Sistem de Pozitionare Pentru Comunicarea Laser

Sistem de poziționare pentru

comunicația laser

Capitolul 1. Introducere

1.1 Context

În ziua de azi putem spune că viețile ne sunt guvernate de tehnologie, deoarece aceasta ne face munca mult mai simplă și mai ușoară. Această tehnologie, mai mult sau mai puțin avansată, este regăsită peste tot în jurul nostru, de la banalul prăjitor de pâine până la mașina cu care circulăm sau telefonul mobil fără de care nu poți trăi.

Odată cu dezvoltarea din ce în ce mai mult a tehnologiei, a apărut si necesitatea omului de a transmite/recepționa informațiile într-un timp cât mai scurt și cu viteze cât mai mari. Astfel au apărut fibrele optice. Indiferent de domeniile în care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumină folosite pentru transmiterea informațiilor cu pierderi mici de energie dintr-un loc in alt loc. Informația se transmite prin cablaje de fibră optică folosind fascicule laser.

Fasciculele laser sunt fascicule coerente de lumină generate de către un dispozitiv optic numit laser. Termenul de laser ,la origine, provine de la acronimul LASER, ceea ce în limba engleză s-a format de la denumirea  light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiației).

Figura 1.1.1 Laser

Aceste dispozitive optice numite lasere produc o formă specială de lumină. Ele pot transmite programe TV prin cabluri optice, pot suda țesuturi foarte delicate si de asemenea pot ghida, cu o precizie incredibilă, proiectile la țintele lor.

Așa numita lumină albă provenită de la un bec electric obișnuit sau de la Soare creează impresia că ar fi lumină aproape pură. Acest fapt este departe de a fi adevărat deoarece lumina este o formă de radiație emisă în unde, iar această lumină albă conține un amestec de radiații de lungimi de undă diferite. Fiecare lungime de undă, dacă este văzută separat, dă o senzație diferită de culoare, însă amestecul de raze din lumina solară pare alb.

Lumina poate fi considerată pură dacă are o culoare distinctă și toate undele au aceeași lungime. Se spune ca lumina este incoerentă daca undele dintr-o lumină colorată, obișnuită, se ridică și coboară în timpuri diferite. Pe când un laser emite lumină de o singură lungime de undă, astfel încât ea să fie coerentă – toate undele se ridică și se coboară în același timp. Acest fapt conferă luminii laser proprietățile sale deosebite.

Lumina pură (monocromatică) este o radiație perfect sinusoidală. Aceasta este caracterizată prin puterea transportată și prin frecvența oscilației. De obicei, în loc de frecvență se utilizează lungime de undă. Lumina monocromatică este vizibilă pentru ochiul uman numai dacă lungimea de undă se încadrează între aproximativ 380-400 nm și 700-760 nm ( 750 THz – 430 THz) după cum se poate vedea și în figura de mai jos .[www1]

Figura 1.1.2. Culorile pure vizibile

Pe măsură ce lumina incoerentă se îndepărtează de sursa ei, aceasta se împrăștie. Astfel intensitatea sa scade, treptat, odată cu distanța. Lumina coerenta se împrăștie foarte puțin, aproape deloc, astfel încât un fascicul subțire de lumină provenit de la laser, poate fi transmis, cu o pierdere foarte mică de energie pe o distanță foarte mare. De aceea putem spune că : un fascicul laser puternic ar putea fi folosit drept armă, așa numita ”raza mortală” din povestirile și filmele SF (science fiction).

În momentul în care electronii ce se rotesc în jurul nucleului unui atom cedează o parte din energia lor, se produce o radiație electromagnetică, astfel putem spune că lumina este o formă de radiație electromagnetică. Electronii emit energie dacă trec dintr-o zonă exterioară, de energie mai mare, pe o orbită inferioară, de energie mai mică. Acest lucru are loc numai atunci când electronii sunt excitați, adică atunci când primesc energie în plus. Energia primită in plus se poate face pe mai multe căi, cum ar fi încălzirea substanței, bombardarea cu un curent de electroni liberi sau prin supunerea la un câmp electric intens. Când sunt excitați, electronii absorb energie si sar pe orbite exterioare, aceștia revenind, de obicei,la întâmplare la orbita lor interioară. În urma acestui proces, fiecare electron emite o particulă de energie luminoasă, numită foton. Astfel se produce, în mod normal, lumina, numindu-se emisie spontană.

În cazul laserului, electronii excitați dintr-un gaz sau un solid sunt bombardați cu fotoni, determinând trecerea electronilor pe orbite de energie mai mică si o emisie de fotoni. Procesul acesta poartă denumirea de emisie stimulată. La un laser, majoritatea electronilor prezenți sunt excitați iar acest fapt asigură creșterea rapidă sau amplificarea numărului de fotoni prin stimularea succesivă a electronilor excitați. Rezultatul va fi un fascicul intens de energie coerentă. [www2]

Nevoia de creștere a lungimii de banda in comunicații a adus în dezbatere folosirea laserului ca soluție principală. Folosind sisteme de comunicație laser se poate ajunge la viteze de transmisie de până la un gigabit pe secundă. Aceste sisteme de comunicație laser sunt conexiuni wireless prin atmosferă. Funcționarea acestora este aproape identică cu fibrele optice, exceptând faptul că, fiind vorba de lasere, raza se transmite prin spațiul atmosferic, eliminând cablajele prin pământ si drepturile de difuzare. Aceste sisteme pot fi construite, în mare parte, ușor, datorită costurilor reduse ale dispozitivelor laser iar un alt avantaj notabil este acela că nu trebuie întocmit nici un studiu în legătură cu interferențele radio.[www3]

1.2 Conturarea domeniului temei

Pe măsură ce tehnologia evoluează apar din ce în ce mai multe domenii în care laserul poate fi folosit. Diferitele tipuri de laseri și-au găsit aplicabilitate într-un număr foarte variat de domenii, de la parcurile de distracții până la armamentul militar. Datorită producerii fasciculelor de lumină de mare energie care nu devin divergente atât de rapid ca razele luminii naturale și au lungimi de undă specifice, laserii pot fi utilizați pentru transferul de energie într-un anumit punct, bine determinat.

Principalele domenii inginerești unde se aplică laserul sunt :

comunicațiile optice;

holografia și interferometria holografică;

producerea și diagnosticarea plasmei;

calculatorul și optica integrată;

realizarea standardelor de timp și lungime;

separarea izotopilor;

telemetria și măsurarea de viteze;

fabricarea și testarea componentelor electronice;

măsurări de profile și nivele;

alinieri și controlul mașinilor unelte;

controlul automat al mașinilor;

topirea și sudarea metalelor;

vaporizarea și depunerea de straturi subțiri;

fotografia ultrarapidă;

Dintre toate aceste domenii unde componenta principală este laserul, pot spune că tema de față se încadrează în două dintre ele, și anume:

Domeniul alinieri și controlul mașinilor unelte – se include în acest domeniu datorită sistemului de aliniere (poziționare) cu care este prevăzut sistemul;

Domeniul comunicațiilor optice – în acest domeniu se include datorită sistemului de comunicație laser (transmiterea semnalului de la transmițător la receptor prin intermediul laserului);

1.3 Tema propriu-zisă

În ceea ce constă tema aleasă, voi urmării dezvoltarea unui echipament care să asigure poziționarea mono-axială(planul orizontal) a sistemului de transmisie în comunicația laser. Tipul de comunicație ales este comunicația simplex (semnalul transmis este întotdeauna în aceeași direcție, de la echipamentul transmițător la cel receptor). Printr-o rază laser se pot transmite mai multe tipuri de informații (video,date,audio). Pentru proiectul meu am ales ca semnal de transmitere, un semnal audio. De asemenea țin sa precizez că la trimiterea semnalului audio, am optat pentru o transmisiune analogică în detrimentul celei digitale, lucru înfăptuit pentru diminuarea hardware-ului (folosind transmisiunea analogică am înlăturat nevoia procesoarelor de codare și decodare a semnalului, astfel și hardware-ul folosit va fi mai simplificat de unde rezultă costuri mai reduse). Principiul de transmitere al semnalului se poate vedea și in Figura 1.3.1.

Figura 1.3.1 Transmiterea semnalului

Sistemul ce va fi dezvoltat , dintr-un punct de vedere, poate fi divizat în două secțiuni distincte, în felul următor:

Transmiterea semnalului audio prin hardware;

Controlul sistemului de poziționare prin software;

Din alt punct de vedere, și anume structural, sistemul va fi alcătuit din două subsisteme, structura sa este prezentată în Figura 1.3.2 , după cum urmează:

Transmițătorul – folosit pentru transmiterea semnalului audio ce conține și o mare parte a sistemului de poziționare (microcontrolerul,servomotorul și senzorii cu ajutorul cărora se va face poziționarea propriu-zisă).

Receptorul – folosit pentru recepționarea semnalului transmis și redarea acestuia către orice echipament audio. De asemenea și receptorul conține o parte din sistemul de poziționare, și anume laserul ce va “dicta” în ce poziție trebuie să se miște transmițătorul.

Figura 1.3.2 Schema de ansamblu a sistemului

1.4 Structura lucrării

Lucrarea de față este împărțită în 6 capitole: „Introducere”, care a fost prezentată în paragrafele anterioare, „Descrierea echipamentelor hardware și a mediilor de programare”, „Specificațiile aplicației”, „Proiectarea de detaliu”, „Realizarea, punerea în funcțiune și rezultate experimentale”, respectiv capitolul „Concluzii”. În partea de final a lucrării este prezentată o secțiune destinată bibliografiei utilizate și Anexele care vin sa întregească toate cele redactate. În cele ce urmează se va face o trecere în revistă a capitolelor menționate mai sus, cu o detaliere scurtă a fiecăruia.

În capitolul „Introducere” a fost realizat un preambul în domeniul laserelor pentru a introduce cititorul în sfera comunicației laser și pentru a-i oferii câteva imagini de ansamblu asupra temei acestui proiect și domeniului din care aceasta face parte. La finalul acestui capitol s-a realizat un studiu bibliografic, prin care se face o trecere în revistă a surselor bibliografice utilizate în realizarea aplicației.

Capitolul „Descrierea echipamentelor hardware și a mediilor de programare” ne prezintă, pe scurt, o descriere asupra echipamentelor folosite la realizarea proiectului, ce scoate în evidență principiile de funcționare ale acestora. De asemenea acest capitol ne mai oferă și câteva cuvinte despre mediile de programare folosite la realizarea codului și încărcarea acestuia pe microcontroler.

Capitolul al treilea, „Specificațiile aplicației”, vizează o scurtă descriere a ansamblului, plecând de la schema de principiu a aplicației, cât și împărțirea acestuia pe subansambluri. În finalul acestui capitol s-au prezentat pe scurt funcțiile sistemului, atât cele ale transmițătorului cât și ale receptorului.

În capitolul „Proiectarea de detaliu”, se prezintă mai detaliat cele spuse la capitolul precedent. Prezentarea se face, atât la nivelul întregului sistem cât și la nivelul subsistemelor, cu ajutorul schemelor electrice realizate. Spre finalul acestui capitol se oferă detalii despre realizarea soft-ului cu ajutorul organigramelor și funcțiilor realizate.

Capitolul intitulat „Realizarea, punerea în funcțiune și rezultate experimentale”, este destinat unei scurte prezentări a realizării fizice pe baza pozelor făcute asupra echipamentelor dezvoltare și oferirea informațiilor despre punerea în funcțiune și utilizarea sistemului. S-au prezentat în final rezultatele unor teste realizate cu semnale la frecvențe diferite .

Lucrarea se încheie cu un capitol de concluzii în care sunt prezentate obiectivele realizate și eventualele direcții de viitor pentru îmbunătățirea aplicației.

1.5 Studiu bibliografic

Scopul acestui subcapitol este acela de prezentare a surselor bibliografice studiate în vederea realizării lucrării de față.

În vederea realizării prezentei aplicații s-a efectuat un studiu al literaturii de specialitate, mai exact cărți sau cursuri ce au vizat concepte de programare vizează o scurtă descriere a ansamblului, plecând de la schema de principiu a aplicației, cât și împărțirea acestuia pe subansambluri. În finalul acestui capitol s-au prezentat pe scurt funcțiile sistemului, atât cele ale transmițătorului cât și ale receptorului.

În capitolul „Proiectarea de detaliu”, se prezintă mai detaliat cele spuse la capitolul precedent. Prezentarea se face, atât la nivelul întregului sistem cât și la nivelul subsistemelor, cu ajutorul schemelor electrice realizate. Spre finalul acestui capitol se oferă detalii despre realizarea soft-ului cu ajutorul organigramelor și funcțiilor realizate.

Capitolul intitulat „Realizarea, punerea în funcțiune și rezultate experimentale”, este destinat unei scurte prezentări a realizării fizice pe baza pozelor făcute asupra echipamentelor dezvoltare și oferirea informațiilor despre punerea în funcțiune și utilizarea sistemului. S-au prezentat în final rezultatele unor teste realizate cu semnale la frecvențe diferite .

Lucrarea se încheie cu un capitol de concluzii în care sunt prezentate obiectivele realizate și eventualele direcții de viitor pentru îmbunătățirea aplicației.

1.5 Studiu bibliografic

Scopul acestui subcapitol este acela de prezentare a surselor bibliografice studiate în vederea realizării lucrării de față.

În vederea realizării prezentei aplicații s-a efectuat un studiu al literaturii de specialitate, mai exact cărți sau cursuri ce au vizat concepte de programare ale microcontrolerelor sau concepte de implementare a circuitelor electronice, în special au fost de mare ajutor cursurile susținute la disciplinele din facultate, cum ar fi :„Sisteme bazate pe microprocesoare și microcontrolere” (SBMM – Sorin Nanu), „Programarea Calculatoarelor” (Stoicu-Tivadar Lăcrămioara), „Dispozitive și circuite electronice”(DCE-Radu Boraci).

Microcontrolerul(Atmega8) a fost ales pe baza informațiilor dobândite pe parcursul anului III de facultate în urma realizării a doua proiecte sincretice unde acest tip de microcontroler a fost folosit. De asemenea configurarea precum și utilizarea resurselor interne ale acestuia s-au făcut pe baza consultării datelor de catalog ale microcontrolerului, găsite pe site-ul producătorului www.atmel.com cât și pe site-ul www.avrfreaks.net sau pe baza cărții [TIB01]. Determinarea modului de implementare a circuitelor de alimentare și optimizare a unor elemente din circuit s-a făcut pe baza consultării cărții [LUN92]. La momentul realizării aplicației au apărut diverse probleme a căror soluționare a fost găsită cu ajutorul diverselor forum-uri de discuție destinate atât programatorilor de microcontrolere, cât și pasionaților de acest domeniu. Aceste forumuri își găsesc utilitatea în ceea ce înseamnă soluționarea unor tipuri particulare de probleme, pentru care sunt date răspunsuri punctuale axate doar pe rezolvarea problemei prezentate. Forumurile folosite pentru aceste discuții sunt:

Forumul site-ului www.avrfreaks.net

Site-ul http://laserpointerforums.com

Forumul electroniștilor www.elforum.ro

Capitolul 2. Descrierea echipamentelor hardware și a mediilor de programare

Microcontrolerul

Microcontrolerul putem spune, la modul general, că este o structură electronică destinată controlului unui anumit proces, sau dintr-un punct de vedere mai general este destinată controlului unei interacțiuni cu mediul exterior excluzând astfel intervenția operatorului uman. Microcontrolerul reprezintă un circuit integrat ce conține, în arhitectura sa, trei componente definitorii: unitatea centrala de prelucrare, memoria și porturile așa cum sunt descrise si în cartea [www4].

Descrierea Microcontrolerului

Microcontrolerul ales pentru acest proiect este microcontrolerul ATmega8 și face parte din familia de microcontrolere pe 8 biți a producătorului Atmel. Este un microcontroler atât ieftin cât și performant, putând executa 16 MIPS ( Mega Instrucții Pe Secundă ) la o frecvență de 16 MHz, majoritatea instrucțiunilor fiind executate într-un singur ciclu mașină. Schema bloc simplificată a resurselor microcontrolerului este reprezentată în Figura 2.1.1.1.

Figura 2.1.1.1 Schema bloc simplificată cu resursele interne ale µC Atmega8

ALU ( Arithmetico Logical Unit )

Unitatea aritmetico-logică are rolul de a realiza operațiile logice și aritmetice. Alături de regiștrii PC, SP, IR, SR, regiștrii de uz general formează unitatea centrală de prelucrare a instrucțiilor. Registrul PC ( Program Counter ) este utilizat pentru a furniza următoarea instrucție ce trebuie executată. SP ( Stack Pointer ) este un registru pe 16 biți în care sunt salvate variabilele temporare. Este împărțit în 2 regiștri pe 8 biți: SPH și SPL. Pentru scrierea în stivă se utilizează instrucții de tip PUSH , caz în care indexul stivei se incrementează cu o unitate când se introduc date și cu 2 unități când se introduc adrese. Citirea din stivă se face prin instrucții de tip POP , caz în care indexul stivei se decrementează cu o unitate când sunt citite date și cu 2 unități când sunt citite adrese.

În registrul IR ( Instruction Register ) se salvează codul instrucției ce trebuie executată. Registrul SR ( Status Register ) este registrul de fanioane.

Regiștrii de uz general sunt formați din 32 de regiștri pe 8 biți ce poate fi utilizați în diverse operații.

Memoria

Memoria internă a microcontrolerului este împărțită în 3 zone:

Memoria FLASH – utilizată la înscrierea programului ce trebuie executat;

Memoria EEPROM – unde se memorează variabilele;

Memoria SRAM – utilizată de ALU pentru executarea instrucțiunilor. Aceasta este la rândul său împărțită în trei zone: zona celor 32 de regiștri de uz general, zona regiștrilor de intrare-ieșire și zona internă.

Porturile

Microcontrolerul Atmega8 dispune de 3 porturi bidirecționale de 8 biți: PORTB, PORTC, PORTD.

Accesul la aceste porturi se face prin 3 regiștri: DDRx, PORTx, PINx ( unde „x” reprezintă denumirea portului: B,C sau D ). Porturile pot fi accesate integral sau individual pentru fiecare bit. Prin registrul DDRx se setează direcția portului ( ex: DDRB=0xFF ieșire, PORTB=0x00 intrare ). PORTx reprezintă registrul tampon al portului utilizat pentru scrierea sau citirea informației în/din port. În PINx se află valoarea propriu-zisă de la pinii portului.

Porturile pot avea funcții generale de intrare-ieșire sau poate avea funcții alternative. De exemplu PORTB.5..2 este utilizat pentru comunicația SPI, PORTB.7..6 pentru conectarea unui oscilator extern, PORTB.1..0, PORTD.7..4 pentru timere, PORTD.3..2 pentru întreruperi externe, PORTD.1..0 pentru comunicația USART, PORTC.5..0 pentru convertorul analog-numeric, PORTC.6 fiind utilizat numai pentru RESET. Configurația pinilor este prezentată în Figura 2.1.1.2 prezentată în continuare.

Figura 2.1.1.2 Configurația pinilor pentru microcontrolerul Atmega8

2.1.2 Timerele

Microcontrolerul Atmega 8 dispune de trei timere denumite: TIMER0, TIMER1 și TIMER2. TIMER0 și TIMER2 sunt 2 timere pe 8 biți ce pot funcționa atât în mod temporizator cât și în mod numărător. În modul temporizator, în funcție de frecvența de funcționare a microcontrolerului și de valoarea prescalării aferentă fiecărui timer ele pot genera temporizări de valori diferite. Spre exemplu pentru o frecvență de 1MHz și prescalarea de 1 timerul poate genera o temporizare de 1 s. În modul numărător cele 2 timere pot număra evenimente externe, de la pinul Tx ( unde x=0,1 ) , atât pe frontul crescător, respectiv descrescător al semnalului.

Pentru fiecare mod de funcționare microcontrolerul dispune de câte o întrerupere pentru depășirea capacității timerului. În plus față de timerul 1, timerul 2 prezintă și posibilitatea de a se genera cu ajutorul lui semnalul PWM.

Pentru TIMER0 sunt disponibili următorii regiștrii de configurare: TCCR0, TCNT0. În registrul TCCR0 se setează valoare de prescalare iar în registrul TCNT0 se află valoarea înscrisă în timer.

Pentru TIMER2 sunt disponibili alți 4 registri: TCCR2, TCNT2, OCR2, ASSR. TCCR2 este similar cu TCCR0, în plus față de acesta în ele se mai setează și forma semnalului PWM, precum si modalitatea de realizare a acestui tip de semnal. În TCNT2 se găsește valoarea înscrisă în timer. Registrul OCR2 este utilizat pentru compararea valorii din timer. În el se înscrie inițial valoarea de comparat. ASSR este utilizat in modul de funcționare asincron și conține biți de configurare.

Pe lângă regiștrii independenți asociați fiecărui timer se mai găsesc 2 regiștrii: TIFR și SFIOR. TIFR este utilizat pentru activarea/dezactivarea întreruperilor iar SFIOR este registrul fanioanelor.

TIMER-ul 1 este un timer pe 16 biți care poate funcționa de asemenea în modul temporizator precum și în cel numărător. Este ideal pentru generarea semnalului PWM. Specific acestui timer este faptul că poate realiza captură de semnal pe 2 canale diferite. Regiștrii aferenți timerului 1 sunt: TCCR1A, TCCR1B, TCNT1H, TCNT2L, OCR1AH, OCR1AL, OCR1BH, OCR1BL, ICR1H, ICR1L. TCCR1A este utilizat pentru setarea canalului de captură, precum și pentru setările necesare pentru semnalul PWM. TCCR1B este utilizat pentru setarea frontului pentru capturare, selecția și valoarea semnalului de clock, forma semnalului generat. În TCNT1H și TCNT1L se află valoarea înscrisă în timer. OCCR1AH, OCCR1AL, OCCR1B, și OCCR1BL sunt registrele aferente celor 2 canale de captură. În ele se înscriu valorile cu care trebuie comparată valoarea din timer. ICR1H, ICR1L reprezintă regiștrii în care se înscrie valoarea din timer la fiecare eveniment apărut la pinul ICP1.

Setările pentru întrerupere precum și fanioanele se găsesc tot în regiștrii TIFR și SFIOR.

2.1.3 Convertorul analog-numeric ( ADC )

Caracteristici:

Rezoluție de 10 biți (Acuratețe de 8 biți pentru ADC4 și ADC5)

Ne linearitate internă de 0.5 LSB

Acuratețe interna de ± 2 LSB

Timp de conversie de 65-260μs

6 canale de intrare cu un singur capăt multiplexate

2 canale de intrare cu un singur capăt multiplexate adiționale

Ajustare opțională către stânga pentru valoarea citita de la ADC

Gamă de 0-Vcc pentru tensiunile de intrare

Tensiune de referință selectabila de 2.56V

Mod de lucru continuu sau pentru o unică conversie

Întrerupere în momentul când conversia s-a terminat

Atenuator de zgomot pentru modul de lucru inactiv

Microcontrolerul ATmega8 dispune de un ADC cu aproximare succesivă de 10 biți. Convertorul ADC este conectat la un multiplexor analogic cu 8 canale care permite 8 intrări de tensiune single-ended de la pini Portului C așa cum este arătat în Figura 2.1.3.1.

Intrările de tensiune single-ended au ca referință 0V (GND). Canalele de conversie ADC4 și ADC5 sunt limitate la o precizie de 8 biți, toate celelalte canale asigură o precizie de 10 biți.

ADC-ul conține un circuit de eșantion și reținere care asigură că tensiunea de intrare este ținută la un nivel constant în timpul conversiei.

Circuitul de conversie are o intrare separată de tensiune AVCC care nu trebuie să difere mai mult de ± 0.3V de Vcc.

Referința de tensiune poate fi decuplată din exterior la pinul AREF prin conectarea unui condensator de filtrare intre pinul de AREF și GND pentru o mai bună imunitate la zgomot.

Figura 2.1.3.1 Schema bloc a Convertorului Analog-Digital

Circuitul de conversie transformă o tensiune de pe una din intrările analogice într-o valoare digitală de 10 biți prin procesul de aproximări succesive. Valoare minimă este reprezentată de GND și valoarea maximă este reprezentată de tensiunea de pe pinul AREF minus 1LSB. Opțional, AVCC sau o referință internă de 2.56V poate fi conectată la AREF prin rescrierea biților REFSn din registrul ADMUX. Totuși referința interna poate fi decuplată de un condensator plasat la pinul AREF pentru a îmbunătăți imunitatea la zgomot.

Canalul de intrare analogică este selectată prin scrierea biților de MUX din registrul ADMUX. ADC-ul este activat prin setarea bitului de activare ADEN din ADCSRA. Referința de tensiune și canalele de intrare nu vor intra în funcțiune decât atunci când ADEN este setat. ADC-ul nu consuma curent cat timp ADEN nu este setat așa că este recomandat să se dezactiveze ADC-ul înainte de intrarea în modul de inactiv de economisire a energiei.

ADC-ul generează un rezultat de 10 biți aflat în registrul de date ADC, ADCH și ADCL.

Circuitul de conversie are propriile sale întreruperi și poate fi activat când o conversie se încheie. Când accesul la registri de date ai ADC-ului este interzis, între momentul citirii ai ADCH și ADCL, întreruperea se va activa chiar dacă rezultatul este pierdut.

Prima conversie trebuie pornită prin scrierea unui 1 logic în ADSC din ADCSRA.

Figura 2.1.3.2 Diagrama ADC de temporizare în modul liber

În modul liber („free-run”), circuitul probează și reîmprospătează continuu registrul de date după cum e prezentat în Figura 2.1.3.2. Modul de lucru liber este selectat prin scrierea bitului ADFR în registrul ADCSRA.

Figura 2.1.3.3 Diagrama de temporizare pentru prima conversie în modul unic

Circuitul de aproximare succesivă necesită o frecvența de intrare între 50 kHz și 200kHz pentru a obține rezoluția maximă. Dacă rezoluția este de 8 biți frecvența de clock a ADC-ului poate să fie mai mare de 200kHz.

O conversie normală necesită 13 cicluri de clock cum se vede în Figura 2.8. Prima conversie după ce ADC-ul este activat necesita 25 de cicluri de clock pentru a inițializa circuitul conform Figuri 2.1.3.3.

Figura 2.1.3.4 Diagrama de temporizare pentru conversie unică

Ciclurile necesare fiecărei etape din conversie și mod de conversie sunt prezentate în tabelul următor :

Tabel 2.1.3.5 Timpi de conversie

După ce conversia se încheie rezultatul se regăsește in registrul de date al ADC-ului (ADCL și ADCH).

Pentru conversii normale (single ended) rezultatul este: ADC=

Figura 2.1.3.6 Registrul ADMUX

Setarea registrului ADMUX prezentat anterior în Figura 2.1.3.6 configurează tensiunea de referință și selecția intrării pe care se face conversia.

Pentru selectarea referinței de tensiune pentru conversie se folosesc biți RESF1 și RESF0 (biți 7 și 6) din registrul ADMUX.

Tabel 2.1.3.1 Selectarea tensiunii de referință pentru ADC

Dacă se modifică vreunul din biți prezenți în Tabelul 2.1.3.1, schimbarea nu va avea efect decât după terminarea conversiei aflate în curs de desfășurare

Pentru a selecta canalul care se va conecta la circuitul de conversie se modifica biți MUX3:0 din registrul ADMUX cum este prezentat în tabelul următor:

Tabel 2.1.3.2 Selectarea canalului de intrare

Dacă este schimbat vreunul din acești biți prezentați în Tabelul 2.1.3.2 în timpul unei conversii, schimbarea nu va avea nici un efect decât după terminarea conversiei actuale.

Figura 2.1.3.7 Registrul ADCSRA

Registrul ADCSRA prezentat în Figura 2.1.3.7 este registrul de control și status al circuitului de conversie ADC.

Biții registrului ADCSRA au funcțiile după cum urmează:

Bitul 7 – ADEN: Activare circuit de conversie

Prin setarea bitului ADEN (Bitul 7) pe 1 activează circuitului de conversie. Prin setarea sa pe 0 circuitului de conversie este dezactivat. Dacă se oprește circuitul în timpul unei conversii aceasta va fi reziliată.

Bitul 6 – ADSC: Pornire conversie

În modul conversie unică, pentru a se porni fiecare conversie în parte se setează bitul ADSC (Bitul 6) pe 1. În modul de rulare liber prin setarea acestui bit pe 1 se începe prima conversie. ADSC va fi 1 atâta timp cât conversia este în desfășurare, după ce se încheie conversia acesta trece automat pe 0.

Bitul 5 – ADFR: Selectare mod de conversie liber

Când se setează bitul ADFR (Bitul 5) pe 1 circuitul de conversie rulează in modul de operare liber. În acest mod de operare ADC-ul probează și reîmprospătează registrul de date în mod continuu.

Resetarea acestui bit pe 0 duce la terminarea modului de conversie liber.

Bitul 4 – ADIF: Flag de întrerupere

Bitul ADIF (Bitul 4) este setat pe 1 în momentul când se încheie conversia și registrul de date este reîmprospătat.

Bitul 3 – ADIE: Activare întrerupere ADC

Dacă acest bit est setat și bitul I din registrul SREG este setat atunci este activată întreruperea de conversie completă.

Biti 2:0 – ADPS2:0 :Biți de selectare a prescripției

Acești biți determină factorul de diviziune dintre frecvența de XTAL și clock-ul de intrare al ADC-ului.

Programarea microcontrolerului

Toate microcontrolerele pentru a îndeplinii anumite funcții sau pentru a controla un proces anume, acestea trebuie programate. Adică trebuie sa fie scris programul într-un anumit limbaj de programare. În urma rulării programului va fi creat fișierul ce conține codul mașină care va fi încărcat în memoria flash a microcontrolerului.

Pentru diferite tipuri de microcontrolere, există diverse medii specifice de redactare a programului și metode la fel de specifice de programare a acestora. Fiecare dezvoltator de microcontrolere va pune in circulație, contra-cost sau gratis, mediul în care programul poate fi redactat și modul de programare al acestuia(adică modul de încărcare a programului în memoria microcontrolerului).

În cazul de față, atât pentru redactarea programului cât si pentru încărcarea acestuia, am folosit medii de dezvoltare distribuite gratis de firma producătoare, ATMEL. Mediul de dezvoltare utilizat este AVR Studio 4, iar pentru transferul programului în memoria microcontrolerului s-a folosit programul PonyProg.

AVR Studio 4

AVR Studio 4 este un mediul de dezvoltare cu o interfață foarte ușor de folosit, după cum se vede și în Figura 2.2.1, mediu utilizat pentru redactarea programului în cod C . El a fost dezvoltat special pentru microcontrolerele din familia Atmel. Limbajele de programare suportate de acest mediu de dezvoltare sunt: C, Pascal, BASIC, și Asamblare. Pe lângă posibilitatea scrierii programului el mai furnizează și două posibilități de simulare și testare : simulare locală și testarea JTAG. Pentru simularea locală mediul de programare oferă accesul programatorului la toate resursele microcontrolerului. Simularea se realizează astfel: se scrie programul de execuție, se compilează și se intră în modul simulare. Programul se poate rula pas cu pas sau integral. Rularea pas cu pas a programului este utilă pentru că se poate vizualiza în orice moment valorile din porturi, funcționarea timerelor sau comunicația serială. Se pot de altfel vizualiza și locațiile din memorie. În modul de testare JTAG ( numai pentru microcontrolerele ce furnizează această facilitate ) se poate testa programul înscris propriu-zis în microcontroler în timp ce acesta rulează.

Figura 2.2.1 AVR Studio 4

PonyProg

PonyProg este programul folosit pentru încărcarea programului în memoria microcontrolerului. De asemenea acesta dispune de o interfața cât mai simplistă pentru utilizator, după cum se poate vedea și în Figura 2.2.2.1.

Figura 2.2.2.1 PonyProg

Pentru încărcarea programului pe microcontroler, se selectează la meniul file/open device file fișierul .hex dorit, după care se apasă butonul write device.

PonyProg facilitează trei tipuri de comunicație pentru încărcarea programului în memorie, si anume: prin interfața paralelă, serială și USB. Interfața paralelă este cea mai rapidă soluție și cea mai simplă.

Pentru interfața serială se pot utiliza două variante: prin programarea directă sau prin utilizarea unui microcontroler intermediar. În microcontrolerul intermediar este înscris inițial un program care preia informațiile de la calculator și le transmite la microcontrolerul ce trebuie programat. Programarea prin interfața USB este o variantă modernă dezvoltată din motivul apariției laptopurilor care în mare parte nu au un port serial. Programarea se face în mod similar cu cea prin portul serial diferența fiind un cip care face posibilă comunicația între calculator și microcontrolerul intermediar.

Fizic pentru a se face transferul programului de pe PC pe Microcontroler se folosește portul de paralel ( LPT ) și programatorul prezentat în Figura 2.2.2.2 .

Figura 2.2.2.2 Schema programatorului paralel cu buffer

Componenta principală este U1 (74HC244), care este un buffer, un circuit cu rolul de separare și amplificare (semnalul logic TTL de la intrarea In este amplificat în curent și apare la ieșirea On). Acest buffer și rezistentele R2-R8 au rolul de a separa și a proteja atât portul paralel, cât si microcontrolerul; semnalele GA, GB au rolul de “enable” pentru grupurile A si B de pini. Este uzuală folosirea unui buffer de acest tip de fiecare dată când se conectează un periferic cu interfața de tip paralel pe un bus de date de lungime mare, sau in general când cele 2 circuite care se conectează sunt în aparate diferite, sau atunci când trebuie conectați mai mulți receptori la un singur emițător (și deci cererea de curent e mai mare decât ceea ce poate asigura emițătorul).

Figura 2.2.2.3 Schema programatorului paralel simplificat

Dezavantajele folosirii acestui buffer sunt complexitatea mai mare a schemei și necesitatea alimentării acestuia (realizată de D1 și C1). Prin renunțarea la el și la filtrele RC formate de R10,C2 etc., se obține schema simplificată prezentată în Figura 2.2.2.3.

Dioda laser

În laser procesul de generare a luminii se determină în urma procesului de recombinare a electronilor și golurilor într-o joncțiune p-n, iar rezultatul va fi o degajare de fotoni, efect numit electroluminescență. Lungimea de undă a luminii emise va fi determinată de lățimea benzii interzise de energie a materialului():

, unde: h – este constanta lui Planck, ;

c – viteza luminii,

Unicul sistem în care emisia stimulată a radiației electromagnetice poate fi modulată direct în amplitudine, prin modularea energiei de pompaj, îl constituie diodele laser. Modularea temporală simultană a intensității radiației undei laser, se realizează prin modularea temporală a densității de curent electric de injecție. Astfel se permite transmiterea informației pe cale optică, cu ajutorul fasciculului laser modulat, bazându-se pe un procedeu care nu este complicat.

Termenul de diodă vine de la faptul că laserul cu semiconductori este alcătuit dintr-un “sandwitch” format din 3 straturi de semiconductori, iar acest sandwitch corespunde modelului clasic de diodă. Construcția de bază a unei diode laser este prezentată în Figura 2.3.1.

Figura 2.3.1 Dioda laser

Dacă analizăm caracteristica unei diode laser, Figura 2.3.2, se vor observa doua zone de funcționare. Dioda laser va funcționa ca un LED în regiunea de emisie spontană, de asemenea spectrul ei va fi tot acela al unui LED. Emisia se va schimba din spontană în stimulată dacă în regiunea activă se va găsi o anumită densitate de curent, și anume atunci când câștigul optic depășește pierderile canalului. Densitatea de curent trebuie să fie de câțiva mii de amperi pe centimetrul pătrat, dar datorită dimensiunilor foarte reduse ale diodelor laser curentul necesar este sub 100mA. Curentul de prag al diodei laser este determinat de densitatea critică de curent. Lungimea regiunii active nu depășește 1mm, iar grosimea sa este de la 200 până la 100 nm. Laserul cu semiconductori se bazează foarte mult pe rezonatorul optic, deoarece stratul este subțire iar fasciculul emis este foarte divergent pentru un laser. Rezonatorul optic trebuie poziționat foarte precis și de asemenea ales cu mare grijă pentru obținerea unor performanțe cât mai mari. [www5]

Figura 2.3.2. Caracteristica putere-tensiune a unei diode laser

Diodele laser necesită un control foarte strict asupra lor datorită sensibilității acestora la curenți. Uneori este necesară o variație mică a tensiunii sau a puterii pentru ca dioda să se ardă. Acestea sunt cele mai fragile dispozitive de emisie laser datorită dimensiunii, de mărimea unei bacterii, a stratului activ. Prin supunerea la curenți neadecvați, prin influențe electrostatice sau prin încălzire excesivă stratul activ poate fi distrus.

O diodă poate dezvolta puteri ale luminii de până la 3-5 mW. Diodele ce dezvoltă zeci de mii de mW, mai rare si mai scumpe, există și se găsesc in diverse instrumente si aparate de profil. Majoritatea pointerilor, în privința divergenței fasciculului, reușesc performanța de a o păstra la sub 1 mm la fiecare 5 metri. Laserii cu semiconductori au spectrul de culori în zona roșie 630-780 nm, dar nu este limitat numai aici, intens cercetați fiind și laserii verzi și albaștrii. [www6]

Lucrând cu laserele există riscuri de accidente, iar aceste riscuri trebuie sa fie minime. Accidentele înfăptuite în urma utilizării laserelor constă, de obicei, în afectarea ochilor. Având în vedere că o cantitate mică de lumină laser poate duce la răni permanente ale ochilor, vânzarea si folosirea laserelor au loc sub stricta supraveghere a guvernului. Datorită laserelor de putere mare si mijlocie care pot arde retina sau chiar pielea au fost impuse anumite standarde internaționale, de exemplu standardul IEC 60825 [www7], în care sunt prevăzute toate tipurile de lasere si măsurile de siguranță ce trebuie luate.

2.4 Dispozitive foto-detectoare. Fotodioda. Fototranzistorul

Într-un semiconductor purtătorii apar datorită excitării electronilor de pe nivelele donoare sau din banda de valențe și deplasarea acestora în banda de conducție. Iluminând semiconductorul apar purtători de sarcină suplimentari cu energie mai mare, numiți purtători liberi. Astfel concentrația purtătorilor liberi devine:

, – reprezintă concentrațiile de echilibru ale electronilor si golurilor ;

, – concentrațiile electronilor și golurilor apărute în urma injecției optice;

Principiul de funcționare al dispozitivelor foto-detectoare se bazează pe absorbția radiației electromagnetice în corpul solid, generând, prin efect fotoelectric, purtători de sarcină. Efectul fotoelectric poate fi intern, când purtătorii se eliberează din rețeaua cristalină, și extern când purtătorii părăsesc materialul.

Fotodioda

Este un dispozitiv optoelectronic construit dintr-un contact metal-semiconductor polarizat invers sau o joncțiune p-n, a cărui regiune de trecere este excitată de un flux luminos. În Figura 2.4.1 sunt prezentate simbolul, modul de polarizare si caracteristicile statice ale fotodiodei.

Figura 2.4.1. Fotodioda – simbol, mod polarizare, caracteristici statice

Caracteristica curent-tensiune reprezintă cele trei zone în care funcționează fotodioda :

Cadranul trei – fotodioda funcționează în regim de polarizare inversă externă sau regim de fotodiodă, unde curentul este proporțional cu iluminarea;

Cadranul patru – fotodioda funcționează în regim de polarizare exterioară nulă sau regim de fotoelement, unde fotodioda este parcursă de un curent dependent de fluxul luminos incident;

Cadranul unu – fotodioda funcționează în regim de polarizare directă, unde fotodioda se comportă ca o joncțiune p-n normală;

Parametrii specifici fotodiodei:

Curentul de întuneric , reprezintă curentul prin fotodiodă la iluminare nulă;

Tensiunea inversă maximă , reprezintă tensiunea inversă maximă ce o poate suporta o fotodiodă fară să apară multiplicarea curentului în avalanșă;

Rezistența dinamică la polarizare inversă ;

Sensibilitatea integrală, definită astfel sau

și reprezintă variația curentului la o variație a fluxului luminos sau a iluminării;

Fotodioda folosită în acest proiect are codul de identificare BPW34, Figura 2.4.2, produsă de firma Vishay. Este o fotodiodă cu o arie senzitivă mare (), o fotosensivitate mare și un timp de răspuns foarte rapid. De asemenea este folosită pentru aplicațiile ce necesită un detector de mare viteză.

Figura 2.4.2. Fotodioda BPW34

Responsivitatea diodei BPW34, definită ca raportul dintre fotocurentul la ieșirea din diodă, în amperi, și puterea luminoasă,în Watt , incidentă la fotodiodă este prezentată în Figura 2.4.3. De obicei puterea incidentă este exprimată în iar fotocurentul în .[www8]

Figura 2.4.3. Responsivitatea diodei BPW34

Fototranzistorul

Este un dispozitiv optoelectronic asemănător cu fotodioda. Acesta este foarte sensibil la radiația luminoasă și au fost proiectați pentru a profita de acest avantaj. O variantă foarte comună este tranzistorul NPN cu bază comună, unde lumina incidentă bazei înlocuiește ceea ce în mod normal ar fi fost curentul aplicat bazei. Astfel un fototranzistor amplifică variațiile de lumină incidentă. Fototranzistorul are simbolul și caracteristicile statice de ieșire date în Figura 2.4.4

Figura 2.4.4. Fototranzistorul – simbol, caracteristici statice de ieșire

Fototranzistorul are sensibilitatea integrală mai mare decât a fotodiodei, datorită amplificării în curent. Parametrii fototranzistoarelor se aseamănă cu ai fotodiodelor și ai tranzistoarelor obișnuite.

2.5 Servomotorul Futaba 3003

Servomotorul folosit în acest proiect este cel prezentat în Figura 2.5.1. Acesta este un servomotor produs de corporația americană Futaba.

Figura 2.5.1 Servomotorul

Servomotorul are următoarele caracteristici:

Mărime:41mm*20mm*36mm

Greutate:37.2g

Viteza(4.8v):0.23sec/60grade,

Viteza(6V):0.19sec/60grade.

Cuplu (4.8V):3.2kg/cm.

Cuplu(6.0V):4.1kg/cm

Capitolul 3. Specificațiile aplicației

3.1 Descrierea aplicației

Aplicația dezvoltata este folosită pentru poziționarea modulului de transmitere a semnalului în comunicația laser. Semnalul de intrare ales pentru transmitere este un semnal audio, sau mai bine-spus o melodie, iar la ieșire se va recepționa același semnal cu mici perturbații.

În Figura 3.1 este prezentată schema de principiu a aplicației. Pentru o descriere cât mai inteligibilă a sistemului, putem împărții ansamblul în doua sisteme, și anume: sistemul de poziționare și sistemul de transmitere al semnalului. Aceste doua părți se vor îmbina pentru a crea funcționarea ansamblului.

Sistemul de poziționare cu care va fi prevăzut ansamblul este folosit pentru a poziționa raza laserului de transmisie în direcția deplasării receptorului. Cu alte cuvinte putem spune că subansamblul ce conține sistemul de poziționare se va rotii pe o traiectorie semicirculară în funcție de poziția viitoare a receptorului.

Figura 3.1 Schema de principiu a aplicației

Sistemul de transmitere a semnalului audio este folosit pentru transmiterea semnalului audio de la transmițător către receptor prin intermediul laserului. Astfel semnalul audio, generat de către un dispozitiv audio (telefon celular în cazul nostru), va fi transmis prin fasciculul laser modulat către receptor. Receptorul va prelua semnalul transmis prin laser, iar după transformările necesare semnalul respectiv este redat în boxe.

3.2 Subansamble existente

În subcapitolul precedent pentru o înțelegere mai bună a aplicației ansamblul a fost împărțit în două sisteme, cel de poziționare și cel de transmitere al semnalului. Din punct de vedere al realizării fizice ansamblul nostru este de asemenea împărțit în două mari subansamble: transmițător și receptor.

Transmițătorul este subansamblul ce conține:

partea ce se ocupă cu transmiterea semnalului audio prin laser, semnal ce este încărcat spre transmitere cu ajutorul unei mufe jack de 3.5 mm direct de la dispozitivul audio;

sistemul de poziționare ce este alcătuit din servomotor, microcontroler si senzorii folosiți pentru poziționare;

Receptorul este subansamblul ce conține:

partea ce se ocupă cu recepționarea semnalului, semnal recepționat cu ajutorul senzorului construit din fotodiode. După ce a fost recepționat, semnalul este transmis către un echipament de redare audio, în cazul nostru la boxe;

partea din sistemul de poziționare ce conține laserul folosit pentru dictarea direcția de deplasare a receptorului;

3.3 Funcțiile sistemului

După cum am precizat și în paragrafele anterioare sistemul este compus din transmițător si receptor. În continuare se vor prezenta, pe scurt, funcțiile îndeplinite de acestea.

Funcțiile transmițătorului:

modulația semnalului audio – semnalul generat de echipamentul audio este modulat în amplitudine, printr-un procedeu nu prea complicat, pentru a fi transmis prin laser;

transmiterea semnalului – semnalul modulat va fi transmis cu ajutorul diodei laser, prin fasciculul laser modulat;

detectarea direcției de mișcare – detecția se face cu ajutorul senzorului alcătuit din 5 fototranzistori, astfel se va cunoaște direcția de deplasare a receptorului;

poziționarea laserului pentru transmitere – laserul folosit în transmiterea semnalului se va poziționa cu ajutorul servomotorului comandat de microcontroler;

funcția de alimentare a plăcii – pentru a verifica dacă placa se află sub tensiune sau nu s-a folosit un led de culoare roșie, astfel se va cunoaște dacă bateria folosită s-a consumat sau nu;

Funcțiile receptorului:

recepționarea semnalului – semnalul transmis va fi recepționat cu ajutorul senzorului alcătuit din trei fotodiode;

demodulația semnalului – semnalul receptat cu ajutorul fotodiodelor va fi demodulat printr-un procedeu invers celui folosit la modulare;

preamplificarea semnalului demodulat – semnalul, după demodulare, va fi preamplificat folosind un amplificator audio, astfel la ieșire semnalul va fi mai puternic;

redarea semnalului audio – pentru redarea semnalului audio se va folosi un echipament specific ascultării semnalelor audio, și anume boxe, căști, etc.;

funcția de alimentare plăcii – pentru a verifica dacă placa se află sub tensiune sau nu s-a folosit un led de culoare roșie, astfel se va cunoaște dacă bateria folosită s-a consumat sau nu;

Capitolul 4. Proiectarea de detaliu

4.1 Arhitectura aplicației

Arhitectura proiectului este prezentată în schema bloc din Figura 4.1. Aplicația prezentă a fost concepută pentru a fi folosită în comunicația laser, poziționând echipamentul transmițător, în funcție de deplasarea echipamentului receptor. În cazul de față, pentru comunicația laser se înțelege transmiterea analogic a unui semnal audio cu ajutorul laserului. Comunicația este de tip simplex, adică semnalul se va transmite întotdeauna de la echipamentul de transmisie la cel receptor.

Figura 4.1 Schema bloc a aplicației

Principiul de funcționare al aplicației este următorul: semnalul audio, generat de un dispozitiv special, va fi modulat în amplitudine printr-un anumit procedeu, după care va fi trimis direct către laser pentru a fi transmis cu ajutorul fasciculului laser modulat. În momentul în care fasciculul laserului va lumina senzorul receptorului( alcătuit din fotodiode ), semnalul va fi demodulat printr-un procedeu invers celui folosit la modulare, după care va fi preamplificat. În final semnalul audio este trimis către un dispozitiv audio special gen boxe, căști pentru ascultare.

O influență foarte mare asupra transmiterii semnalului o are și sistemul de poziționare. Acesta va activa laserul pentru transmisie numai atunci când cele două echipamente vor fi centrate, adică în momentul în care laserul folosit pentru poziționare se va afla în centrul senzorului de poziționare. Acest sistem de poziționare format din microcontroler, servomotor, senzor și laserul de poziționare este folosit pentru “găsirea” receptorului, în cazul în care își va schimba poziția, de către transmițător. După cum am spus și mai sus, în timpul căutării receptorului, laserul de transmisie va fi dezactivat, acesta reactivându-se în urma depistării echipamentului receptor.

4.2. Transmițătorul

În Figura 4.2(Anexa 1) este prezentată schema electrică a transmițătorului. Schemele electrice folosite în lucrarea de față au fost realizate cu ajutorul tool-ului CAPTURE al mediului OrCAD 9.2 , varianta gratis pentru student.

Figura 4.2 Transmițătorul

Transmițătorul are rolul de a prelua semnalul audio de la dispozitivul ce-l generează și de a-l transmite mai departe către dispozitivul receptor folosindu-se de fasciculul laser. De asemenea acesta conține si o mare parte a sistemului de poziționare. După cum se vede și în schema electrică, transmițătorul este împărțit în mai multe circuite, și anume:

circuitul de alimentare – reprezintă alimentarea transmițătorului;

circuitul de transmitere – reprezintă circuitul ce se ocupă cu modularea și transmiterea semnalului audio;

senzorul de poziționare – folosit pentru aflarea poziției receptorului;

Microcontrolerul si servomotorul – folosite pentru poziționarea propriu-zisă a laserului de transmisie;

4.2.1 Circuitul de alimentare

Schema electrică a circuitului de alimentare este prezentată în Figura 4.2.1.

Figura 4.2.1 Circuit de alimentare

Acest circuit reprezintă alimentarea transmițătorului. Am realizat acest circuit pentru stabilizarea tensiunii la o valoare dorită deoarece folosind o baterie de 9V nu pot fi alimentate toate componentele transmițătorului la această tensiune, existând riscul de distrugere. Principala componentă a circuitului o reprezintă integratul LM7805 ce stabilizează tensiunea de 9V, provenită de la baterie, la 5V. Alegerea acestui integrat a fost necesară datorită existenței a doua paliere de tensiune: 9V pentru amplificator și 5V pentru microcontroler, servomotor, senzor. În schema se mai poate observa că am folosit un întrerupător pentru conectarea/deconectarea alimentării și un led pentru verificarea funcționalității sau observarea dacă bateria s-a consumat.

4.2.2 Circuitul de transmitere

În Figura 4.2.2 este prezentată schema electrică a circuitului de transmitere al semnalului audio.

Figura 4.2.2 Circuitul de transmitere

Acest circuit se ocupă cu preluarea semnalului audio de la dispozitivul de generare, prelucrarea acestuia și transmiterea către receptor cu ajutorul laserului. Principiul este acela de a transmite semnalul modulând amplitudinea laserului pe baza amplitudinii semnalului audio. Semnalul audio este transmis către circuit folosind o mufă jack de 3.5 mm după care acesta este trimis la intrarea unui circuit sumator. Sumatorul este alcătuit din două intrări care vor fi adunate și un rezistor pe reacția negativă.

Am notat cele două conexiuni de la intrarea neinversoare a amplificatorului după cum urmează: cu tensiunea de offset care este menținută la 3V, aceasta putând fi schimbată folosind potențiometrul iar cu tensiunea semnalului audio primit prin mufa jack. Dacă notăm tensiunea de la intrarea neiversoare cu putem scrie relațiile următoare pentru curenții de intrare , :

Aplicând legea I a lui Kirchhoff în nodul în care intră curenții vom obține . Înlocuind expresiile curenților de intrare obținem tensiunea de la intrarea neiversoare, de forma:

Astfel putem spune că circuitul nostru se comportă ca un amplificator neinversor care amplifică tensiunea . Tensiunea de la iesire va fi de forma:

Având în vedere că vor avea următoarea expresie pentru tensiunea de iesire:

În concluzie semnalul de la intrarea inversoare a amplificatorului este de două ori mai mic decât cel de la ieșire, acest lucru s-a obținut folosind un divizor de tensiune format din două rezistențe egale. Reacția îi oferă amplificatorului posibilitatea de a urmării amplitudinea intrării neinversoare în încercarea de a echivala tensiunile celor două intrări.

Ieșirea amplificatorului este trimisă direct la dispozitivul laser a cărui amplitudine este proporțională tensiunii la care este conectat. Creșterea amplitudinii se face liniar odată cu tensiunea până la 4V, în acest punct răspunsul devenind din ce în ce mai exponențial. Datorită regiunii de liniaritate a răspunsului se poate trimite un semnal audio cât mai bun spre receptor. Tranzistorul l-am folosit pentru oprirea laserului pe perioada de căutare a receptorului. Principiul de functionare este simplu, atât timp cât avem o tensiune de 0V pe baza tranzistorului laserul va fi conectat la masă, deci va fi pornit iar daca pe bază avem o tensiune de 5V laserul se va deconecta de la masă.

4.2.3 Senzorul de poziționare

Transmițătorul trebuie să poziționeze laserul pentru transmisie cât mai exact cu putință, adică trebuie ca raza laserului să lumineze cât mai precis pe senzorul receptorului. Astfel un rol foarte important în funcția de poziționare o are senzorul prezentat în Figura 4.2.3.

Figura 4.2.3 Senzor poziționare

Senzorul este alcătuit din cinci fototranzistori, astfel putem spune că funcționalitatea senzorului se bazează, în mare parte, pe principiul de funcționare al fototranzistorului. Să luăm de exemplu fototranzistorul . În momentul în care tensiunea de la pinii tranzistorului este de 5V, curentul ce trece prin fototranzistor este proporțional cu cantitatea de lumină roșie care luminează detectorul fototranzistorului. Astfel datorită curentului care trece prin rezistența de 10K, ce este legată la masă, vom putea măsura o tensiune care este proporțională cu lumina captată de detectorul tranzistorului. Această tensiune măsurată va fi transmisă către convertorul analog-numeric al microcontrolerului. Senzorul este conectat la microcontroler la pinii 0, 1 si 2 ai portului C, acesta fiind portul de ADC(Analog-to-Digital Converter).

Fiecare dintre cei cinci fototranzistori are o funcționalitate aparte în procesul de poziționare, astfel:

fototranzistorul – este folosit pentru depistarea dacă receptorul s-a mișcat la dreapta. Dacă tensiunea citită de microcontroler prin pinul PC2 va fi mai mare de 1V, atunci înseamnă că laserul receptorului tocmai a luminat fototranzistorul și astfel servomotorul se va roti la stânga;

fototranzistorul – este folosit pentru oprirea servomotorului și pentru activarea laserului de transmisie. Cu alte cuvinte dacă tensiunea citită de microcontroler pe pinul PC1 este mai mare de 1V , atunci raza laserului receptorului este poziționată pe fototranzistor iar mișcarea servomotorului se oprește și se activează laserul pentru transmiterea semnalului.

fototranzistorii – sunt folosiți pentru reglarea vitezei de rotire a servomotorului. În principiu dacă raza laserului receptorului va lumina unul din fototranzistorii , servomotorul se va rotii la stânga sau la dreapta cu o viteză constantă iar în momentul când raza se va afla pe sau viteza servomotorului va scădea. Am folosit acești doi fototranzistori deoarece în apropierea fototranzistorului viteza de poziționare trebuie sa fie mai mică pentru a nu trece raza laserului de fototranzistor, având în vedere că pentru transmiterea semnalului laserul trebuie sa fie permanent poziționat pe . După cum se vede și in figură pentru citirea tensiunii fototranzistorilor de către microcontroler am folosit același port ca cel al lui . Pentru ca microcontrolerul să nu confunde tensiunea primită de la cu cea primită de la și am optat să folosesc câte un divizor de tensiune pentru fiecare din cei doi fototranzistori, astfel tensiunea primită de la cei doi va fi mai mică decât cea de la . Condiționările pentru mișcarea servomotorului s-au făcut prin cod.

fototranzistorul – este folosit pentru depistarea dacă receptorul s-a mișca la stânga. Dacă tensiunea citită de microcontroler prin pinul PC0 va fi mai mare de 1V, atunci înseamnă că laserul receptorului tocmai a luminat fototranzistorul și astfel servomotorul se va roti la dreapta;

4.2.4 Microcontrolerul și servomotorul

În Figura 4.2.4 este prezentată schema electrică a celui de-al patrulea circuit ce intră în componența transmițătorului.

Figura 4.2.4 Microcontrolerul și servomotorul

Rolul microcontrolerului este acela de a prelua semnalul de la senzorul de poziționare prin pinii PC2, PC1, PC0 și de a transmite servomotorului în ce direcție să se rotească. Semnalele care vin de la senzor sunt semnale analogice (tensiuni). După cum se vede în figură, pinii PC0,PC1 și PC2 sunt folosiți pentru recepționarea semnalului venit de la fototranzistorii: –ce se ocupă cu depistarea deplasării la stânga a receptorului; – depistează deplasarea la stânga; – folosit pentru oprirea servomotorului și avetizează că s-a ajuns la poziția de transmitere; – folosiți pentru scăderea vitezei servomotorului. Semnalele sunt convertite cu ajutorul convertorului analog-numeric al microcontrolerului, iar pe baza rezultatului conversiei se vor pune condițiile pentru mișcarea servomotorului. Principiul folosit pentru mișcarea servomotorului este următorul: dacă tensiunea ce ajunge la unul din pinii precizați mai sus este mai mică decât 1V nu se întâmplă nimic, dar dacă tensiunea este mai mare de 1V, microcontrolerul va comanda servomotorului în ce direcție să se poziționeze.

4.3. Receptorul

În Figura 4.3(Anexa 2) este prezentată schema electrică a receptorului. Rolul acestuia este de a recepționa semnalul de la transmițător și de a-l reda mai departe către orice dispozitiv compatibil, în cazul de față un difuzor.

Figura 4.3 Receptorul

După cum reiese și din figura de mai sus, receptorul este împărțit în 3 circuite importante, și anume:

circuitul de alimentare – care se ocupă cu alimentarea plăcii la o tensiune de 9V, respectiv 5V curent continuu;

laserul de poziționare – folosit pentru indicarea direcției de mișcare a receptorului;

circuitul de recepționare a semnalului – se ocupă cu recepționarea semnalului și transmiterea acestuia către dispozitivul de redare audio;

În privința circuitului de alimentare nu voi mai intra în detalii deoarece acesta este asemănător cu cel prezentat în subcapitolul 4.2.1.

4.3.1 Laserul de poziționare

Circuitul din Figura 4.3.1 este singura componentă a sistemului de poziționare ce face pare din receptor, cea mai mare parte a acestuia este cuprinsă în schema transmițătorului.

Figura 4.3.1 Laserul de poziționare

Rolul laserului de poziționare este de a semnala transmițătorului poziția receptorului. Fasciculul său va lumina direct unul din fototranzistorii ce intră în componența senzorului de poziționare. De exemplu, dacă receptorul se va poziționa în stânga transmițătorului, laserul va lumina fototranzistorul din stânga și astfel transmițătorul se va roti la stânga. Același principiu este folosit și pentru direcția opusă. Dispozitivul laser folosit este o simplă diodă laser alimentată în general la 4,5 V. În cazul de față am alimentat dioda la tensiunea de 5V iar pentru a nu exista riscul de distrugere datorită curentului mai mare decât normal am introdus o rezistentă de 15 ohmi.

4.3.2 Circuitul de recepționare a semnalului

Circuitul de recepționare a semnalului prezentat în Figura 4.3.2 este asemănător, într-o oarecare măsură, cu circuitul de transmitere. La transmitere semnalul este modulat în amplitudine iar la recepționare este demodulat printr-un procedeu invers celui folosit la modulare.

Figura 4.3.2 Circuitul de recepționare a semnalului

Principiul de funcționare al circuitului este următorul: fasciculul laserului de transmisie va lumina senzorul receptorului, ce este alcătuit din 3 fotodiode, în urma căruia prin cele 3 fotodiode va apărea un curent. Acest curent va trece prin amplificatorul U5A care este folosit ca un convertor curent-tensiune, acesta convertind variațiile de curent din fotodiode în variații de tensiune la ieșirea amplificatorului. După trecerea semnalului prin primul amplificator, acesta va fi preamplificat cu ajutorul unui amplificator audio de voltaj redus și transmis direct către dispozitivul de redare. Potențiometrul este folosit pentru ajustarea sonorului iar condensatorul folosit între pinii 1 si 8 ai amplificatorului audio ne va reda semnalul cu o amplificare de 200. Am folosit trei fotodiode pentru mărirea zonei de interceptare a fasciculului laser.

Convertorul curent-tensiune din figura de mai sus funcționează în felul următor: curentul din fotodiode aflat la oricare din intrarea inversoare sau neinversoare a lui U5A va fi neglijat deoarece impedanța de intrare a amplificatorului este foarte mare, întreg curentul trecând prin rezistența . Cum intrarea neinversoare a amplificatorului este conectată la masă, și intrarea inversoare va avea potențialul masei, astfel tensiunea de la ieșirea amplificatorului este egală si de semn contrar cu căderea de tensiune pe rezistența de reacție . În final tensiunea de ieșire este proporțională cu intensitatea curentului de intrare, constanta de proporționalitate fiind rezistenta .

4.4 Proiectarea software-ului

Acest subcapitol prezintă modul de realizare al softului ce este încărcat pe microcontroler și explicații pe baza acestuia.

Având în vedere că transmisia semnalului prin laser este o transmisie analogică, softul dezvoltat este folosit în cea mai mare parte pentru sistemul de poziționare, adică majoritatea funcțiilor realizate se ocupă cu poziționarea servomotorului.

În Figura 4.4.1 este prezentată organigrama programului principal.

Figura 4.4.1 Organigramă program principal

Pentru generarea PWM-ului am folosit timerul 1 al microcontrolerului. Inițializarea acestuia am făcut-o folosind regiștrii TIMSK , TCCR1A și TCCR1B.

Regiștrii TCCR1A și TCCR1B setează modul de generare al pwm-ului și clock-ul timerului. În cazul programului meu am folosit un semnal pwm rapid cu un clock al timerului egal cu clock-ul microcontrolerului.

Inițializare porturilor am realizat-o în felul următor:

Am setat direcțiile porturilor de intrare/ieșire, astfel pentru portul C care aparține convertorului am ales ca direcție port de intrare având în vedere că semnalele vin de la senzorul de poziționare spre microcontroler. Pentru portul D, interesându-mă doar pinul 6, l-am setat ca ieșire deoarece acesta este folosit pentru activarea laserului de transmisie În final am setat pinul 1 al portului B tot ca ieșire, deoarece prin acest pin este trimis semnalul pwm către servomotor. De asemenea am setat pinul 5 al portului C pe 1 pentru ca laserul de transmisie sa fie dezactivat.

Următorul pas după inițializarea porturilor este inițializarea convertorului analog-numeric, inițializarea acestuia am făcut-o după cum urmează:

În primul rând am setat clock-ul convertorului cu o prescripție de 64 cu ajutorul biților ADPS1 și ADPS2 ai registrului de control ADCSRA, adică acesta va funcționa la un clock de 125 KHz. Următorul pas este acela de selectare a referinței convertorului iar în cazul de față am selectat cu ajutorul biților REFS1 și REFS0 o referință internă de 2.56V. După ce am ales clock-ul și referința convertorului am activat convertorul și am selectat modul de realizare a conversiei, acesta fiind modul free run. Convertorul se activează setând bitul 7 ADEN din registrul de comandă pe 1 iar modul de conversie punând pe 1 bitul 5 ADFR din registrul de comandă.

Definirea capătului de sus al counterului și setea registrului de comparare este lustrată mai jos:

ICR1 reprezintă limita superioară a counterului și am ales-o de 10000, iar OCR1A este registrul de comparare ce i-am atribuit valoarea 9250. Această valoare reprezintă jumătatea traseului pe care-l poate face servomotorul.

După terminarea inițializărilor se intră in bucla infinită de tratare a funcțiilor, și anume:

Funcțiile stanga(), dreapta() și mijloc() sunt funcțiile ce comandă servomotorul sa se rotească la stânga, dreapta sau sa se oprească. Aceste funcții vor fi prezentate în continuarea subcapitolului atât ca principiu folosind organigrame cât și codul de realizare al lor.

Conversia si schimbarea canalului de conversie au un rol foarte important în funcționarea corectă a sistemului de poziționare. Dacă nu s-ar face corespunzător conversia sau dacă alegerea canalului nu ar fi corectă, servomotorul nu se va poziționa în direcția corectă. În Figura 4.4.2 este prezentată organigrama principiului de funcționare a funcției folosită pentru conversie și schimbarea canalului de conversie.

Figura 4.4.2 Organigramă conversie

Antetul funcției de realizare a conversiei si de selectare a canalului de conversie este următorul:

Funcția de conversie este o funcție ce primește ca parametru un număr întreg ce reprezintă numărul canalului de conversie și returnează valoarea rezultatului conversiei.

Codul funcției este prezentat în continuare:

Variabila de tip întreg rez este folosită pentru reținerea rezultatului obținut în urma conversiei. Pentru schimbarea canalului am recurs la operația de “și logic” între parametrul

primit ca argument prin apelarea funcției și registrul de multiplexare al convertorului ADMUX. Setând bitul ADSC din registrul de comandă al convertorului pe 1 se pornește conversia propriu-zisă. Înainte de calcularea rezultatului conversiei am pus condiția de așteptare până conversia se va termina, iar în final este returnat rezultatul calculat.

În Figura 4.3.3 este prezentată organigrama principiului de funcționare al funcției ce se ocupă cu oprirea servomotorului și activarea laserului de transmisie când raza laserului de poziționare se află pe fototranzistorul din mijloc al senzorului.

Figura 4.4.3 Organigrama funcției senzorului din mijloc

Codul funcției este următorul:

urmă

Variabila Senzor este folosită pentru a reține valoarea returnată în urma apelării funcției de conversie. Dacă valoarea variabilei este mai mare de 615 servomotorul se va oprii și se va activa laserul de transmisie. Oprirea servomotorului se face cu ajutorul variabilelor globale a,b și c, variabile care atribuindu-le valoarea 1 vor face ca microcontrolerul sa iasă din ciclurile while folosite pentru rotirea servomotorului. Activarea laserului de transmisie se face punând pe 0 pinul 5 al portului C, rezultatul acestei acțiuni va consta în trimiterea, pe pinul precizat, unei tensiuni de 0V către baza tranzistorului care face legătura între laser și masă. Dacă valoare variabilei este mai mică de 615 laserul de transmisie va fi dezactivat.

În figura 4.4.4 este prezentată organigrama principiului de funcționare al funcției ce se ocupă cu rotirea servomotorului la dreapta.

Figura 4.4.4 Organigrama funcției ce rotește servomotorul la dreapta

Deoarece codul acestei funcții este foarte mare, o să explic părțile cele mai importante din funcție folosind bucăți din cod.

În variabila Senzor_dr este reținut rezultatul conversiei pe canalul 1, adică rezultatul conversiei în urma luminării fototranzistorului din dreapta de către lumina laser. Dacă această variabilă este mai mare decât 400 servomotorul se va deplasa către dreapta incrementând registrul OCR1A cu un delay de ”s” milisecunde. Variabila s am folosit-o pentru menționarea timpului de repaus dintre doi pași ai servomotorului, astfel servomotorul se va rotii cu o viteză constantă. După ce servomotorul s-a pus în mișcare verific dacă nu cumva alt canal al convertorului este ocupat. Dacă este ocupat canalul 2 al convertorului înseamnă că laserul se află pe fototranzistorul din mijloc și astfel trebuie oprit servomotorul și activat laserul de transmisie, numai în cazul în care variabila Senzor_m, ce conține rezultatul conversiei pe canalul 2, este mai mare decât 615 . Viteza servomotorului va scădea la o valoare constantă dacă variabila Senzor_m este cuprinsă între 400 și 615, de fapt variabila s va crește și implicit va crește și pauza dintre pașii servomotorului. Viteza va scădea atunci când raza laserului de poziționare va fi situată pe fototranzistorul din apropierea fototranzistorului din mijloc, astfel nu există riscul ca raza laserului să treacă cu viteză mare peste fototranzistorul din mijloc și acesta sa nu aibă timp sa-l depisteze.

Un alt caz ce l-am tratat în această funcție de deplasare la dreapta este cazul în care servomotorul ajunge la capătul din dreapta și nu întâlnește laserul de poziționare sau poate acesta trece peste senzor fără să aibă timp sa-l depisteze. Codul pentru acest caz este prezentat mai jos:

Când registrul OCR1A în urma incrementării a ajuns la valoarea 9700 înseamnă ca servomotorul a ajuns la capătul din dreapta. Dacă s-a ajuns aici înseamnă ca laserul nu a fost depistat pe timpul rotației spre dreapta sau acesta se află mai departe de limita sa din dreapta. Odată ajuns la această limită servomotorul se va întoarce spre mijloc, acest lucru se face prin decrementarea registrului OCR1A. Când acest registru ajunge la valoarea de 9250 înseamnă ca s-a ajuns la mijloc și servomotorul se oprește. De asemenea dacă în timp ce se întoarce va întâlnii laserul pe traseu atunci servomotorul se va opri și laserul de transmisie va fi activat.

În ceea ce privește funcția de poziționare la stânga este aproape identică celei de poziționare la dreapta atât ca organigramă cât si cod. Singurele diferențe sunt unele variabile și că pentru senzorul din dreapta se folosește canalul 0 de conversie.

Capitolul 5. Realizarea, punerea în funcțiune și rezultate experimentale

Fizicul proiectului l-am realizat în urma multor experimente și încercări. Înainte de începerea lipirii pieselor pe plăcuțe am testat toate circuitele electrice prezentate în capitolul precedent. Testarea acestora am făcut-o pe o placă de test numită Breadboard, același model ca cel prezentat în Figura 5.1.

Figura 5.1 Breadboard – placă de test

Lipirea pieselor am efectuat-o conform indicațiilor din cartea [www9] în următoarea ordine: primele piese lipite au fost soclurile și conectorii, următoarele fiind tranzistorii, rezistențele, condensatorii și ledurile. Înaintea punerii sub tensiune am montat integratele, am verificat încă odată conexiunile, pentru e elimina scurtcircuitele și am verificat dacă ledurile, diodele, tranzistorii si condensatorii sunt polarizați corect. După punerea sub tensiune am verificat: în cadrul microcontrolerului dacă tensiunea de alimentare, tensiunea de alimentare de la convertor, tensiunea de referință de la convertor, tensiunea de la pinul de reset se încadrează în intervalul +4.5V și +5V. După verificarea tuturor plăcilor, am procedat cu realizarea părții mecanice a proiectului, și anume cu selectarea carcaselor potrivite pentru fiecare plăcuță în parte, selectarea monturilor folosite pentru leduri și fototranzistori.

5.1 Realizarea transmițătorului

Pentru realizarea transmițătorului în primul rând am avut nevoie de găsirea anumitor tipuri de carcase, ca să-mi pot face o imagine de ansamblu despre cum ar arăta fizic transmițătorul și bineînțeles să știu ce dimensiuni să aibă plăcuțele pe care urma să lipesc componentele. După ce am găsit carcasele care corespundeau cu ceea ce îmi imaginasem eu, am trecut la lipirea circuitelor pe plăcuțe. Din punctul de vedere al plăcuțelor am cuprins toate circuitele transmițătorul pe 3 plăcuțe: una ce cuprinde cea mai mare funcționalitate a transmițătorului, și anume circuitul de alimentare, circuitul de transmitere al semnalului și circuitul ce conține microcontrolerul; ce de-a doua plăcuță cuprinde mufa jack iar pe cea de-a treia plăcuță am imprimat schema senzorului de poziționare.

Figura 5.1.1 Plăcuța ce cuprinde ce mai mare parte a circuitelor transmițătorului

În Figura 5.1.1 este prezentată poza plăcuței ce conține cea mai mare parte a circuitelor transmițătorului. Aceasta cuprinde circuitul de alimentare, circuitul de transmitere al semnalului și microcontrolerul. În continuare este prezentată legenda pieselor din figura de mai sus, și anume:

Microcontrolerul Atmega8 – se ocupă cu controlul servomotorului în funcție de semnalele primite de la senzor;

Amplificatorul LM358 – responsabil cu modulația semnalului;

Integratul LM7805 – stabilizează tensiunea de la baterie din 9V în 5V ;

Tranzistor BF240Ω – folosit pentru activarea/dezactivarea laserului de transmisie;

Potențiometru de 10kΩ semireglabil – ajustează tensiunea de offset de la intrarea în amplificator;

Rezistențe – 5 de 10kΩ și 1 de 1kΩ;

Alimentarea de la baterie de 9V;

Conector cu 2 pini pentru mufa jack prezentată în Figura 51.2;

Conector cu 2 pini pentru întrerupător alimentare;

Conector cu 2 pini pentru led;

Conector cu 3 pini pentru servomotor;

Conector cu 7 pini pentru senzorul de poziționare:

Pinul 1 – groundul senzorului;

Pinul 2 – Vcc-ul senzorului;

Pinul 3 – alimentarea laserului de transmisie;

Pinul 4 – ground-ul laserului de transmisie;

Pinul 5 – fototranzistorul din dreapta;

Pinul 6 – cei 3 fototranzistori din mijloc;

Pinul 7 – fototranzistorul din stânga;

Figura 5.1.2 Mufa jack mamă

Mufa jack mamă prezentată în figura de mai sus este folosită pentru transmiterea semnalului de la aparatul de generare al semnalului audio către circuitul de transmitere al semnalului prin laser.

Realizarea senzorului de poziționare este prezentată în Figura 5.1.3. Plăcuța am realizat-o urmărind schema electrică a senzorului prezentată în capitolul precedent. Pe baza ei am lipit toate componentele folosite și am realizat conexiunile între ele. Partea mecanică a senzorului am realizat-o după realizarea plăcuței și testarea ei.

Figura 5.1.3 Plăcuța senzorului de poziționare

Legenda pieselor folosite la realizare prezentate și în figura de mai sus este următoarea:

Laserul folosit pentru transmiterea semnalului – în figură baza laserului este încadrată într-un conector folosit pentru protejare;

Fototranzistorii BPX-43 – în număr de 5 (1-pentru depistarea mișcării la stânga a receptorului, 1- pentru depistarea mișcării la dreapta, 1- pentru oprirea servomotorului și activarea laserului, 2 – pentru reducerea vitezei servomotorului). De asemenea și fototranzistorii sunt introduși în conectori pentru protejare și stabilitate în carcasă;

Conector cu 12 pini atât mamă cât și tată folosiți pentru fototranzistori și laser:

Rezistențe de 1kΩ – în număr de 7 folosite la crearea senzorilor pe bază de fototranzistori;

Alimentarea senzorului – firul roșu este pentru Vcc(5V) iar cel negru pentru GND;

Alimentarea laserului – prin firul roșu vine semnalul de la ieșirea amplificatorului din figura 5.1.1 iar cel negru este firul conectat la colectorul tranzistorului din figura 5.1.1;

Semnale fototranzistori – firul roșu preia semnalul de la fototranzistorul din stânga, firul galben preia semnalul de la cei 3 fototranzistori din mijloc ar firul maro preia semnalul de la fototranzistorul din dreapta;

Monturi fototranzistori – în număr de 5, sunt folosite pentru fixarea fototranzistorilor pe carcasa senzorului;

În Figura 5.1.4 este prezentată varianta finală a transmițătorului. După cum se poate vedea am indicat fiecare componentă a transmițătorului, neintrând în detalii deoarece acestea au mai fost descrise anterior.

Figura 5.1.4 Transmițător varianta finală

5.2 Realizarea receptorului

Pentru realizarea echipamentului receptor în primul rând am avut nevoie de găsirea anumitor tipuri de carcase, ca să-mi pot face o imagine de ansamblu despre cum ar arăta fizic receptorul și bineînțeles să știu ce dimensiuni să aibă plăcuțele pe care urma să lipesc componentele. După ce am găsit carcasele care corespundeau cu ceea ce îmi imaginasem eu, am trecut la lipirea circuitelor pe plăcuțe. Din punctul de vedere al plăcuțelor am cuprins toate circuitele receptorului pe trei plăcuțe, și anume : una ce conține doar potențiometru folosit pentru volum, pe a doua se găsesc fotodiodele și cea de-a treia cuprinde restul receptorului.

Interiorul receptorului este prezentat în Figura 5.2.1. După cum am precizat și mai sus, realizarea circuitului receptorului s-a făcut pe două plăcuțe.

Figura 5.2.1 Interiorul receptorului

Componentele folosite și funcționalitatea lor pe scurt o voi descrie în continuare în legenda componentelor:

Amplificatorul LM358 – folosit pentru receptarea și demodulația semnalului;[www10]

Amplificatorul LM386 – este un amplificator audio ce amplifică semnalul de la ieșirea amplificatorului LM358;[www11]

Laserul – utilizat în poziționarea sistemului;

Fotodiode BPW34 – în număr de 3, utilizate pentru captarea fasciculului laser. În figura de față nu se observă deoarece sunt situate pe plăcuța lipită de carcasă;

Potențiometru de 53 kΩ – este u potențiometru căpătat dintr-un radio casetofon vechi și folosește pentru ajustarea volumului;

Integratul LM7805 – stabilizează tensiunea de la baterie din 9V în 5V ;

Switch folosit pentru pornire/oprirea alimentării;

Led roșu cu montură – utilizat pentru verificarea tensiunii pe placă;

Baterie de 9V – folosită pentru alimentarea plăcii;

Rezistențe – în număr de 4 folosite pentru limitare de curent;

Condensatori – în număr de 3 folosiți pentru filtrare;

Care nu este trecut pe figură reprezintă conectorii:

Conector cu 2 pini mamă și tată – folosite pentru switch-ul de pornire/oprire alimentare;

Conector cu 2 pini mamă și tată – conectează laserul la placă;

Conector cu 2 pini mamă și tată – conectează ledul roșu la placă;

Conector cu 2 pini mamă și tată – conectează fotodiodele la placă;

Conector cu 2 pini mamă și tată – leagă ieșirea amplificatorului LM358 de una din intrările amplificatorului LM386;

Conector cu 2 pini mamă și tată – prin acest conector se prinde difuzorul la placă;

Figura 5.2.2 Varianta finala receptor – față(stânga), spate(dreapta)

În Figura 5.2.2 este prezentată varianta finală a fizicului ansamblului receptor. Pe partea din față a receptorului, în stânga figurii, se află laserul folosit la poziționare și zona sensibilă ce conține fotodiodele care vor capta semnalul transmis de laser. Partea superioară este prevăzută cu dispozitivul de redare al semnalului, în cazul de față este o boxă sau un difuzor. Partea dreaptă a figurii reprezintă spatele receptorului și este prevăzut cu switch-ul de pornire/oprire al alimentării, ledul ce verifică dacă ansamblul este sub tensiune și rotița potențiometrului folosit pentru ajustarea volumului.

5.3 Punerea în funcțiune și utilizarea sistemului

Sistemul dezvoltat se poate pune în funcțiune extrem de ușor. Dacă se urmăresc pașii din Figura 5.3.1 șansele ca sistemul să fie pus în funcțiune sunt foarte mari.

Figura 5.3.1. Punerea în funcțiune –transmițător, receptor

În primul rând trebuie pus în funcțiune transmițătorul, figura de sus stânga. Primul pas se realizează prin comutarea de jos în sus a butonului care se găsește pe partea laterală stânga a echipamentului. Al doilea pas îl reprezintă verificarea ledului roșu. Dacă acesta s-a aprins, înseamnă că echipamentul a fost alimentat adecvat, deci nu sunt probleme cu alimentarea. În schimb dacă acesta nu se aprinde pot exista 2 cazuri ce au dus la această consecință: 1) este posibil ca bateria cu care este alimentat sistemul sa fie consumată; 2) cazul în care ledul poate fi ars; Cel de-al treilea pas pentru punerea în funcțiune a transmițătorului îl reprezintă conectarea generatorului de semnal la sistemul nostru. Acest lucru se face prin introducerea cablului audio în mufa jack mamă de 3.5 mm din partea laterală dreapta a transmițătorului.

După ce transmițătorul a fost pus în funcțiune urmează receptorul, figura de sus dreapta. La fel ca și la transmițător primul pas îl reprezintă apăsarea butonului, ce se găsește în spatele receptorului, de jos în sus pentru alimentarea ansamblului. Cel de-al doilea pas este verificarea ledului. Dacă acesta este aprins înseamnă că alimentarea a fost făcută cu succes, dacă nu, este posibil ca bateria sa fie consumată sau ledul ars.

La fel de ușor ca punerea în funcțiune, este și utilizarea sistemului. Pentru a utiliza sistemul este nevoie să interacționam numai cu receptorul în timp ce transmițătorul va rămâne fix. Dacă receptorul si transmițătorul sunt aliniate, laserul de transmisie, ce se găsește în transmițător, va fi activat și astfel se va transmite semnalul. Mișcând receptorul spre stânga sau spre dreapta pe o traiectorie circulară orizontală, va obliga pe transmițător să miște servomotorul în direcția respectivă pentru a transmite semnalul. Când fototranzistorul din mijlocul senzorului întâlnește laserul receptorului servomotorul se oprește si transmite semnalul.

5.4 Rezultate experimentale

După realizarea, punerea în funcțiune și descrierea utilizării sistemului propus am trecut la testarea acestuia. Testarea sistemului a constat în verificarea dacă semnalul transmis de la generatorul de semnal este asemănător cu cel de la recepționare. Acest lucru l-am făcut conectând un generator de semnal la transmițător și am transmis semnale sinusoidale cu aceeași amplitudine dar de frecvențe diferite. În ideea că fiecare sunet produs în jurul nostru are o anumită frecventă, am pornit cu testarea de la o frecvență de 100 Hz și am încheiat-o cu 50 kHz, precizând că urechea umană poate percepe sunetele ce au frecventa între 20Hz-20KHz. Graficele pe care le voi prezenta în continuare au fost făcute cu ajutorul programului HMLab, program ce preia semnalele afișate pe osciloscop.

Primul semnal testat este cel cu frecvența de 100 Hz, rezultatul testului este prezentat în Figura 5.4.1 stânga. Semnalul albastru este cel obținut direct de la generatorul de semnal. Acesta este un semnal sinusoidal cu amplitudinea de 0.5V și frecvența de 100Hz. Semnalul verde este cel recepționat de către receptor. Acesta este un semnal digital, transformat de amplificatorul LM358, care are aceeași frecventă dar amplitudinea este mai mică. De precizat este că pentru vizualizarea semnalelor pe osciloscop am folosit canalele 1 și 2 ale acestuia. Canalul 1 folosit pentru semnalul albastru ce este vizualizat la scara de 5V/diviziune . Canalul 2 este folosit pentru semnalul verde iar scara de vizualizare, având în vedere că amplitudinea este ai mică, este de 1V/diviziune. În concluzie semnalul recepționat este aproximativ același, diferența constând în amplitudine mai mică.

Figura 5.4.1 Semnale cu frecvența de 100Hz(stânga) respectiv 600Hz(dreapta)

Semnalul de 600Hz, Figura 5.4.1 dreapta, s-a comparat la fel ca cel testat anterior. Rezultatele au fost asemănătoare între semnalul trimis către transmițător și cel recepționat, singura diferență fiind amplitudinea mai mică la ieșire.

Figura 5.4.2 Semnale cu frecvența de 1kHz(stânga) respectiv 8kHz(dreapta)

În Figura 5.4.2 sunt prezentate rezultatele testelor a doua semnale de intrare cu aceeași amplitudine și de frecvență diferită (cele albastre). Semnalul din stânga are o frecvență de 1kHz iar cel din dreapta de 8kHz. Pentru fiecare, după cum se vede și în figură, semnalul de ieșire, cel verde, are aceeași frecvență dar amplitudine diferită. Cu alte cuvinte sunetul provocat de semnalul de la ieșire va avea intensitate mai mică decât cel de la intrare.

Ultimele două teste s-au făcut pentru semnale cu o frecvență de 20kHz ce prezintă limita superioară la care urechea umană poate detecta sunetele și cu o frecvență de 50kHz peste pragul auzului, acesta intrând în domeniul ultrasunetelor. Rezultatele testelor se pot observa în Figura 5.4.3.

Figura 5.4.3 Semnale cu frecvența de 20kHz(stânga) respectiv 50kHz(dreapta)

După cum se observă și în figura de mai sus, semnalele cu o frecvență începând de la 20kHz la ieșire vor fi distorsionate.

Capitolul 6. Concluzii

6.1 Obiective realizate și probleme întâmpinate

Pe tot parcursul procesului de dezvoltare, testare și implementare am reușit să finalizez toate obiectivele propuse. Obiectivele care au stat la baza realizării proiectului sunt:

Realizarea unui dispozitiv ce poate transmite un semnal audio cu ajutorul fasciculului laser;

Realizarea unui mecanism al cărui rol este de a poziționa laserul de transmisie în direcția corectă pentru a realiza transmisiunea;

Realizarea unui dispozitiv capabil să recepționeze semnalul transmis pe baza laserului și să fie redat cu ajutorul unui dispozitiv special;

Rezultatul primelor două obiective constă în realizare transmițătorului ce se ocupă atât cu transmiterea semnalului audio cât și cu poziționarea laserului de transmisie. Cel de-al treilea obiectiv a rezultat în crearea dispozitivului receptor, a cărui funcționalitate este aceea de a recepta semnalul transmis și de a-l reda către un dispozitiv audio, dispozitiv încadrat în același mecanism cu receptorul.

Ducând la bun sfârșit aceste obiective, am realizat un sistem ce se ocupă cu poziționarea transmițătorului în funcție de mișcarea receptorului într-o comunicație prin laser.

Ca în orice proiect realizat cu succes, unde la un moment dat au fost întâmpinate diferit tipuri de probleme, așa și în cazul proiectului de față dificultățile nu au încetat să apară.

O primă dificultate întâmpinată a fost alimentarea transmițătorului. Având în vedere că inițial ansamblul se alimenta la o baterie de 9V, curentul furnizat de aceasta nu era suficient pentru funcționarea corectă a servomotorului. Acest neajuns a fost înlăturat prin conectarea servomotorului la o sursă externă de 5V curent continuu.

O altă problemă întâmpinată a fost selectarea dispozitivului fotoreceptor pentru recepționarea semnalului. În primă fază am încercat folosirea unui fototranzistor dar răspunsul acestuia nu era adecvat, calitatea sunetului fiind perturbată de lumina ambientală. De asemenea am încercat o gamă larga de fotodiode, majoritatea dintre ele nefiind pe placul așteptărilor mele cu excepția fotodiodei BPW-34 pe care am și folosit-o.

Munca la partea mecanică a reprezentat o problemă majoră, acesta fiind dificilă si de lungă durată, datorită faptului că nu am dispus de echipamente adecvate de prelucrare.

6.2. Utilitatea sistemului

Sistemul dezvoltat poate fi folosit pentru transmiterea anumitor informații cu o viteză foarte mare fără să poată fi interceptată comunicația.

Cu ajutorul unei aplicații asemănătoare dar cu o dezvoltare mult mai amplă se pot transmite informațiile în domeniu militar. De exemplu, poate ține loc de rețea de comunicație între forțele terestre ce se află în mișcare sau pe câmpul de conflict, fără ca transmisiunile să poată fi interceptate.

Sistemul poate fi folosit si pe axa aer-pământ pentru transmiterea informațiilor, de exemplu se pot transmite diferite informații cu ajutorul laserului din avioane, depinzând bineînțeles și de turbulențele atmosferice.

Principiul acestui sistem poate fi folosit de asemenea la comunicația între sateliții artificiali ce se găsesc în afara atmosferei Pământului, între sateliți și Pământ sau viceversa. Având în vedere că în afara atmosferei nu există nici un fel de turbulențe ce pot împiedica raza laser să ajungă la receptor, comunicația poate avea loc fără probleme.

6.3. Considerații ale dezvoltării viitoare

Având în vedere că pentru acest proiect am realizat tot ce mi-am propus, sfera funcționalităților ce pot fi dezvoltate pe viitor în cadrul acestuia este extrem de largă. De exemplu o dezvoltare viitoare a proiectului , constă în poziționarea sistemului și pe axa verticală, precizând că în proiectul de față poziționarea se face mono-axial, pe axa orizontală.

De asemenea o dezvoltare viitoare ar fi realizarea unei conexiuni între transmițător și un calculator cu ajutorul interfeței RS232. Beneficiul folosirii acestei interfețe ar fi acela că, pe baza softului implementat pe microcontroler vom putea transmite diferite informații și date prin laser direct de la calculator.

BIBLIOGRAFIE

[LUN92] Lungu, S., Rusu, A. (1992) Dispozitive și circuite electronice Vol. I, UTCN

[TIB01] Tiberiu Ionica, Microprocesoare si microcontrolere (Timișoara 2001, ISBN 973-8145-60-0)

Resurse web

[www1] http://ro.wikipedia.org/wiki/Culoare

[www2] http://www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile/60-laserul.html

http://science.howstuffworks.com/laser.htm

[www3] http://instruct1.cit.cornell.edu/ee476/FinalProjects/s2003/kmc29/index.htm

[www4] http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf

[www5] http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Niculae_Puscas_-_Optica_integrata_si_materiale_optice_-_Curs/cap_10.pdf

[www6] http://rf-opto.etc.tuiasi.ro/docs/opto/LASER.pdf

[www7] http://webstore.iec.ch/preview/info_iec60825-1%7Bed2.0%7Db.pdf

http://www.iec.ch/cgi-bin/procgi.pl/www/iecwww.p?wwwlang=E&wwwprog=cat-det.p&progdb=db1&wartnum=037864

[www8] http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componentes/81521.pdf

[www9] Tom Hammond http://www.elecraft.com/TechNotes/N0SS_SolderNotes/N0SS_SolderNotesV6.pdf

[www10] http://www.jaycar.com.au/images_uploaded/LM158.PDF

[www11] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS006976.PDF

Anexa 1

Anexa 2

BIBLIOGRAFIE

[LUN92] Lungu, S., Rusu, A. (1992) Dispozitive și circuite electronice Vol. I, UTCN

[TIB01] Tiberiu Ionica, Microprocesoare si microcontrolere (Timișoara 2001, ISBN 973-8145-60-0)

Resurse web

[www1] http://ro.wikipedia.org/wiki/Culoare

[www2] http://www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile/60-laserul.html

http://science.howstuffworks.com/laser.htm

[www3] http://instruct1.cit.cornell.edu/ee476/FinalProjects/s2003/kmc29/index.htm

[www4] http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf

[www5] http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Niculae_Puscas_-_Optica_integrata_si_materiale_optice_-_Curs/cap_10.pdf

[www6] http://rf-opto.etc.tuiasi.ro/docs/opto/LASER.pdf

[www7] http://webstore.iec.ch/preview/info_iec60825-1%7Bed2.0%7Db.pdf

http://www.iec.ch/cgi-bin/procgi.pl/www/iecwww.p?wwwlang=E&wwwprog=cat-det.p&progdb=db1&wartnum=037864

[www8] http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componentes/81521.pdf

[www9] Tom Hammond http://www.elecraft.com/TechNotes/N0SS_SolderNotes/N0SS_SolderNotesV6.pdf

[www10] http://www.jaycar.com.au/images_uploaded/LM158.PDF

[www11] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS006976.PDF

Anexa 1

Anexa 2