Sistemul de Masurare Temperatura Si Umiditate

INTRODUCERE

Proiectul de diplomă „Sistem de măsurare și control a temperaturii într-o incintă” a fost elaborat sub îndrumarea Ș.L. dr. Ing. Ionescu Laurențiu, în cadrul Universității din Pitești.

La realizarea sistemului de măsurare temperatură și umiditate s-a utilizat o placă de programare Arduino UNO, dotată cu un microcontroller ATmega328, un senzor de temperature și umiditate SHT11 și un shield GSM a-gsm v2.68.

Arduino UNO este o platformă de procesare open-source, bazată pe software și

hardware flexibil și ușor de folosit.

Aceasta constă într-o platformă de mici dimensiuni (aproximativ 6.8 cm x 5.3 cm – în

cea mai des întâlnită variantă) construită în jurul unui procesor de semnal.

Platforma este capabilă de a prelua date din mediul înconjurator printr-o serie de senzori

și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoarelor,

și alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris într-un limbaj

de programare care este foarte similar cu limbajul C++.

ATmega328 este un microcontroller CMOS pe 8 biți de mică putere, bazat pe o arhitectură AVR. Prin executarea instrucțiunilor puternice intr-un singur ciclu de ceas

microcontroller-ul reușește să aibă capacități de procesare apropiate de 1 MIPS pe MHz,

permițând proiectantului sistemului să optimizeze consumul de putere în raport cu viteza de

procesare.

Senzorul SHT11 este un senzor de temperatură și umiditate middle-cost, de bază. Acesta utilizează un senzor capacitiv de umiditate și un termistor pentru a măsura temperatura

mediului ambiant. Semnalul de ieșire al senzorului este digital, nefiind necesari pini de intrare

analogi. Domeniul de temperatură al senzorului SHT11 este -40 ÷ 60 oC, iar domeniul de

umiditate este 0 ÷ 100 %RH.

Pentru verificarea funcționalității si exactității datelor obținute de la sistemul măsurare

temperatură și umiditate realizat am folosit, ca și aparat de măsură etalon, un multimetru care

folosește pentru măsurarea umiditătții un senzor capacitiv de umiditate și un termocuplu

pentru măsurarea temperaturii. Ca și probe de măsurat am utilizat cinci tipuri diferite de

granule de polipropilenă, care au cerințe de uscare diferite inainte de a fi utilizate în procesul

de injecție mase plastice.

Rezultatele obținute în urma măsurătorilor arată că, în ceea ce privește temperatura,

sistemul de măsurare bazat pe placa de programare Arduino este precis la temperaturi care nu

depășesc cu mult temperatura mediului ambiant. Odată ce temperatura probei măsurate

depășește temperatura mediului ambiant, diferența dintre valorile obținute cu aparatul de

măsură etalon și valorile obținute de la sistemul de măsurare Arduino crește, în plus, sistemul

de măsurare Arduino fiind limitat la o temperatură maximă de 60 oC.

În ceea ce privește umiditate, sistemul de măsurare Arduino, a arătat o precizie ridicată,

comparativ cu cea a aparatului de măsură etalon, ambele sisteme de măsurare utilizând același

tip de senzor capacitiv, avantajele sistemului de măsură Arduino fiind că domeniul de

măsurare umiditate este mai larg decât ce al aparatului etalon ( 0 ÷ 100 %RH – Arduino, 20 ÷

95 %RH – aparat etalon) și că acesta permite afișarea valorilor cu zecimale.

Shield-ul a-gsm este un modul quad band Quectel M85 cu suport pentru GSM/GPRS. Funcționează pe mai multe frecvențe: 850/950/1800/1900 MHz.

CAPITOLUL I

TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ ȘI UMIDITATE – GENERALITĂȚI

TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ

Temperatura reprezintă una din mărimile cel mai des măsurate, acest lucru fiind datorat faptului că în multe procese fizice, chimice, biologice etc., intervine un fenomen de natură termică.

În aplicațiile industriale, aproximativ 40% din măsurători sunt legate de măsurarea valorilor termice.

Traductoarele de temperatură au principiul de funcționare bazat pe dependența de temperatură a anumitor proprietăți fizice sau chimice ale corpurilor.

Un criteriu pe care se face clasificarea traductoarelor de temperatură este modul în care elementul sensibil preia energia din mediul a cărei temperatură o determinăm. Astfel, există traductoare de temperatură cu contact si traductoare de temperatură fără contact.

Traductoarele de temperatură cu contact au elementul sensibil în contact direct cu mediul, energia termică fiind preluată prin conductibilitate sau convecție.

Acest tip de traductoare se clasifică in funcție de principiul de funcționare, astfel:

-traductoare de temperatură bazate pe efectele termomecanice, de exemplu:

– dilatare termică: – cu element sensibil tijă;

– cu element sensibil din bimetal;

– cu element sensibil rezervor cu mercur;

– variația presiunii;

– traductoare de temperatură bazate pe efect termoelectric:

– cu variație a rezistentenței electrice:

– cu element sensibil termorezistent;

– cu element sensibil termistor;

– cu generare de tensiune electrică (termocuplu);

– cu variație a căderii de tensiune pe joncțiuni semiconductoare;

– traductoare de temperatură bazate pe variația frecvenței de rezonanță cu element sensibil cristal de cuarț.

Traductoarele de temperatură fără contact funcționează pe baza radiațiilor emise de corpuri aflate la temperaturi ridicate.

Aceste traductoare pot fi:

– pirometre cu radiație totală;

– pirometre optice cu dispariția filamentului;

– pirometre de culoare.

1.1.1. TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ CU CONTACT, BAZATE PE

EFECTE TERMOMECANICE

Acest tip de traductoare eu elementul sensibil a cărui funcționare se bazează pe proprietatea corpurilor de a-și modifica un parametru (lungime, volum, presiune) sub acțiunea temperaturii mediului în care sunt introduse.

1.1.1.1.TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ CU ELEMENT SENSIBIL TIJĂ

Aceste traductoare își bazează principiul de funcționare pe proprietatea de dilatare liniara a corpurilor.

Fie o tijă metalică de lungime l0 la temperatura Ө0. aceasta va avea lungimea l la temperatura Ө , rezultând relația 1.1.:

(1.1)

unde: med - coeficientul de dilatare liniară medie pe intervalul Ө ÷ Ө0 considerat.

Elementul sensibil al traductorului de temperatură cu tijă este prezentat în figura 1.1.

Figura 1.1. Structura elementului sensibil al traductorului de temperatură cu tijă

Elementele componente sunt:

1 – tub metalic cu coeficient de dilatare mare;

2 – tijă cu coeficient de dilatare mic;

3 – corp de susținere;

4, 5, 6 – pârghii ce alcătuiesc un amplificator mecanic;

7 – resort.

Elementul sensibil este alcătuit dintr-un tub metalic cu coeficient de dilatare mare încastrat într-un corp de susținere. Variația longitudinala provocată de temperatură este transmisă prin intermediul tijei 2, cu coeficient de dilatare mic, către amplificatorul mecanic

realizat cu pârghiile 4, 5 și 6.

Deplasarea unghiulară α a pârghiei 6 este proporțională cu variația temperaturii. Pentru a stabili echilibrul static al ansamblului mecanic de transmisie a mișcării este utilizat resortul 7.

Traductoarele de temperatură cu tijă se utilizeaza pentru un domeniu de temperatură cuprins între 0 oC si 1000 oC, având o precizie de 1 ÷ 5%.

1.1.1.2.TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ BIMETALICE

Acest tip de traductoare își bazează funcționarea pe proprietatea de dilatare a corpurilor.

Se consideră doua metale, 1 și 2, sub formă lamelară cu coeficienți de dilatare diferițiα1 >> α2 lipite la temperatura de referință Ө0.

Datorită variației de temperatură ΔӨ = Ө – Ө0 , deplasarea d a capătului liber este definită de relația 1.2.:

(1.2)

unde: l – lungimea bimetalului;

x – grosimea bimetalului;

K12 – constanta ce depinde de diferența coeficienților α1 – α2.

Figura 1.2. Construcția traductorului de temperatură bimetalic

Bimetalul folosit la construcția traductoarelor de temperatură descrise mai sus se realizează din aliaje metalice (fier – nichel – crom ) pentru lamela cu coeficient mare de

dilatare termică și invar pentru lamela cu coeficient mic de dilatare termică.

Domeniul de utilizare al traductoarelor de temperatură bimetalice este cuprins între – 100 ÷ 600 oC, cu precizia de 1 ÷ 6 %.

1.1.1.3.TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ CU REZERVOR DE MERCUR

Traductoarele de temperatură cu rezervor de mercur își bazează funcționarea pe fenomenul de dilatare volumetrică a lichidelor aflate în incinte prevăzute cu contacte.

Corpurile termometrice des-întâlnite pentru aceste tipuri de termometre sunt: mercurul,

toluenul, alcoolul etilic, etc. Mercurul este cel mai răpândit corp termometric utilizat la termometrele de sticlă cu lichid.

Termometrele cu lichid se folosesc într-o gamă variată de domenii în industrie,

laboratoare, medicină, în corpuri casnice, existând o multitudine de forme si aspecte ale rezervorului.

Din punct de vedere constructiv, un termometru este format din următoarele elemente:

– rezervor capilar (aflat în continuarea rezervorului și fiind confecționat din aceelasi

tip de sticlă);

– scală gradată (confecționată din sticlă mată și fixată în dreptul capilarului);

– învelișul de sticlă (protecția capilarului și a scalei).

Volumul lichidului la temperatura Ө se calculează cu relația 1.3.:

(1.3)

unde: V0 – volumul lichidului la temperatura Ө0;

V- volumul lichidului la temperatura Ө;

med - coeficientul mediu de dilatare volumică a lichidului în intervalul de temperatură Ө ÷ Ө0.

Figura 1.3. Construcția unui traductor de temperatură cu rezervor de mercur

unde: 1 – rezervor cu lichid;

2 – tub capilar;

3 – scală gradată;

4 – înveliș de sticlă.

1.1.2. TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ CU CONTACT BAZATE PE

EFECTE TERMOELECTRICE

1.1.2.1.TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ CU TERMOCUPLURI

Aceste traductoare au la baza la principiului de funcționare fenomene ca Seebeck,

Thomson sau Peltier.

Pentru a pune in evidență efectul Seebeck se consideră un sistem de conductoare

metodice diferite aflate la temperaturi diferite, de aici rezultă că ia naștere o tensiune electromotoare a cărei valoare depinde de temperatura joncțiunilor și natura conductoarelor.

Figura 1.4. Conductor metalic

Fie un conductor metalic, cu capetele A și B.

Dacă la capătul A se menține temperatura TA și la capătul B este menținută temperatura la TB > TA , atunci electronii din capătul B se încarcă cu sarcina pozitivă ( + ).

Astfel ia naștere o tensiune electromotoare, dată de următoarea relație 1.4.:

(1.4)

unde: S – coeficientul Seebeck.

Termocuplul își bazează funcționarea pe efectul Seebeck și este realizat din două conductoare omogene, care se mai numesc și termoelectrozi.

Termocuplul este realizat cu unul sau două puncte de sudură.

Dacă cei doi termoelectrozi sunt plasați la temperaturi diferite T1, T2 rezultă o tensiune

electromotoare cu valoarea, dată de relația 1.5.:

(1.5)

Figura 1.5. Construcția unui termocuplu

Termoelectrozii pot fi confecționați din:

– cupru-constantan;

– fier-constantan;

– crom-constantan.

Firele de conexiune trebuie realizate din același material care s-a folosit la construcția

termocuplului. Dacă acest lucru nu se poate realiza, firele de conexiune sunt alese astfel încât

tensiunea electromotoare generată sa fie neglijabilă.

Pentru a determina temperatura se consideră T1=Tref și de aici rezultă T2 citind

tensiunea U.

La utilizarea termocuplului trebuie rezolvate următoarele probleme:

– realizarea unei legături între traductor și circuitul de măsurare;

– asigurarea unei temperaturi de referință precise.

Pentru a compensa variațiile de temperatură a referinței se folosește o schemă de

compensare, cu termistor conectat într-o punte alimentată de la o sursă de tensiune E, ca cea din figura de mai jos.

Figura 1.6. Schemă de compensare a variațiilor de temperatură a referinței

Atunci când se află la temperatura de refeință, puntea se găsește la echilibru și UAB=0.

Dacă temperatura mediului ambiant se modifică, puntea se dezechilibrează astfel

rezultând o tensiune de dezechilibru, dată de relația 1.6.:

(1.6)

Alegând convenabil RT se poate realiza o compensare a tensiunii electromotoare

datorită modificării mediului ambiant.

În tabelul 1 sunt sunt prezentate principalele tipuri de termocupluri și caracteristicile

acestora:

Tabelul 1.1.:

Cromelul este un aliaj Ni-Cr-Fe-Mn, alumelul este un aliaj Ni-Mn-Al-Si-Fe, iar constantanul este un aliaj Cu-Ni.

Principalele avantaje ale termocuplurilor sunt:

– gamă mare de temperaturi (-190 ÷ +1820 oC);

– rezistență la șocuri și vibrații;

– dimensiuni reduse;

– timp mic de răspuns.

1.1.2.2.TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ CU ELEMENTE SENSIBILE

REZISTIVE

Elementele sensibile rezisitve își bazează funcționarea pe proprietatea unor materiale

de a-și modifica rezistența electrică în funcție de temperatura mediului de lucru în care sunt

imersate.

În funcție de materialul din care este realizat elementul sensibil, se pot distinge:

– termorezistențele

– termistoarele.

1.1.2.2.1. TERMOREZISTENȚELE

Termorezistențele se obțin prin bobinarea antiinductivă pe un suport izolant, rezistent

la variații mari ale temperaturii. Elementul sensibil se introduce in teci de protecție, prevăzute

cu dispozitive de prindere și cuii de borne.

Figura 1.7. Construcția termorezistenței

Termorezistențele pot fi realizate din cupru, nichel, wolfram, însă cel mai utilizat

material în realizarea termorezistențelor este platina, datorită punctului de topire ridicat,

respectiv 1772 oC.

Legătura dintre rezistența termorezistenței de platină RӨ și temperatura Ө pentru domeniul de temperatură 0 ÷ 630,74 oC este dată de formula 1.7.:

(1.7)

unde: A=3,98*10-3grad-1 și B=-5,8*10-7grad-2 sunt constante.

Avantajele termorezistențelor sunt:

– repetabilitate și stabilitate (termometrul cu termorezistență de Pt este folosit ca

instrument standard);

– sensibilitate mai mare decât la termocupluri ( termorezistoarele de Pt si Cu dau

răspuns mai liniar decât termocuplurile);

– flexibilitate;

– folosesc fire de legătură de Cu și nu necesită compensări suplimentare.

1.1.2.2.2. TERMISTOARELE

Termistoarele sunt materiale semiconductoare care au proprietatea de a-și modifica

rezistența electrică sub acțiunea unor variații reduse de temperatură.

Sensibilitatea termistoarelor este de 8 ÷ 10 ori mai mare decât cea a termorezistențelor.

Relația de mai jos arată dependența rezistenței termistorului de temperatură:

(1.8)

unde: RT, R0 – rezistențele termistorului la temperaturile T1, T0.

Coeficientul de variație cu temperatura se calculeaza cu relația 1.9.:

(1.9)

Caracterisitca de transfer R=f(T) este prezentată în figura urmatoare.

1 – termistor cu coeficient α < 0;

2 – termisotr cu coeficient α > 0.

Figura 1.8. Caracteristica de transfer R=f(T)

1.1.3. TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ CU DISPOZITIVE

SEMICONDUCTOARE

Principiul de funcționare al acestor traductoare se bazează pe dependența de

temperatură a tensiunii directe, în cazul unei diode semiconductoare sau a tensiunii bază –

emitor în cazul unui tranzistor atunci când acestea sunt străbătute de curent.

1.1.3.1.DIODA SEMICONDUCTOARE

Dioda semiconductoare poate fi utilizată ca element sensibil de temperatură, dependența dintre curentul prin joncțiune IA și tensiunea direct polarizată UA fiind dată de de relația 1.10.:

(1.10)

unde: IS – curentul de saturație;

q – masa electronului;

K – constanta lui Balzman;

m – coeficient ce ia valori între 1 și 2;

T – temperatura absolută.

Dependența de temperatură a tensiunii directe la o diodă străbătută de curent constant este exprimată în figura următoare:

Figura 1.9. Dependența de temperatură a tensiunii directe de la o diodă

Semiconductoare

Sensibilitatea unei diode semiconductoare este 2 ÷ 2,5 mv/oC aceasta fiind utilizată în

domeniul de temperatură -20 ÷ 120 oC.

1.1.3.2.TRANZISTORUL BIPOLAR

Tranzistorul bipolar poate fi utilizat ca element sensibil de temperatură luând în

considerație dependența curentului de colector IC funcție de tensiunea bază emitor UBE, în cazul în care UCE este suficient de mare și UE » KT/2 în conexiunea emitor comun.

Figura 1.10. Conexiune emitor comun a tranzistorului bipolar

(1.11)

unde: αF – factor de amplificare în curent direct;

IES – curent de saturație al diodei emitor bază măsurat cu colectorul scurtcircuitat la bază.

1.1.4. SENZORI INTEGRAȚI DE TEMPERATURĂ

Senzorii integrați de temperatură folosesc tranzistoare funcționând la densități diferite ale curentului de colector astfel încât diferența dintre tensiunile de bază emitor a două tranzistoare este direct proporțională cu temperatura absolută.

1.1.4.1.TERMOREZISTOARE INTEGRATE CU PELICULĂ SUBȚIRE

În tehnologia siliciului, valorile absolute alre rezistențelor au toleranțe mari (± 20% ),

însă împerecherea raportului a două rezistențe este foarte bună (± 0,1 % ).

De aceea, pentru rezistoarele integrate, schema tipică de măsurare este în punte.

Temperaturile măsurate se află în gama – 50 ÷ +180 oC.

Termorezistoarele cu straturi subțiri au avantajul unei game de temperaturi mai mari,

materialele utilizate la construcția acestora fiind polisiliciul si platină.

Termorezistorul de platină, tip Pt 100, are valoarea rezistenței 100 Ω la temperatura de

0oC și este folosit ca senzor de referință de temperatură. Termorezistorul de tip 1000, cu

rezistența de 1000 Ω la 0oC este folosit pentru curenți de măsurare mai mici.

1.1.4.2.TERMOCUPLURI INTEGRATE

Termocuplurile integrate se bazează pe efectul Seebeck termoelectric și se obțin prin

sudarea la un capăt a doua fire din metale diferite. Se măsoară diferența de temperatură dintre

sudură și capetele libere.

Variația de tensiune la ieșire este direct proporțională cu diferența de temperatură:

(1.12)

unde: αS – coeficientul Seebeck [V/K].

Mai multe termocupluri legate în serie formează o termopilă, ce poate fi realizată din aliaje de tip Si-Al, polisiliciu-Al, polisiliciu-Au, bismut-antimoniu, etc.

Cele mai frecvent întâlnite termopile sunt cele realizate din polisiliciu, datorită compatibilității cu procesele circuitelor integrate standard.

1.1.4.3.TRANZISTOARE INTEGRATE

Dependența de temperatură a joncțiunii p-n din siliciu se folosește ca senzor în diode și

tranzistoare, în configurație cu două terminale (baza și colectorul sunt scurtcircuitate), însă

acuratețea tranzistoarelor este mai bună.

Când tranzistorul este folosit la un curent de colector constant sau proporțional cu temperatura absolută, tensiunea VBE scade aproape liniar cu temperatura, conform relației 1.13.:

(1.13)

unde λ este o constantă ce depinde de densitatea curentului de polarizare și de parametrii de proces iar T este temperatura absolută. Sensibilitatea tranzistorului este de ordinul -2mV/K.

Când se scurcircuitează baza și colectorul, se obține o variație logaritmică a tensiunii

de joncțiune:

(1.14)

unde: IC – curentul de colector;

AE – suprafața emitorului;

JS – densitatea curentului de saturație ce depinde de profilul de dopare;

T – temperatura absolută;

q – sarcina electronului;

k – constanta lui Boltzmann (k/q=86,17 μV/K).

1.1.5. TERMOMETRE ÎN INFRAROȘU

Termometrele în infraroșu (IR) măsoară temperaturi fără contact cu obiectul de măsurat, cu un timp de răspuns de ordinul milisecundelor.

În cazul termometrului în infraroșu nu interesează conductivitatea termică a obiectului

măsurat, factorii importanți fiind:

– vederea directă între termometrul în IR si obiectul de măsurat;

– elementele optice trebuie să fie protejate împotriva prafului și condensului;

– termometrele în IR măsoară doar temperatura suprafețelor, radiația termică depinzând de materialul obiectului măsurat și de gradul de finisare a suprafeței.

Teoria radiației infraroșu se bazează pe pricipiul că toate corpurile cu temperatură mai

mare de 0 absolut ( 0K = -273,16oC ) radiază energie.

Căldura din aceste corpuri determină vibrații moleculare care induc vibrații electronice,

deci emisie electromegnetică.

Amplitudinea radiației depinde de emisivitatea corpului, ce se definește ca raportul

între energia radiată de un obiect la o anumită temperatură și energia emisă de un radiator

perfect (corp negru) la aceeași temperatură. Un corp negru este un corp perfect deoarece

emite toată radiația termică primită.

Din punct de vedere constructiv, termometrele în infraroșu sunt instrumente portabile,

cu afișaj numeric, dotate cu microcontroller pentru compensare și calibrare și senzori

sensibili în infraroșu. Acest tip de termometre realizează măsurători rapide și fără contact cu

obiectul de măsurat pentru temperaturi de -40 ÷ + 1700 oC, obiectul de măsurat putând avea

dimensiuni foarte mici.

Termometrele moderne în infraroșu au ca parte analogică fotodetectoarele și preamplificatoarele, în rest ca toate celelalte circuite sunt numerice, ieșirile fiind analogice și / sau numerice.

Cele mai folosite termometre în infraroșu sunt cele cu două lungimi de undă. Legăturile

de date permit transferul de date între termometre în infraroșu , calculatoare și alte instrumente și dispozitive de control.

Interfețele standard cele mai utilizate sunt cele serie, RS-232 sau RS -485.

1.1.6. PIROMETRE

Pirometrele se folosesc la măsurarea temperaturilor mari, în general peste 1000 oC, pe

baza radiației totale, parțiale sau monocromatice emise de corpurile măsurate.

1.1.6.1.PIROMETRE DE RADIAȚIE TOTALĂ

Pirometrele de radiație totală se compund dintr-un sistem optic și un sistem electrice de

măsurare, închise într-o carcasă metalică denumită lunetă. Sistemul optic este format din

lentile obiectiv și ocular și diafragme. Sistemul electric de măsurare este alcătuit din

termopile, montate cu joncțiunile de măsurare pe plăcuțe receptoare de radiații din platină

înegrită, centrate axul lunetei.

Figura 1.11. Construcție pirometru cu radiație totală.

1 – corpul pirometrului;

2 – tubul obiectiv;

3 – lentila;

4 – diafragma;

5 – tubul ocular telescopic;

6 – lentila ocular;

7 – filtru de protecție (se interpune pe axul optic la măsurarea temperaturilor înalte);

8 – termopilă;

9 – milivoltmetru (acesta poate fi indicator, înregistrator sau regulator).

1.1.6.2.PIROMETRE CU RADIAȚIE PARȚIALĂ

Pirometrul optic cu filament funcționează pe baza comparării, prin intermediul ochiului, a densității spectrale a luminanței energetice a corpului măsurat, cu luminanța spectrală variabilă a unei lămpi cu incandescență.

Curentul prin filament dă informația de temperatură a corpului.

Pirometrul fotoelectric măsoară densitatea spectrală a emitanței energetice a corpurilor,

utilizând fotodetectoare în benzi de câțiva μm în jurul unei anumite lingimi de undă.

În general se folosesc două fotodetectoare identice pentru măsurare, pentru eliminarea

inconvenientului recalibrărilor periodice.

Pirometrele de culoare funcționează pe baza raportului densităților spectrale ale

emitanțelor energetice, pe două lungimi de undă ale radiaților corpului a cărui temperatură se măsoară.

Radiațiile sunt trecute printr-un disc rotitor prevăzut cu filtre de culoare pentru cele două lungimi de undă, de exemplu roșu și verde. Semnalul electric de la fotodetector, cu faza variabilă în funcție de lungimea de undă la care emitanța energetică este maximă, este amplificat si aplicat unui servomotor care deplasează un filtru colorat în calea radiațiilor până la obținerea egalității emitanțelor spectrale pentru cele două lungimi de undă.

1.1.7. TERMOGRAFIE ÎN ROȘU

Termografia în roșu cuprinde echipamentele de preluare a imaginilor termice în infraroșu, care au următoarele utilizări:

– inspecția sistemelor electrice, în scopul depistării conexiunilor calde sau reci sub limită:

– monitorizarea proceselor;

– analize ale plăcilor de circuite electronice, etc.

Un astfel de sistem de termografie în IR este compus din un captator termic de imagini în IR, o placă de achiziție de imagini, un soft pentru procesarea imaginilor și un monitor video.

Măsurătorile se realizează în doua benzi spectrale: 3…5 μm și 8…12 μm, datorită transmisiei bune a radiației infraroșu prin atmosferă, în aceste două benzi de lungimi de undă.

Informația colectată trebuie corectată, în așa fel încât temperatura măsurată să fie funcție numai de temperatura obiectului măsurat.

Este necesar să se țină seama de dimensiunile obiectului măsurat. Pentru un obiect a cărui imagine spectrală pe fotodetector este mai mică decât fotodetectorul, scannerul va măsura o temperatură care este medie a temperaturii obiectului și mediului înconjurător.

Pentru mărirea rezoluției, se folosește un sistem optic de mărire a imaginii obiectului și

nu o amplificare electronică a semnalului. Astfel se elimină efectele difracțiilor optice,

umbriri sau aberații.

Rezultatele măsurătorilor nu vor fi identice în cele două lungimi de undă. Acestea

diferă datorită condițiilor atmosferice, distanței până la obiect, radiației obiectelor

înconjurătoare, tipului de obiect măsurat.

Toate aceste condiții specifice aplicației sunt compensate cu ajutorul programului

software din sistemul de procesare imagini.

Scanerele în IR pot fi de două feluri:

– cu suprafețe de fotodiode care necesită răcire la temperaturi criogenice, sunt

scumpe, se folosesc în laborator și lucrează în banda 3…5 μm;

– cu suprafețe de fotodiode la temperatura camerei, lucrează în banda 0,9…2,5 μm,

cu diferențe de temperaturi echivalente de zgomot de 1oC.

TRADUCTOARE DE UMIDITATE

Umididtatea reprezintă conținutul de apă dintr-un material solid, lichid sau gazos.

Umiditatea materialelor solide sau lichide se exprimă ca umiditate relativă, iar măsurarea acesteia se realizează cu umidmetre. Măsurarea umidității gazelor se realizează cu higrometre.

Există mai multe tipuri de traductoare de umiditate, respectiv:

– macromoleculari;

– cu oscilator cu cuarț;

– cu infraroșu.

Umidmetrele electronice se pot grupa în:

– umidmetre bazate pe măsurarea caracteristicilor electrice ale corpurilor , în funcție

de conținutul lor de apă (conductivitate, permitivitate, etc.);

– umidmetre în infraroșu, bazate pe absorbția relativă a energiei infraroșii de către

corpurile umede.

Variația de rezistivitate a materialelor solide, care în stare uscată sunt izolante, sunt de

forma p ≈ (umiditatea)-n , unde n = 8 ÷ 16, în funcție de natura materialului.

În ceea ce privește lichidele sau pulberile, permitivitatea dielectrică are dependență

liniară de concentrația volumetrică a apei.

Umiditatea gazelor este determinată prin măsurarea permitivității dielectrice (care

crește o data cu creșterea conținutului de apă), prin variația rezistenței sau capacității electrice

a senzorului datoriă absorbției de apă din gaz.

1.2.1. TRADUCTOARE DE UMIDITATE CU OSCILATOR CU CUARȚ

Acest tip de traductoare își bazează funcționarea pe proprietatea oscilatorului a cărui

frecvență de rezonanță variază cu grosimea și densitatea cuarțului.

Umiditatea din aer conduce la apariția unei cantități de vapori care se fixează pe oscilator prin intermediul unei membrane de absorbție a umidității depusă pe suprafața cuarțului.

Structura traductorului de umiditate cu cuarț este prezentată în figura 1.12.

Figura 1.12. Traductor de umiditate cu oscilator cu cuarț

Se notează cu ƒ0 frecvența de rezonanță a senzorului într-un mediu uscat.

În mediu cu umiditate, masa membranei absorbante se mărește iar densitatea aparentă ρ a senzorului variază Δρ=ρ-ρ0 de unde rezultă că variația frecvenței de oscilație este:

(1.15)

Frecvența de rezonanță se calculează cu formula 1.16.:

(1.16)

Schema bloc a unui traductor de umiditate cu oscilator cu cuarț este prezentată in figura 1.13.

Figura 1.13. Schema bloc a unui traductor de umiditate cu oscilator cu cuarț

Traductorul de umiditate cu oscilator cu cuarț are următoarele caracteristici metrologice:

– domeniul de măsurare între 0 ÷ 100 % umiditate relativă;

– exactitate ± 5 %;

– temperatură de lucru 0 ÷ 50 oC;

– frecvență de rezonanță a cuarțului de ordinul 10 Mhz.

Acest tip de traductor se utilizează în domeniul medical (la incubatoare, operații

chirurgicale, etc.).

1.2.2. SENZORI DE UMIDITATE MACROMOLECULARI

Acest tip de senzor își bazează funcționarea pe modificarea capacității și a rezistenței ca urmare a modificării premitivității, respectiv a rezistivității la variația umidității.

1.2.2.1.SENZORI DE UMIDITATE MACROMOLECULARI CU VARIAȚIA

CAPACITĂȚII

Acest tip de senzor este format din electrozii superiori si electrozii inferiori, între care este dispusă o membrană de rășină care își modifică proprietățile dielectrice funcție de umiditate.

Construcția unui senzor de umiditate macormolecular cu variația capacității este

prezentată în figura 1.14.

Figura 1.14. Construcția unui senzor de umiditate macromolecular cu variația capacității

Modificarea umidității va conduce la modificarea permitivității dielectrice a membranei și implicit la modificarea capacității senzorului.

1.2.2.2.SENZORI DE UMIDITATE MACROMOLECULARI CU VARIAȚIA

REZISTENȚEI

Senzorul de umiditate macromolecular cu variația rezistenței este alcătuit din electrozi sub formă de dinți, care sunt dispuși pe un suport de oxid de aluminiu, deasupra acestora fiind

dispusă o membrană macromoleculară conductoare.

Membrana macromoleculară își modifică proprietățile odată cu modificarea umidității

conducând la modificarea rezistenței senzorului.

Figura 1.15. Construcția unui senzor de umiditate macromolecular rezistiv

Caracteristicile metrologice ale unui senzor de umiditate macromolecular rezisitv sunt:

– sensibilitate redusă în cazul senzorului cu variația capacității și o sensibilitate bună în cazul senzorului cu variația rezistenței;

– exactitate ridicată;

– nu lucrează bine la temperaturi ridicate.

Acest tip de traductor se utilizează în industria cerealelor (cereale, fân, bumbac), respectiv la măsurarea umidității în industria hârtiei, lemnului, pielăriei.

1.2.3. UMIDMETRE ÎN INFRAROȘU

Principiul de măsurare al umidmetrelor în infraroșu se bazează pe absorbția apei din

anumite lungimi de undă din spectrul infraroșu (NIR).

Această metodă de măsurare este fără contact, online, nedistructiv asigurând o exactitate deosebită.

Această tehincă focalizează o rază luminoasă (NIR) asupra unui obiect în mișcare sau

staționar, iar legăturile organice de tipul O-H existente în materialele organice, absorb lumina

NIR proporțional cu numărul de molecule întâlnite cu această configurație.

Un detector de mare sensibilitate măsoară lumina reflectată, pe care apoi o compară cu

cea incidentă, iar un microprocesor o transformă în unități de compoziție (umiditate).

Figura 1.16. Umidmetru în infraroșu

Traductorul este dispus într-o carcasă robustă putând fi montat într-un mediu cu mult

praf, agresiv. Acest tip de traductor este foarte fiabil și stabil.

Caracteristicile umidmetrului în infraroșu sunt:

– domeniul de măsurare cuprins între 0 ÷ 60 % H2O;

– eroarea de măsurare cuprinsă între ± 0,1 ÷ 0,5 %;

– semnalul de ieșire este cuprins între 4 ÷ 20 mA / RS232.

Domeniile în care se utilizează acest tip de traductor sunt:

– măsurarea umidității în argilă;

– măsurarea umidității în hârtie;

– măsurarea umidității în particule;

– măsurarea umidității în pulbere;

– măsurarea umidității în tutun.

1.2.4. TRADUCTOARE PENTRU MĂSURAREA UMIDITĂȚII GAZELOR

Pentru a calibra instrumentele de măsură a umidității se utilizează următoarele standarde:

– standarde primare;

– standarde de transfer;

– standarde secundare.

1.2.4.1.STANDARDE PRIMARE DE UMIDITATE

Aceste standarde se bazează pe principii fundamentale și unități de măsură de bază.

Instrumentul standard folosit de laboratoarele de calibrare pentru măsurarea umidității este

higrometrul gravimetric.

Principiul de măsurare este prezentat în continuare: o cantitate de gaz uscat este cântărită și comparată cu greutatea gazului de test, cu același volum. Întâi se determină cantiatea de apă iar apoi este calculată presiunea vaporilor. Precizia măsurătorilor este bună, dar această metoda este dificilă și scumpă.

Atunci când nivelele de umiditate sunt scăzute, dispozitivul are nevoie de mai multe ore

de funcționare pentru a obține un eșantion destul de mare, tocmai din acest motiv nefiind un

sistem practic ce poate fi utilizat zilnic. La nivele mai scăzute de umiditate și acuratețe mai

slabă, se utilizează ca standarde primare generatoare cu două temperaturi, generatoare cu două presiuni.

1.2.4.2.STANDARDE DE TRANSFER DE UMIDITATE

Standardele de transfer de umiditate se bazează pe principii fundamentale și au rezultate

bune, stabile și repetabile, dacă sunt utilizate corect.

Ca și standarde de transfer se utilizează:

– higrometrul cu oglindă răcită;

– higrometrul electrolitic;

– psihrometrul.

1.2.4.2.1. HIGROMETRUL CU OGLINDĂ RĂCITĂ

Higrometrul cu oglină răcită folosește o suprafață oglindă, aflată în contact cu debitul de

gaz care trebuie monitorizat, care este răcită până se formează condens. Temperatura la care

se formează condensul se numește punct de rouă sau punct de înghețare al gazului și depinde de presiunea vaporilor saturați de apă ai eșantionului.

Orice parametru echivalent higrometric se poate calcula, cu condiția să fie cunoscute

alte informații ca: presiunea și temperatura gazului. Oglinda este încălzită și răcită electric cu

o pompă de căldură termoelectrică. Temperatura oglinzii se măsoară cu o termorezistență bobinată, legată într-o schema de măsurare cu 4 fire, fixată sau inclusă în oglindă.

Punctul de rouă reprezintă valoarea la care trebuie să scadă temperatura, la o presiune

constantă, a unui gaz umed, pentru a satura vaporii de apă.

Metoda punctului de rouă folosește relația dintre presiunea de saturație a vaporilor de

apă ps și temperatură. Independent de temperatura ambiantă Ta , presiunea vaporilor pv este

exprimată de temperatura punctului de rouă Tr , pentru care:

(1.17)

O alternativă la detectarea vizuală a picăturilor este utilizarea unui senzor capacitiv pe

un element Peltier și detectarea variației de capacitate între două perechi de electrozi cu

structură interdigitală. În momentul în care are loc condensarea, impedanța dintre electrozi

scade brusc, datoriă creșterii constantei dielectrice, care variază între 1 – pentru are umed și

80 – pentru apă.

Avantajele detecției electrice a picăturilor de rouă în comparație cu detecția optică sunt

dimensiunile de gabarit mai mici, datorată structurii plate și construcția mai simplă.

Aceste proprietăți facilitează construirea traductoarelor de umiditate sub formă de sonde, care pot fi introduse în interiorul conductelor sau vaselor care conțin gazele umede ce

necesită măsurate.

Traductorul de umiditate tip sondă nu necesită pompă de aer. Structurile capacitive

plane sunt obținute în tehnologia siliciului, astfel fiind permisă integrarea unui senzor de

temperatură, în același ansamblu.

1.2.4.2.2. HIGROMETRUL ELECTROLITIC

Acest traductor folosește principiile legii electrolizei a lui Faraday pentru a determina

cantitatea de umezeală dintr-un debit de gaz. Vaporii de apă din gaz trec prin celula de

măsurare a instrumentului și, în urma electrolizei, sunt separați în H2 și O2.

Curentul consumat în acest proces depinde de cantiatea de apă supusă electrolizei.

Presupunând că celula convertește toată cantitatea de apă din debitul de gaz, măsurarea

curentului reprezintă o măsură absolută a conținutului de umezeală.

La măsurarea electrolitică a umezelii din gazele naturale, senzorul electrolitic constă în

două fire bobinate pe un suport izolator. Spațiul dintre fire este umplut cu un electrolit într-un

strat subțire, care absoarbe vaporii de apă din gaz.

Măsurarea umidității gazelor naturale se poate realiza și prin alte tehnici: punctul de

rouă, tehnici capacitive, conductivitate, titrare, cromatografie.

1.2.4.2.3. PSIHROMETRUL

Diferența de temperatură psihrometrică se măsoară cu ajutorul a doi senzori de

temperatură: unul uscat și unul umed, expuși simultan la un jet de gaz umed.

Într-un psihrometrul cu balon uscat sau umed se evaporă apă pură dintr-un tampon care

înconjoară sonda de temperatură, plasată în curentul de gaz care trece peste tampon la o

anumită viteză.

După evaporare, temperatura balonului umed scade proporțional cu umiditatea relativă a

gazului.

Deoarece diferența de temperatură depinde de căldura de evaporare a apei, dacă toți

parametrii de măsurare sunt cunoscuți, se poate determina presiunea absolută a vaporilor de

apă.

Această tehnică este utilizată destul de rar, datoriă numărului mare de variabile care

influențează rezultatele măsurătorilor și care trebuie controlate cu acuratețe.

1.2.4.3.STANDARDE SECUNDARE DE UMIDITATE

Aceste standarde nu sunt instrumente fundamentale și trebuie calibrate frecvent, folosind un standard de transfer sau un alt sistem fundamental. Sistemele secundare sunt rar utilizate pentru calibrări de laborator, dar au aplicații în industrie și monitorizarea clădirilor ( ex: aerul condiționat).

Un senzor secundar măsoară variațiile din propriile caracteristici, ca rezultat al expunerii

la un fenomen sau proprietate. Senzorii secundari răspund fie la umiditatea relativă, fie la cea

absolută, prin detectarea:

– variației de lungime a unui material;

– variației de greutate;

– variației de impedanță sau capacitate.

Umiditatea relativă (RH) este raportul dintre presiunea vaporilor de apă, pa , și

presiunea vaporilor saturați, ps la temperatura predominantă a balonului uscat.

(1.18)

Exemple de senzori secundari sunt higrometrele cu variația impedanței și senzori pentru

umiditate relativă cu strat de polimer.

Higrometrele cu variația impedanței se realizează îm trei variante:

– ceramice;

– cu oxid de aluminiu;

– cu oxid de siliciu.

Acestea se bazează pe variația unei mărimi electrice a unui strat poros. Dacă sunt

calibrate și utilizate corect, aceste dispozitive asigura o bună si continuă funcționare.

Acuratețea insă, este slabă o calibrare regulată și ajustări dese fiind necesare.

Senzorii pentru umiditate relativă cu strat de polimer sunt realizați din polimer dielectric

higroscopic și au răspuns electric corespunzător umidității relative (RH).

Au un preț scăzut, dar și aplicații limitate din cauza multiplelor variabile (temperatura,

presiunea, debitul, etc.).

Senzorii secundari pot fi higrometre cu variația impedanței, senzori pentru umiditate

relativă cu strat de polimer, etc.

Primii dintre acestia, higrometrele cu variația impedanței, pot fi realizate în trei variante:

– ceramice;

– cu oxid de aluminiu;

– cu oxid de siliciu.

Higrometrele cu variația impedanței au principiul de funcționare bazat pe variația unei

mărimi electrice ( impedanță, rezistență, capacitate) a unui strat poros. Calibrate și utilizate în

mod corespunzător, acest tip de dispozitive asigură o funcționare continuă bună. Din păcate,

însă, acuratețea este slabă, fiind necesară o calibrare regulată și ajustări dese.

Senzorii pentru umiditate relativă cu strat de polimer sunt realizați dintr-un polimer cu

dielectric higroscopic și au răspuns electric corespunzător umidității relative. Sunt ieftini, dar

au aplicabilitate limitată datorită multiplelor variabile (temperatura, debitul, presiunea, factorii

contaminanți).

1.2.5. GENERATOARE DE UMIDITATE

Generatoarele de mediu cu umiditate cunoscută sunt utilizate la analiza performanțelor

senzorilor de umiditate. Acestea pot fi de mai multe feluri:

– băi cu sare saturată;

– generatoare de umiditate cu debit divizat;

Băile cu sare saturată sunt printre primele modalități de a genera umiditate cunoscută, la

diferite nivele. Valoarea reală a umidității este în funcție de proprietățile chimice ale sării. Cu

toate că o implementare bună a unei băi cu sare este un mediu adecvat pentru testarea

senzorilor de umiditate relativă, aceste băi sunt grele și lente. Băile nu pot fi automatizate iar

senzorii trebuie repoziționați fizic de la o baie la alta, în momentul în care se dorește un alt

nivel al umidității.

Generatoarele de umiditate cu debit divizat se pot realiza în două variante.

Variantele vechi divid debitul, amestecând aer saturat și aer uscat și reglând debitul

ambelor jeturi. Variantele noi divid debitul în domeniul de timp, cu ajutorul unei supape,

alternând debitul de aer uscat și aer saturat cu un ciclu de încărcare corespunzător. Avantajul

dispozitivelor cu funcționare în domeniul de timp este prețul scăzut.

2.1.1 ELEMENTUL SENSIBIL

Elementul sensibil al sistemului de măsurat temperatură și umiditate este un senzor

SHT11. Acesta are rolul de a detecta mărimile de măsurat și a le transmite mai departe plăcii de dezvoltare.

Fig. 2.2. Senzor capacitiv de temperatură și umidtate SHT11

Senzorul SHT11 este un senzor de temperatură și umiditate low-cost, de bază. Acesta

utilizează un senzor capacitiv de umiditate și un termistor pentru a măsura temperatura

mediului ambiant. Semnalul de ieșire al senzorului este digital, nefiind necesari pini de intrare

analogi.

Singurul mare dezavantaj al acestui senzor este faptul că datele pot fi citite doar la

fiecare 2 secunde.

Senzorul aplică exclusiv tehnica colectării semnalului digital astfel aigurând stabilitate și exactitate în cititrea datelor.

Acest senzor este compensat de temperatură și calibrat într-o cameră de calibrare precisă, iar coeficientul de calibrare este este salvat sub formă de program în memoria OTP, astfel încât atunci când senzorul este activat va incărca din memorie acest coeficient.

Specificațiile tehnice ale senzorului sunt prezentate în tabelul 2.1.:

Tabel 2.1. Specificatiile tehnice ale senzorului SHT11

Dimensiunile fizice ale senzorului sunt prezentate în figura 2.3.:

Fig. 2.3. Dimensiunile senzorului SHT11

Secvența pinilor:

Tabelul 2.2. Secventa pinilor

Fig. 2.4. Schema bloc a senzorului SHT11

Pentru comunicarea între senzorul SHT11 și microcontroller este utilizat bus MaxDetect 1-wire.

Ilustrarea unui bus MaxDetect 1-wire:

Datele sunt compuse dintr-o parte întreagă și o parte zecimală, ca în formula următoare:

DATA = 8biti întreg RH data + 8 biși zecimal RH data + 8 biți întreg T data + 8 biți

zecimal data + 8 biți check-sum.

Dacă transmisia de date este corectă, atunci valoarea chech-sum ar trebui să fie:

Check sum = 8 biți întreg RH data + 8 biți zecimal RH data + 8 biți întreg T data + 8 biți

zecimal T data

Exemplu:

Microcontrollerul a primit 40 de biți de date de la DHT22 sub forma:

0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110

16 biți date RH 16 biți date T check sum

Check sum = =0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110

RH = (0000 0010 1000 1100)/10 = 65.2 %RH

T = (0000 0001 0101 1111)/10 = 35.1 oC

Când cel mai mare bit de temperatură are valoarea 1, înseamnă că temperatura se află

sub valoarea de 0 oC.

Exemplu:

1000 0000 0110 0101, T= minus 10.1 oC

16 biți date T

Când microcontrollerul trimite semnalul de start, senzorul își modifică starea din standby în stare de funcționare. Când microcontrollerul a terminat de trimis semnalul de start, senzorul va răspunde cu un semnal de 40 de biți de date care transmit umiditatea relativă și temperatura către microcontroller.

Senzorul va reveni la starea de standby când colectarea de date este completă, în cazul în care nu primește un nou semnal de start de la microcontroller.

În figura de mai jos este prezentată o vedere de generală a procesului de comuncație, intervalul de timp al întregului proces depășind 2 secunde:

Fig. 2.5. Vedere generală a procesului de comuncație între microcontroller și senzor

SHT11

Pasul 1 – Microcontrollerul trimite semnal de start senzorului SHT11 și senzorul SHT11 trimite semnal de răspuns microcontrollerului.

Când comunicația dintre microcontroller și senzor începe, microcontrollerul va avea

semnal jos pe data-bus, acest proces trebuind să fie peste cel puțin 1 ÷ 10 ms pentru a asigura

detecția semnalului microcontrollerului de către senzor, apoi microcontrollerul va aștepta între 20 și 40 μs pentru răspunsul senzorului.

Când senzorul detectează semnalul de start, acesta va avea semnal jos pe bus timp de 80

de μs ca semnal de răspuns, apoi va avea semnal mare pentru 80 de μs pentru pregătirea de

trimitere a datelor.

Fig. 2.6. Formă de undă transmisie date de la microcontroller către senzor și răspuns senzor

Pasul 2 – Senzorul SHT11 trasmite date către microcontroller

Când senzorul SHT11 transmite date către microcontroller, transmisia fiecărui bit va

începe la un nivel de tensiune mic care va dura 50 μs, iar lungimea următorului semnal cu nivel de tensiune mare va decide dacă respectivul „bit” va lua valoare de „0” sau „1”.

Fig. 2.7. Forma de undă pentru transmisie date de la senzor către microcontroller – bit cu

valoare „0”

Fig. 2.8. Forma de undă pentru transmisie date de la senzor către microcontroller – bit cu valoare „1”

Caracteristicile electrice ale senzorului SHT11 sunt prezentate în tabelul 2.3.:

Tabelul 2.3. Caracteristicile electrice ale senzorului SHT11

Condiții de utlizare:

a. nu se recomandă utilizarea senzorului in afara domeniul de umiditate specificat.

Senzorul SHT11 revine la condiții normale de utilizare după o utilizare în afara

parametrilor specificați, dar acest lucru duce la îmbătrânirea senzorului;

b. vaporii din materialele chimice pot interacționa cu elementele sensibile ale

senzorului, ceea ce poate duce la degradarea sensibilității senzorului;

c. umiditatea relativă depinde în mare parte de temperatură, de aceea se utilizează

tehnologia de compensare a temperaturii pentru a asigura o măsurare cât mai

precisă a umidității relative. Se recomandă ca senzorul să fie montat cât mai

departe de componente ce pot duce la modificarea temperaturii;

d. expunerea indelungată la lumină puternică sau ultraviolete pot duce la scăderea

performanței senzorului;

e. calitatea firelor de conexiune pot afecta calitatea si distanța comunicației, astfel

fiind recomandată utlizarea firelor izolate de calitate.

f. Temperatura de sudură trebuie sa fie sub 260 oC; se recomandă evitarea utilizării

senzorului in condiții de roua.

2.1.2. MICROCONTROLLER – PLACA DE DEZVOLTARE ARDUINO

UNO

Arduino UNO este o platformă de procesare open-source, bazată pe software și

hardware flexibil și ușor de folosit.

Aceasta constă într-o platformă de mici dimensiuni (aproximativ 6.8 cm x 5.3 cm – în

cea mai des întâlnită variantă) construită în jurul unui procesor de semnal.

Platforma este capabilă de a prelua date din mediul înconjurator printr-o serie de senzori

și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare,

și alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris într-un limbaj

de programare care este foarte similar cu limbajul C++.

Fig. 2.9. Placă de dezvoltare Arduino UNO

Placa Arduino UNO se conecteaza la portul USB al calculatorului folosind un cablu de

tip USB A-B. Aceasta poate fi alimentată și extern (din priză) folosind un alimentator extern.

Specificatiile tehnice ale plăcii de dezvoltare Arduino UNO sunt prezentate în tabelul 2.4.:

Tabel. 2.4. Specificații tehnice Arduino UNO

Placa de dezvoltare Arduino UNO are la bază un microcontroller ATmega328.

ATmega328 este un microcontroller CMOS pe 8 biți de mică putere, bazat pe o arhitectură AVR. Prin executarea instrucțiunilor puternice intr-un singur ciclu al ceasului

microprocesorul reușește să aibă capacități de procesare apropiate de 1 MIPS pe MHz, permițând proiectantului sistemului să optimizeze consumul de putere în raport cu viteza de

procesare.

Fig. 2.10. Diagramă bloc a microcontroller-ului ATmega328

Nucleul AVR combină un set bogat de instrucțiuni cu 32 de regiștri de funcționare pentru uz general. Toți cei 32 de regiștri sunt conectați direct cu Unitatea Aritmetică Logică (

Artihmetic Logic Unit – ALU ), permițând ca doi regiștri independenți să fie accesați într-o

singură instrucțiune exectuată în cadrul unui ciclu de ceas.

Arhitectura rezultată este mult mai eficientă din punct de vedere al codului, astfel

realizând capacități de procesare de până la zece ori mai rapide decât microcontrolerele convenționale CISC.

Printre caracteristicile microcontroller-ului ATmega328 se pot enumera:

– arhitectura RISC avansată;

– segmente de memorie non-volatile cu rezistență ridicată;

– tensiune de alimentare 1,8 ÷ 5,5 V;

– domeniul de temperaturi la care poate funcționa -40 oC ÷ 100 oC;

– clasa de viteza 0 ÷ 20 MHz la 1,8 ÷ 5,5 V;

– consum de energie scăzut.