pămînt
comportamentul aerului este foarte aproape de comportamentul unui gaz ideal, dacă
temperatura și presiunea se mențin la un nivel standard aflat la nivelul mării.
De aceea viteza sunetului “c” în cazul unui gaz ideal în cazul nostru este:
(11.1)
unde:

c = viteza sunetului în metri pe secundă
γ = constanta de temperatură, pentru aer uscat γ = 1.4
R = constanta gazului, pentru aer uscat R = 286.9 N*m / (kg*K)
T = temperatura absolută (Kelvin), unde 0°C = 273.16 K
Pentru exemplu, viteza sunetului la temperatura unei camere (22°C) este de :

Metri/secundă (1 1.2)

Viteza sunetului depinde și de tipul gazului.De exemplu atmosfera de pe Marte este compusă
din 95.3% dioxid de carbon (CO2) atunci constanta de temperatură γ=1.29, iar constanta
gazului R=188.9 N*m / (kg*K) atunci avem:

Metri/secundă (11.3)

Detecția prin comparare cu o tensiune de prag
Majoritatea sistemelor de măsură cu ultrasunete se bazează pe determinarea timpului de
zbor (TOF = intervalul de timp dintre momentul emisiei și momentul recepției unui puls sonor).
Momentul emisiei, tE, fiind cunoscut, rămâne de estimat momentul recepție i, tR, pentru a
putea determina TOF.
E Rtt TOF
(11.4)
Metoda folosită pentru determinarea tR constă în compararea semnalului recepționat,
x, cu o valoare de prag, VP, așa cum se prezintă în figura 3.1. Momentul, tRP, în care x
depășește pentru prima dată valoarea de prag se consideră a fi tR.
După cum rezultă din figura 1.1 această metodă oferă un estimat deplasat pentru
TOF. Deplasarea:

R RPt t (11.5)
depinde de VP, dar și de forma semnalului recepționat.
Pentru că deplasarea să fie 0 ar trebui îndeplinită cel puțin una din următoarele două condiții:
Condiția 1 , VP = 0 nu se poate realiza din cauza zgomotului propriu al receptorului.
Condiția 2 , timpul de creștere al semnalului recepționat să fie 0, nu se poate realiza din cauza
răspunsului în domeniul timp al sistemului de traductoare electroacustice (emițător – receptor).
TR c **
31.3449.286*)16.273 22(*4.1   c
2689.188*)16.295(*29.1  c

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 56

Nivelul de presiune sonoră și sensibilitatea
Nivelul de presiune sonoră (SPL) caracterizează performanța acustică a traductorului
emițător în timp ce sensibilitatea (engl). sensitivity) caracterizează performanța electrică a
traductorului receptor.
Dacă notăm cu P presiunea sonoră într -un punct și cu PREF o valoare de presiune
sonoră de referință, nivelul presiunii sonore se poate exprima în dB cu relația:
REFPPSPL log20
(11.6)
În acustică se obișnuiește a se lua drept valoare de referință pentru presiunea sonoră
corespunzătoare pragului de audibilitate:
bar PREF610 0002.0
(11.7)
Conform [4], pentru o tensiune de excitație de 40kHz și 10V ef la distanța de 30cm f ață de
traductor nivelul presiunii sonore va fi de minimum 120dB. Din (1 1.6) și (1 1.7), valoarea
absolută a presiunii sonore, va fi în aceste condiții:

bar P 0002.0 (11.8)

Fig 1 1.2. Dependenta de frecventa a sensibilității
În figura 11.2 se poate urmări dependența de frecvență a SPL pentru MA 400 ST
(curba din partea de sus a graficului). Se poate remarca faptul că în jurul frecvenței centrale
(40±0,5kHz), nivelul presiunii sonore este de peste 125dB, în timp ce pentru o abatere față
de f C de ±2,5kHz, aceasta se reduce deja la 115dB. Pentru un randament bun de
conversie a energiei electrice în energie acusțică este important că traductorul să fie excitat
la o frecvență cât mai apropiată de fre cvența centrală.
Nivelul presiunii sonore va fi cu atât mai mare cu cât valoarea efectivă a tensiunii de
excitație va fi mai mare. Într -adevăr, dacă notăm cu I intensitatea sonoră avem:
ef ef VP VI I P 2
(11.9)
VP
tR
tRP
Figura 11.1. Măsurarea TOF pr in metoda
comparării cu o tensiune de prag.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 57
Dependența dintre SPL și distanță nu este la fel de simplă. Atenuarea sunetului în aer
depinde de umiditate și temperatură și poate fi determinată pe baza unor relații empirice, cum
ar fi relația (1.10), dedusă pe baza rezultatelor experimentale de Knudsen și Harris:
tAf


20283.0
100023

(11.10)
unde: αt este coeficientul de atenuare în dB/m
f este frecvența în Hz
Φt = Φ20(1+0,067 Δt)
Φ20 este umiditatea relativă la 200C în %
Δt este diferența de temperatură față de 200C.
A doua curbă (ce din partea de jos) din figura 1 1.3 reprezintă graficul variației
sensibilității în funcție de frecvență.
Sensibilitatea este un parametru caracteristic traductoarelor receptoare (MA 400 SR). Ea se
definește la frecvența centrală și este amplitudinea tensiunii de mers în gol l a bornele
traductorului pentru o presiune acustică dată. În [4] este specificat ă valoarea -65dB la 40kHz
și valorile de referință de 1V pentru tensiune și 1 μbar pentru presiune.
Această informație se interpretează în felul următor : tensiunea de ieșire, î n gol, la
bornele MA 400 SR pentru 1 μbar presiune acustică la intrare va fi dată de relația:
barlamV v dBVv
bardB
barVv
 1 562.0 651log20165
11log20
000
 


(11.11)

Pe baza relațiilor (1.10) și (1.11) se poate deduce valoarea tensiunii de mers în gol a
receptorului la distanța de 30cm față de emițător, acesta din urmă fiind excitat la 40kHz cu o
tensiune de 10V ef. În aceste condiții presiunea exercitată asupra receptorului este de 200 μbar
(vezi relația 1.9) și prin urmare:
bar laV v vbarVv
200 963.0 1020065
2001log20
02002065
00
 



(11.12)
Această valoare a fost confirmată de rez ultate experimentale .
Unghiul de emisie / recepție
Unghiul de emisie pentru traductoarele MA 400 ST este parametrul care
caracterizează traductorul din punctul de vedere al variației SPL în funcție de abaterea față
de normala dusă în centrul traductoru lui.
Considerând ca valoare de referință (0dB) nivelul presiunii într -un punct situat la
distanța x pe normala dusă în centrul traductorului, în
conformitate cu datele de catalog, un punct situat la
aceeași distanță x față de traductor dar pe o dreaptă
care face cu normala un unghi de ± 300 va avea SPL
cu 6dB mai mic. Acesta este sensul în care, în
catalog, este specificat un unghi de emisie de 600 la –
6dB.
Unghiul de recepție, pentru traductoarele MA
400 SR, caracterizează traductorul din punctul de
vedere al variației tensiunii de ieșire în funcție de
abaterea sursei față de normala dusă în centrul
traductorului. Considerând ca valoare de referință
(0dB) nivelul de răspuns la o sursă situată la distanța
x pe normala dusă în centrul traductorului, în
conformitate cu datele de catalog, o sursă situatǎ la
aceeași distanță x dar pe o dreaptă care face cu
normala un unghi de ± 300 va produce un nivel de
Figura 11.3 . Unghiul de emisie /
recepție pentru traductoarele
MA400 ST / R

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 58
ieșire cu 6dB mai mic. Acesta este sensul în care în catalog este specificat un unghi
de recepție de 600 la -6dB. Graficul variației SPL respectiv al sensibilității în funcție de
unghi este prezentat în fi gura 1.3.
Influența temperaturii asupra parametrilor traductoarelor
Temperatura influențează valorile SPL, sensibilitatea și frecvența centrală. Modul de
variație al acestor parametrii se prezintă în figura 1.4.
După cum se poate vedea în figura 1.4.a, influența temperaturii asupra sensibilității
receptorului nu este semnificativă. Se constată o scădere a sensibilității cu 2 – 3dB pe tot
domeniul de temperaturi ( -300C … +800C) de funcționare admis [4]. Tendința de scădere
este mai accentuată la temper aturi mai mari decât 500. În cazul utilizării în aer liber atingerea
acestui prag este improbabilă.
În cazul MA 400 ST, după cum se vede din graficul 1.4.b, SPL este practic constant
în intervalul de temperaturi 300…800C. În afara acestui interval, se co nstată o scădere a
nivelului presiunii sonore o dată cu scăderea temperaturii. În intervalul de temperaturi de
funcționare admis, ( -300C … +800C), diferența de nivel nu depășește 3dB.
Temperatura în fluențează de asemenea și valoarea frecvenței centrale a
traductoarelor. Atât pentru MA 400 ST cât și pentru MA 400 SR, frecvența centrală scăde cu
creșterea temperaturii. Variația relativă maximă a frecvenței nu este mai mare de +1,5%… –
0,5% pentru receptor respectiv +2%… -2,5% pentru traductorul emițător. Î n intervalul de
temperaturi de uțilizare recomandat de producător [4], această variație se încădrează în
limitele +1%… -0,5% pentru MA 400 SR, respectiv +1,5%… -1,5% pentru MA 400 ST.

Pe baza celor prezentate se pot trage următoarele concluzii cu privire la utilizarea
traductoarelor din seria MA400 la măsurarea nivelului prin metoda puls-ecou.
1. Traductoarele din seria MA400 sunt destinate să lucreze în aer, într -un mediu normal,
necontaminat (ne -coroziv). Frecvența lor centrală este de 40kHz iar banda la -6dB este de
±2kHz pentru traductoarele MA400ST respectiv ±2,5kHz pentru traductoa rele MA400SR.
Sunt prin urmare traductoare de bandă îngustă. Din punctul de vedere al utilizării acest lucru
este important deoarece ele pot fi excitate cu (pot genera) semnale de frecvență constantă și
foarte apropiată de frecvența centrală. Este prin urm are exclusă posibilitatea utilizării unor
semnale speciale ( secvențe codate) de bandă largă pentru excitarea acestor traductoare.
2. Banda mai largă a traductoarelor MA400SR impune folosirea lor ca receptoare în timp ce
banda mai îngustă a traductoarelor MA4 00ST le recomandă ca emițătoare. Altfel, efectul
piezoelectric fiind reversibil, oricare dintre cele două traductoare poate fi folosit pe post de
Figura 11.4 . Influența temperaturii asupra: a. sensibilității MA 400 SR b. frecvenței centrale MA 400
SR c. SPL MA 400 ST d. frecvenței centrale MA 400 ST
d.
c.
b.
a.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 59
emițător sau receptor, mai mult, un singur traductor poate fi folosit alternativ pentru emisie și
recepție. Ut ilizarea lor conform destinației date de fabricant, (T – emițător, R – receptor)
conduce, așa cum s -a demonstrat experimental în primul referat la cel mai bun raport de
conversie electric – acustic – electric.
3. Nivelul presiunii sonore care se obține le 30cm de emițător, în condițiile în care acesta
este excitat pe frecvența centrală cu o tensiune de 10V ef este de 120dB. Din acest parametru
de catalog se poate calcula care ar fi nivelul presiunii sonore la altă valoare a tensiunii de
excitație (așa cum s -a demonstrat în paragraful 1 există o relație de proporționalitate între
valoarea efectivă a tensiunii de excitație și presiune). Din păcate această informație nu este
suficientă pentru a determina nivelul presiunii sonore la altă distanță față de emițător . Mai ales
în condițiile în care propagarea are loc în spații închise și presiunea într -un punct este dată
de suma mai multor reflexii defazate, acest nivel nu poate fi dedus din datele de catalog.
Determinările experimentale reprezintă singura soluție.
4. Sensibilitatea receptorului este un parametru foarte important de care depinde în ultimă
instanță raza maximă de acțiune a sistemului. Nivelul de -65dB dat de catalog se raportează
la o tensiune de referință de 1V și la o presiune de referință de 1µbar. Acea stă dublă raportare
face ca parametrul să fie greu de utilizat deoarece nu se cunoște distanța la care emițătorul
(cel puțin în anumite condiții) este capabil să asigure această presiune. Prin urmare acest
parametru este util numai pentru compararea diferi telor tipuri de receptoare între ele. Raza de
acțiune a unui sistem de emisie recepție în anumite condiții date se poate determina cu
precizie numai experimental.
5. Unghiul de emisie (recepție) al acestor traductoare este larg ( aproximativ 600 la -6dB)
ceea ce face ca în cazul utilizării în spații închise unda emisă respectiv recepționată să fie
compusă din foarte multe vibrații de aceeași frecvență dar de amplitudini și faze diferite. Pe
lângă dezavantajele evidente pe care ecourile suprapuse le produc din punctul de vedere al
detecției, acest fenomen prezintă și avantaje: în conformitate cu legea numerelor mari, dacă
numărul reflexiilor este suficient de mare, amplitudinea și faza vibrațiilor care se însumează
poate fi considerată aleatoare, cu distribuția normală, și în consecință probabilitatea de
recepție a unui ecou este aceeași în orice punct de pe suprafața unei secțiuni transversale a
tubului. Aceasta face ca poziționarea traductoarelor să nu fie critică.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 60
Pentru lab orator se va utiliza un modul HC -SR04, modul care conține și emițătorul de
ultrasunete și partea de recepție (microfonul), circuitul fiind proiectat să lucreze cu semnale
logice TTL, astfel se poate conecta direct la pinii platformei Arduino

Figura 11 .5 Conectarea modulului ultrasunete la Arduino Uno

CC de la senzo r se cupleaza la +5V de pe sistemul Arduino Uno.
TRIG de la senzor se cuplează la unul din pinii digitali de pe sistemul Arduino Uno (în cod
este setat pinul 2)
ECHO de la senzor se cuplează la un alt pin digital de pe sistem ul Arduino Uno (în cod este
setat pinul 3)
GND de la senzor se cuplează la unul din pinii G ND de la A rduino Uno.
Programul de testare este descris mai jos, furnizarea valorilor măsurate și a distanței
calculate fiind realizate prin intermediul comunicației seriale cu calculatorul.
Se vor realiza conexiunile descrise anterior urmând a fi copiat programul de mai jos în Arduino
IDE, se va compila și încărca programul rezultat și se vor urmării valorile rezultate, testînd
pentru diferite distanțe. Domeniul de m ăsură este de 10cm – 400cm, experimental rezultând
o precizie mai mare în intervalul 30cm – 300cm.

/*
* Senzor : HC-SR04
* Pini senzor | Conectare la platforma Arduino
* VCC la 5V
* TRIG la Digital pin 2
* ECHO la Digital pin 3
* GND la GND
Acest program realizeaza masurarea distantei pina la cel mai apropiat obiect si
returneaza valoarea distantei
*/
/*
A fost preluat si adaptat de la:
Original code for Ping))) example was created by David A. Mellis
Adapted for HC -SR04 by Tautvidas Si pavicius
This example code is in the public domain.
*/
// https://www.tautvidas.com/blog/2012/08/distance -sensing -with-ultrasonic -sensor -and-arduino/
//definirea pinilor
const int trigPin = 2;

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 61
const int echoPin = 3;

void setup() {
// se seteaza pinii de intrare si de iesire
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
// se initializeaza comunicatia seriala
Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
//variabilele pentru durata impulsului
// si pentru rezultatul distantei in centimetri
long duration, cm;

//Procesul de masurare este pornit prin generarea unui impuls HIGH cu o durata
//de minim 10 microsecunde
//pentru a fi asigurata o forma corecta a impulsului, pinul de Trigger este adus in starea LOW
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);

//masurarea timpului de la emiterea impulsului pina la receptionarea ecoului
//durata este masurata in microsecunde

//pulseIn() este o fucntie def inita in Arduino Ide care permite masurarea duratei unui impuls
//masoara cu acuratete mai mare impulsuri cu o durata mai mare de 10usec pina la 3 minute
//returneaza valoarea in microsecunde

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

// conver sia timp in distan ta
cm = microsecondsToCentimeters(duration);

Serial.print(cm);
Serial.print("cm");
Serial.println();

delay(100);
}

long microsecondsToCentimeters(long microseconds)
{
//viteza sunetului este de 340m/s sau 29 microsecunde / 1cm
//impulsul parcurge distanta de masurat de doua ori, dus si intors
//prin urmare durata pina la aparitia ecoului presupune distanta
//de la emitator – obiect – receptor, adica se va masura dublul distantei
//pina la obiect
return microseconds / 29 / 2;
}
//

Se vor realiza măsurători pentru mai multe distanțe (pentru referință se va utiliza o ruletă) iar
ulterior se va schimba durata impulsului semnalului ultrasonor și se vor compara rezultatele
(pentru o aceeași distanța, practic se va fixa senzorul înt r-o poziție, urmând a se schimba
doar programul din sistemul Arduino Uno).

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 62
12. Comunicația radio – nRf24L01

Modului de transmisie nRF24L01 este un cip de transmisie radio de putere mică care
lucrează la o frecvență de 2.4 GHz potrivit pentru aplicațiile fără fir.
Modul ul wireless nRF24L01 de bază este produs de compania Nordic în Norvegia și
este unul dintre cele mai recente module wireless de înaltă performanță.
nRF24L01 este un cip de transmisie de date cu un design profesional care poate
crește banda PA de mare putere și LNA, RF care schimbă filtrul de bandă compusă
în întregime.
Necesită o alimentare de 3.3V, antena încorporată poate transmite date pâna la 100m,
iar aceasta se poate extinde pana la 1km cu ajutorul unei antene suplimentare.
nRF24L01 poate fi operat și configurat cu ajutorul interfeței periferice seriale SPI.
Registrele pot fi accesate prin SPI, conținând toate configurațiile regiștrilor din
nRF24L01 și este accesibil tuturor modurilor de operare ale cipului. Parametrii pot fi
configu rați de către utilizator ca și canal de frecvență și suportă o rată de transmisie a
datelor de 250 kbps, 1 Mbps și 2 Mbps. Rata ridicată de transmisie a datelor combinată
cu două moduri de economisiere a energiei face ca nRF24L01 să fie potrivit pentru
modelele de putere foarte scazută.

Figura 12.1 Modulul de transmisie nRF24L01

Modulul nRF24L01 are în componența sa un dispozitiv care controlează
tranzițiile dintre modurile de operare ale cipului. Acest dispozitiv preia valorile intărilor
definite de uti lizator și semnalele interne.
Modulul nRF24L01 permite configurarea modurilor power down, de repaus, Rx și Tx.

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 63
Modul power -down este dezactivat folosindu -se un consum scăzut de curent. Toate
valorile registrelor sunt disponibile și SPI este păstrat activ, activând modificareaa
configurației și încărcarea și descărcarea registrelor de date.
Modul de repaus micșorează consumul obișnuit de curent menținându -se durate de
porniri scurte. În acest mod doar o parte a cristalului oscilator este activ. Schimbarea
la modurile active se produce doar atunci când CE este setat la maxim sau la minin,
nRF24L01 revine la modul de repaus de la Rx și Tx.
Modul Rx este un mod activ unde nRF24L01 este utilizat ca receptor. În acest mod
receptorul demodulează semnalalele de la canalul RF, prezentând constant datele
demodulate protocolului lățimii de bandă, unde acesta caută constant un pachet valid.
Dacă se găsește un pachet valid, conținutul pachetului este introdus într -un spațiu
liber în Rx FIFO. Dacă Rx FIFO este plin pache tul primit este eliminat.
Received Power Detector (RPD) este un semnal setat la maxim când un semnal RF
mai puternic de -64dBm este detectat în interiorul receptorului canalului de frecvență.
Semnalul RPD intern este filtrat înainte să fie introdus în reg istrul RPD. Semnalul RF
trebuie să fie prezent pentru cel puțin 40 us înainte ca RPD să fie setat la maxim.
Modul Tx este un mod activ de transmitere a pachetelor. nRF24L01 rămâne în modul
Tx pâna când se finalizează transmiterea pachetului. Dacă CE=0, nRF 24L01 revine
la modul de repaus. Dacă CE=1 statusul lui Tx FIFO determină următoarea acțiune.
Dacă Tx FIFO nu este gol, nRF24L01 rămâne în modul Tx și transmite următorul
pachet. Dacă Tx FIFO este gol, nRF24L01 intră în modul repaus. PLL operează liber
în modul Tx. Este important să nu ținem niciodată transmițătorul nRF24L01 în modul
Tx mai mult de 4 ms odată.
Rata de transmisie a datelor a lui nRF24L01 dă o sensibilitate mai bună de recepție
decât cantitatea de date care poate fi procesată. Transmițătorul și receptorul trrebuie
să fie programate cu aceeași rată de transmisie de date prin aer pentru a comunica
cele 2 module.
Frecvența canalului RF determină centrul canalului folosit de nRF24L01. Canalul
ocupă o lățime de bandă mai mică de 1MHz la 250Kbps și 1Mbps la o lățime de bandă
mai mică de 2 MHz. [7]

Figura 12.2 Dispunerea pinilor nRF24L01

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 64

Descrierea p inii modulului nRF24L01
În figura 12.3 și 12.4 sunt prezentate schemele electrice a două sisteme
Arduino Uno care comunică între ele utilizând aceste module radio. În figura
12.3 este prezentat modulul master iar în figura 12.4 este prezentat modulul
slave.

Figura 12.3 Schema de conectare a nRF24L01 la „emițător”

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 65

Figura 12.4 Schema de conectare a nRF24L01 la „receptor”

Deoarece, în cazul acestor module radio, există numeroase biblioteci de funcții care
utilizează aceste module, este recomandată să se ia ca punct de plecare în scrierea
programului, unul din exemplele care sunt incluse în biblioteca de funcții respectivă.
Chiar dacă sunt biblioteci care au același nume sau funcțiile utilizate au aceleași
denumiri, exisată șanse mari ca ele să fie diferite în ceea ce privește parametrii
utilizați, facilitățile pe care le oferă, deci e nevoie de atenție sporită în utilizarea
acestora.

Pentru utilizare a acestor module se va utiliza biblioteca RadioHead
(http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/RadioHead -1.46.zip )

Programele utilizate (se regasesc in exemplelel din biblioteca) sunt prezentate mai
jos:

// nrf24_reliable_datagram_server.pde
// -*- mode: C++ -*-
// Example sketch showing how to create a simple addressed, reliable messaging server
// with the RHReliableDatagram class, using the RH_NRF24 driver to control a NRF24 radio.
// It is designed to work with the other example nrf24_reliable_datagram_client
// Tested on Uno with Sparkfun WRL -00691 NRF24L01 module
// Tested on Teensy with Sparkfun WRL -00691 NRF24L01 module
// Tested on Anarduino Mini (http://www.anarduino.com/mini/) with RFM73 module
// Tested on Arduino Mega with Sparkfun WRL -00691 NRF25L01 module

#include <RHReliableDatagram.h>
#include <RH_NRF24.h>
#include <SPI.h>

#define CLIENT_ADDRESS 1

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 66
#define SERVER_ADDRESS 2

// Singleton in stance of the radio driver
RH_NRF24 driver;
// RH_NRF24 driver(8, 7); // For RFM73 on Anarduino Mini

// Class to manage message delivery and receipt, using the driver declared above
RHReliableDatagram manager(driver, SERVER_ADDRESS);

void setup()
{
Serial.begin(9600);
if (!manager.init())
Serial.println("init failed");
// Defaults after init are 2.402 GHz (channel 2), 2Mbps, 0dBm
}

uint8_t data[] = "And hello back to you";
// Dont put this on the stack:
uint8_t buf[RH_NRF24_MAX_MESSAGE_LEN];

void loop()
{
if (manager.available())
{
// Wait for a message addressed to us from the client
uint8_t len = sizeof(buf);
uint8_t from;
if (manager.recvfromAck(buf, &len, &from))
{
Serial.print("got request from : 0x");
Serial.print(from, HEX);
Serial.print(": ");
Serial.println((char*)buf);

// Send a reply back to the originator client
if (!manager.sendtoWait(data, sizeof(data), from))
Serial.println("sendtoWait failed");
}
}
}

// nrf24_reliable_datagram_client.pde
// -*- mode: C++ -*-
// Example sketch showing how to create a simple addressed, reliable messaging client
// with the RHReliableDatagram class, using the RH_NRF24 driver to control a NRF24 radio.
// It is design ed to work with the other example nrf24_reliable_datagram_server
// Tested on Uno with Sparkfun WRL -00691 NRF24L01 module
// Tested on Teensy with Sparkfun WRL -00691 NRF24L01 module
// Tested on Anarduino Mini (http://www.anarduino.com/mini/) with RFM73 mo dule
// Tested on Arduino Mega with Sparkfun WRL -00691 NRF25L01 module

#include <RHReliableDatagram.h>

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 67
#include <RH_NRF24.h>
#include <SPI.h>

#define CLIENT_ADDRESS 1
#define SERVER_ADDRESS 2

// Singleton instance of the radio driver
RH_NRF24 driver;
// RH_NRF24 driver(8, 7); // For RFM73 on Anarduino Mini

// Class to manage message delivery and receipt, using the driver declared above
RHReliableDatagram manager(driver, CLIENT_ADDRESS);

void setup()
{
Serial.begin(9600);
if (!manager.init())
Serial.println("init failed");
// Defaults after init are 2.402 GHz (channel 2), 2Mbps, 0dBm
}

uint8_t data[] = "Hello World!";
// Dont put this on the stack:
uint8_t buf[RH_NRF24_MAX_MESSAGE_LEN];

void loop()
{
Serial.println("Sending to nrf24_reli able_datagram_server");

// Send a message to manager_server
if (manager.sendtoWait(data, sizeof(data), SERVER_ADDRESS))
{
// Now wait for a reply from the server
uint8_t len = sizeof(buf);
uint8_t from;
if (manager.recvfromAckTimeout(buf, &len, 2000, &from))
{
Serial.print("got reply from : 0x");
Serial.print(from, HEX);
Serial.print(": ");
Serial.println((char*)buf);
}
else
{
Serial.println("No reply, is nrf24_reliable_datagram_server running?");
}
}
else
Serial.println("sendtoWait failed");
delay(500);
}

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 68
Bibliografie

[1] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Blink
[2] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/DigitalPins
[3] https://github.com/arduino/Arduino
[4] http://users.utcluj.ro/~rdanescu/pmp -lab05.pdf Interfete de comunicatie
[5] https://profs.info.uaic.ro/~vcosmin/pagini/resurse_arduino/Cursuri_2016/8/
Arduino_8.pdf
[6] https://www.ardu ino.cc/en/Reference/Wire pt i2c
[7] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/MasterReader i2c master
[8] https://www.arduino.cc/en/Tu torial/MasterWriter i2c
[9] https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how -i2c-communication –
works -and-how-to-use-it-with-arduino/
[10] https://www.arduino.cc/en/Reference/SPI
[11] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SPITransaction
[12] https://tronixstuff.com/2011/05/13/tutorial -arduino -and-the-spi-bus/
[13] http://playground.arduino.cc/Main/KeypadTutorial
[14] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/PWM
[15] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SecretsOfArduinoPWM
[16] https://www.arduino.cc/r eference/en/language/functions/analog –
io/analogwrite/
[17] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HelloWorld?from=Tutorial.LiquidCrystal
[18] http://users.utcluj.ro/~rdanescu/pmp -lab03.pdf
[19] https://profs.info.uaic.ro/~arduino/index.php/Laboratorul_5
[20] http://mce.utcluj.ro/lucrari/PWM.doc
[21] http://cs.curs.pub.ro/wiki/pm/lab/lab3
[22] https://profs.info.uaic.ro/~arduino/index.php/Comunicare_I2C
[23]
https://www.tutorialspoint.com/arduino/arduino_serial_peripheral_interface.ht
m
[24] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SPIEEPROM
[25] https://www.arduino.cc/en/Reference/SoftwareSerial

Îndrumător laborator microcontrolere – Arduino Pagina 69
[26] http://www.roroid.ro/5 -butoane -pe-o-intrare -analogica/
[27] https://playground.arduino.cc/Main/KeypadTutorial