Smart home cu aplicații de control automatizat al iluminării [309988]

Universitatea “Politehnica” [anonimizat],Optoelectronică si Nanotehnologii(MON)

Conducători științifici Absolvent: [anonimizat]. [anonimizat] S.A.

2018

CUPRINS:

LISTA FIGURILOR

Fig 2.1 Schema bloc a senzorului de mișcare 12

Fig. 2.1.1a Semnalul de ieșire al senzorului PIR RE200B 13

Fig.2.1.1.b Configurația senzorului PIR RE200B 13

Fig.2.1.1.c Senzorul PIR RE200B 13

Fig. 2.1.1.d Lentila Fresnel 14

Fig. 2.1.2.a Amplificatorul operațional LM324 14

Fig. 2.1.2.b Comparator simplu de tensiune 15

Fig. 2.1.2.d Semnalul de ieșire al unui 16

comparator simplu de tensiune cu tensiunea 16

de referință aplicată pe borna pozitivă 16

Fig. 2.1.2.e Schema echivalenta din Orcad pentru comparatorul simplu de tensiune 16

Fig. 2.1.2.f Schema unui comparator cu histerezis și caracteristica de ieșire 17

Fig. 2.1.3.a NE555 18

Fig. 2.1.3.b Pinii lui NE555 19

Fig.2.1.3.c Schema echivalenta din Orcad pentru NE555 20

Fig. 2.2.2.a Fotorezistor 22

Fig.2.2.2.b Schema din Orcad pentru senzorul de intensitate al luminii 22

Fig. 2.2.2.c Senzor de intensitate a luminii cu punte Wheatston 23

Fig.3.1.a Layerele TOP și BOTTOM 25

Fig.3.1.b Lista fișierelor Gerber generate 25

Fig.5.4.a Schema logică 28

Fig. 5 Schema electrică a circuitului 31

Fig.6 Schema de testare senzor PIR 32

Fig.7 Schema de testare pentru senzorul de intensitate al luminii 32

Fig.8 Gerber TOP Layer 33

Fig. 9 Gerber BOTTOM Layer 33

Fig. 10 Gerber SilkScreen Top Layer 34

Fig. 11 SolderMask Top Layer 34

Fig. 12 SolderMask Bottom Layer 35

[anonimizat]/ Vcc- [anonimizat]- [anonimizat]

τ – constanta de timp

t-[anonimizat](ground)

R-rezistență

C-[anonimizat]-[anonimizat]- [anonimizat]-spate

Introducere

După mai multe analize a consumului de energie electrică de-a lungul anilor s-a observat o creștere foarte mare a acestuia datorită noilor tehnologii și nevoilor oamenilor. [anonimizat]. Astfel omul trebuie să aibe în vedere economisirea consumului pentru a asigura protejarea mediul înconjurător. Totodată omul poate reduce din cheltuielile alocate consumului de energie prin implemetarea unor soluții practice.

O [anonimizat] a [anonimizat] a asigura reducerea consumului de resurse este folosirea unor rețele de senzori care să asigure funcționarea unor dispozitive în anumite condiții. Acest lucru este posibil prin achiziția datelor în timp real pe baza unor algoritmi prestabiliți care să țină cont de gradul de confort și necesitățile omului.

Acest proiect are în vedere eficientizarea consumului de energie electrică dintr-o casă prin folosirea unor senzori de mișcare și de intensitate a luminii ce vor asigura nivelul de iluminare dintr-o casă în funcție de niște scenarii prestabilite. Totodată prezintă un studiu de caz în care se va evidenția necesitatea și beneficiile acestor senzori pentru a rezolva o problemă concretă legată de consumul de emergie și se va face o analiză asupra lor pentru a vedea condițiile de funcționare. Îndeplinirea acestor condiții definește o casă inteligentă deoarece se asigură lumină în funcție de nevoile omului și de nivelul de lumină existent în cameră ceea ce va reduce semnificativ cheltuielile în timp.

Lucrarea este structurată în 5 capitole: introducerea în care se prezintă motivația și scopul alegerii temei. În capitolul 2 se vorbește despre conceptul de smart home, este analizată funcționalitatea acesteia în funcție de necesitățile realizării studiului de caz și se vor evidenția avantajele/dezavantajele, dar se vor discuta și despre toate tipurile de senzori, urmând să se analizeze în mod particular în capitolul 3 senzorii folosiți pentru implementarea acestui proiect. În capitolul 3 se vor analiza și discuta mai mulți tipuri de senzori, în final urmând să se aleagă doar anumiți senzori cu ajutorul cărora se va implementa întregul circuit. În capitolul 4 se va discuta despre realizarea propriu-zisă a circuitului: plasarea componentelor, conectarea acestora și realizarea traseelor cu ajutorului programului ”Orcad Capture Cis Lite” și ”Orcad Pcb Editor Lite”. În capitolul 5 se va vorbi despre mediul de dezvoltare Arduino cu ajutorul căruia am programat circuitul, iar în final vor fi expuse concluziile.

Capitolul 1

Smart home

Expresia de “Smart home” concretizează mai multe structuri noi pentru a salva energie. Orice ansamblu de aplicații inteligente poate fi aplicat unei locuințe vechi pentru a crește confortul casei, pentru modernizare și pentru economisire de energie ceea ce implică reducerea costurilor.

În cadrul acestui capitol conceptul de “Smart home” va fi definit, precum și arhitectura generală, funcționalitățile și avantajele/dezavantajele folosirii acestuia.

1.1 Definiție

O casă inteligentă este una care realizează economii semnificative de energie, utilizând tehnologii și materiale noi în ceea ce privește utilizarea aparatelor existente deja în casă sau unele noi. Aceste noi tehnologii sunt bine gestionate, au infrastructura fizică care furnizează servicii optime în mod fiabil și rentabil. Casele inteligente ajută proprietarii să desfășoare activitățile proprii în condiții optime, care la rândul lor reduc consumul de energie, optimizează modul în care este utilizat spațiul și minimizează impactul asupra mediului.

Una dintre proprietățile esențiale ale unei case inteligente este faptul că include tehnologii, resurse și sisteme pentru conservarea energiei și durabilității mediului. Pe langă aceasta se poate gestiona confortul proprietarilor foarte ușor în timp real, utilizând eficient resursele, dar și faptul că se pot gestiona mai simplu activitățile din casă.

Fig. 1.1 Sistem de monitorizare într-o casă inteligentă [1]

1.2 Funcționalitatea unei case inteligente

Casa inteligentă are o funcționalitate modulată care urmărește în primul rând simplificarea și îmbunătățirea confortului prin urmărirea de către senzorii montați a activității omului. Funcționalitatea dintr-o locuință este controlată prin scenarii predefinite: controlul iluminării, temperaturii, umidității alarmă de incendiu, inundație și de efracție în funcție de dorințele omului. Acestea determină confortul pentru diverse activități, securitate și minimizarea costurilor privind resursele necesare.

Este foarte utilă o casă inteligentă din toate punctele de vedere. De exemplu controlul iluminării dintr-o casă este foarte eficient deoarece se pot reduce seminificativ cheltuielile pentru energia electrică, nu mai este necesară aprinderea luminilor deoarece aceasta se va face în mod automat atunci când este detectată mișcare, iar intensitatea luminii va fi reglată în funcție de nivelul de luminozitate din camera respectivă. Automatizarea casei din acest punct de vedere este posibilă prin instalarea unor senzori de mișcare și de intensitate a luminii în diverse locuri ale camerei care vor comanda aprinderea și stingerea becurilor în funcție de niște scenarii prestabilite după nevoile omului.

Structura unei case inteligente este formată dintr-o interconexiune de retele hardware și software prin care se monitorizează și controlează mediul din interiorul unei case, sistemele de automatizare asigurând performanță, confort și economisire de resurse.

1.3 Avantaje și dezavantaje

Principalul avantaj al unei case inteligente este că ușurează viața oamnilor prin controlul automatizat al casei cu ajutorul senzorilor , oferă securitate sporită și eficientizarea energetică. Dezavntajul este dat de faptul că orice lucru conectat la internet poate fi supus atacurilor cibernetice.

1.4 Parametri monitorizați și principii de măsura pentru senzori

Se pot realiza diverse scenarii realizându-se astfel o casă cât mai automatizată. În acest subcapitol se urmărește tratarea tuturor posibilităților de a ușura activitatea omului în casă și de eficientizare a consumului de energie.

Un sistem de automatizare a parametrilor unei case inteligente permite pornirea și oprirea luminii din casă în funcție de intensitatea luminii, dar și pornirea aparatelor electronice, controlul jaluzelelor, al temperaturii, detecția scurgerilor de gaze și inundații care sunt conectate cu sistemul de oprirea a gazului și a apei, interconectarea cu sistemul de alarmă sau programarea consumului de energie. Toate aceste lucruri se pot realiza prin comunicația cu fir sau wirless, ceea ce pemite comandarea aparatelor din interiorul locuinței sau cu ajutorul telefonului mobil de la distanță.

De exemplu pentru a menține un echilibru termic este nevoie de un senzor de temperatură care să achiziționeze date, iar în funcție de acestea daca termperatura măsurată este mai mică față de cea de referință atunci se va comanda pornirea centralei, iar în cazul invers se comandă pornirea aerului condiționat. Totodată se poate programa pornirea centralei cu un timp prestabilit înainte de a se trezi proprietarul, dar și acționarea jaluzelelor pentru a crea confortul necesar.

Pentru a măsura temperatura avem nevoie de un traductor care poate realiza transformarea din temperatură îm mărime electrică. Acesta trebuie să aibe ca și caracteristici: timpul de răspuns să fie suficient de mic, sensibilitate, liniaritate pe un domeniu cât mai mare, intervalul de temperatură măsurat. Pe lângă acesta avem nevoie de circuite de adaptare a semnalului pentru convertirea și amplificarea semnalului provenit de la traductor. Această temperatură este recepționată de un microcontroler care va comanda oprirea/pornirea aparatelor din casă în funcție de anumite scenarii prestabilite, scenarii ce sunt realizate cu ajutorul unui program.Pe baza aceluiași principiu de măsurare pentru temperatură se realizarea și pentru senzorii de inundație și de gaze care vor comanda oprirea apei și a gazului atunci când sunt detectate inundații și scăpări de gaze.

Un alt parametru important într-o casă este dat de sistemul de alarmă care se poate activa la părăsirea locuinței sau atunci când proprietarii sunt plecați pentru o perioada lungă de timp, se poate activa de la distanță mișscarea jaluzelelor, pornirea luminii și a electrocasnicelor. Totodată la părăsirea locuinței se poate comanda și oprirea prizelor, luminilor,ferestrelor și trecerea pe modul economic al căldurii.

Se mai poate programa și pornirea automată a apei în curte pentru a uda plantele, în funcție de umiditatea solului și temperatură. Este necesară comandarea unor pompe în funcție de datele emise de senzorul de umiditate și de temperatură.

Un facor important care urmează a fi detaliat în această lucrare este sistemul de iluminat, astefel se poate comanda aprinderea luminii doar la detectarea unor persoane în cameră în funcție de intensitatea luminii sau se poate comanda aprinderea/stingerii luminii cu ajutoru unei aplicații. Pentru aceasta este nevoie de un senzor de intensitate al luminii și unul de detecție al mișcării(măsoara radiația infraroșie) care sunt conectate la microcontroler și comandă unul sau mai multe becuri.

Un lucru util ar fi conectarea întregului sistem cu telefonul mobil, astfel ”casa” ar putea învăța programul proprietarului, de exemplu ar ști la cât se trezește în fiecare zi și ar putea porni căldura cu 10 minute înainte de a se trezi, să deschidă jaluzelele, să pornească aparatul de cafea sau să încălzească mașina pentru a pleca la muncă sau cu ajutorul sistemului de navigație ar ști cu exactitate unde se află proprietarul și cum să gestioneze aparatele din casă. De exemplu căldura să fie pe modul economic atât timp cât nu există persoane în casă, iar cu câteva minute înainte de a ajunge acasă să se pornească căldura pentru a crea un mediu ambiental cât mai plăcut.

Prin toate aceste idei se poate considera definiția unei case inteligente.

1.5 Tipuri de senzori

1. Temperatura reprezintă o mărime fizică prin care se caracteriză starea unui mediu sau a unui corp fie că exprimă căldura sau răceala acestuia. Unitatea de măsură în Sistemul Internațional este Kelvinul (K). [1]

Tipuri de senzori de temperatură:

Termorezistoare metalice: sunt folosite datorită dependenței metalelor și aliajelor de temperatură, astfel există posibilitatea de a putea fi utilizate ca senzorii de temperatură. [9]

Termistori: în majoritatea cazurilor sunt senzori metal-oxid. Aceștia se împart în 2 categorii NTC (au coeficientul de temperatură negativ, ceea ce înseamnă că rezistența lor scade odată cu creșterea temperaturii) și PTC (au coeficientul de temperatură pozitiv și destul de mic, iar rezistența lor crește odata cu creșterea temperaturii). [2]

Senzori termoelectrici (termocuplu):principiul de funcționare al acestora se bazează pe efectul termoelectric direct (efect Seebeck), Acest efect apare la un circuit cu două conductoare diferite și cu două joncțiuni la temperaturi diferite și constă în generarea unei tensiuni electromotoare. [2]

Senzori optici de temperatură: sunt folosiți la măsurători exacte de temperatură prinfolosirea unor metode noncontact. [2]

Senzori fluoroptici: produc o radiație fluorescentă atunci când există lumină, fapt datorat de proprietăților compușilor pe bază de fosfor. [2]

Senzori acustici: sunt folosiți atunci când nu se măsoară temperatura fără contact fizic . Aceștia se bazează pe dependența dintre temperatura mediului și viteza sunetului din acel mediu. [2]

2. Intensitatea luminoasă este fluxul luminos emis într-o anumită direcție de o sursă luminoasă punctuală, raportat la unitatea de unghi solid în care emite sursa. Unitatea de măsură a intensității luminoase în Sistemul Internațional este Candela. [3]

Tipuri de senzori care măsoară intensitatea luminii:

Fotorezistența: reprezintă o rezistență dintr-un material semiconductor, iar rezistența acesteia poate fi transformată sub acțiunea fluxului luminos ce acționează asupra suprafeței fotorezistorului. Principiul de funționare este dat de fenomenul de fotoconductivitate (fenomenul prin care electronii liberi sunt eliberați datorită acțiunii fluxului luminos. Electronii liberi eliberați scad rezitența rezistorului datorită creșterii conductivității electrice). [4]

Fotodioda: reprezintă un dispozitiv optoelectonic format dintr-o joncțiune pn fotosensibilă în regim de polarizare inversă( în acest regim apre curentul electric prin dispozitiv datorită influenței fluxului luminos). [5]

Fototranzistorul  reprezintă un dispozitiv optoelectronic, format pe o structură de tranzistor, iar curentul său de colector este influențat de fluxul luminos. Acesta tranzistor are joncțiunea bază-colector fotosensibilă. [6]

3. Senzorii de mișcare sunt folosiți ca o metodă de securitate, deoarece pot detecta cele mai mici mișcări într-o anumită suprafață. Acștia când detectează mișcare vor transmite un semnal pentru a putea alarma anumite dispozitive din interiorul unei case. [7]

Tipuri de senzori de mișcare:

Senzori pasivi cu infraroșu: sunt cel mai des utilizați deoarece pot detecta mișcarea și căldura corpurilor umane într-o arie acoperită. [7]

Senzori cu tehnologie duală: sunt folosite două tipuri de senzori, unul pasiv în infraroșu și altul cu microunde, ceea ce determină o mai bună exactitate atunci când este detectată sau nu mișcarea și reduce riscul de a declanșa alarme false. [7]

Senzori cu ultrasunete: scanează o zonă prin intermediul undelor ultrasonice,. [7]

Senzori de vibrație: sesizează vibrațiile dintr-o încăpere. [7]

Senzori de mișcare cu contact: duntfolosiți pentru uși și ferestre. Când o persoană din exterior încearcă să deschidă un geam sau o ușă va fi transmisă o alarmă. [7]

4. Umiditatea reprezintă cantitatea de vapori de apă dintr-un eșantion de aer. [8]

Tipuri de senzori de umiditate:

Senzori capacitivi de umiditate integrați: aceștia au o diodă cu ajutorul căreia se poate măsura temperatura și un condensator cu un izolator format dintr-o rășină poliamidică cu constanta dielectrică dependentă de umiditatea relativă. [9]

Senzori MOSFET sensibili la umiditate: principiul de funcționare este dat de schimbarea conductanței canalului, datorită schimbării porții ca efect al variațiilor umidității relative în stratul izolator. [9]

Senzori de umiditate cu punct de condensare integrați: umiditatea este determinată prin măsurarea punctului de condensare. [9]

Capitolul 2

Senzori și componente electronice

În acest capitol se vor aborda principalii senzoii, care constituie baza proiectului:

Senzorul pentru detecția mișcării

Senzorul de intensitate a luminii

Acești senzori sunt implementați fizic cu ajutorul a diverselor etaje ce intra în componența lor, care asigură buna funcționare a acestora. Pentru a verifica că principiul după care funcționează este unul corect, am ales să implementez senzorii pe un breadboard, după care am realizat schema electrică cu ajutorul programului Orcad Cature Cis Lite, urmând ca apoi să realizez rutarea plăcii cu ajutorul proramaului Orcad PCB Editor Lite, iar în cele de urmă lipirea componentelor.

2.1 Senzorul de detecție a mișcării

Un detector de mișcare reprezintă acel dispozitiv care poate detecta mișcarea corpurilor în apropierea lui. Acesta este format dintr-un mecanism fizic (senzor electronic) care poate cuantifica mișcarea și poate fi conectat la anumite dispozitive prin care utilizatorul este alertat de mișcarea unui obiect/persoană în direcția de acțiune a senzorului. El este foarte important pentru a asigura securitate unei înăperi/locuințe.[10]

Un senzor de mișcare electronic transformă mișcare în semnal electronic atunci când este detectată mișcarea. [11]

Există două tipuri se senzori de mișcare:

Senzor de mișcare radar (de înaltă frecvență) care trimite impulsuri cu microunde după ce măsoară reflexia obiectelor aflate în mișcare.

Acești senzori emit unde sonore de înaltă frecvență , astfel ei vor obține informașii despre mediul ambiental, urmând ca apoi să trimită înapoi senzorului informațiile. Principalul lui dezavantaj este sensibilitatea, deoarece aceștia se activează la orice fel de mișcare, chiar și la mișcarea perdelei atunci când adie vântul. De aceea de cele mai multe ori pentru a reduce acest efect acești senzori sunt combinați cu senzorii de mișcare pasivi în infraroșu. Cu toate acestea aceștia au avantajul că au o acoperire neîntreruptă, detectează mișcarea prin uși, pereți și sunt foarte rapizi. [12]

Senzor de mișcare infrarușu pasiv (PIR) ce detectează căldura corpului uman.

Acești senzori măsoară radiația infraroșie emisă de un corp în raza sa de acțiune. Mișcarea poate fi detectată dacă un corp cu temperatura diferită față de o temperatură de referință, cum ar fi un perete, trece prin fața senzorului. Toate corpurile emit o anumită cantitate de energie sub formă de radiație infraroșie ce este invizibilă ochiului uman, însă această energie diferă în funcție de fiecare lucru. [13]

Comparație între senzorul de mișcare radar și senzorul de mișcare cu infraroșu

Diferența dintre cei doi este că senzorul de mișcare radar trimite impulsuri cu microunde și măsoară reflexia obiectelor care sunt în mișcare, iar senzorul de mișcare pasiv în infraroșu masoară cantitatea de radiație emisă de căldura corpului.

Senzorul de mișcare radar emite semanle sonore de înalta frecvență(între 10KHz și 300GHz-imperceptibile de om), ceea ce înseamnă că au o rază de acțiune de la 3m până la 8m, iar acest senzor va analiza ecoul primit de la mediu. De aici rezultă cel mai mare avantaj: raza de acoperire a senzorului foarte mare(el poate detecta radiația chiar și prin sticlă, pereși, ușă. [14]

Avantaje: [14]

Este foarte rapid

Se poate modifica raza de acțiune

Poate fi ascuns în spatele sticlei sau paravanelor deoarece acesta poate detecta mișcare chiar dacă există în calea lui obiecte

Detecteaza mișcare prin uși, pereți, geamuri

Detecteaza rapid cea mai mică mișcare

Acoperire foarte mare, neîntreruptă

Dezavantaje: [14]

Sensibilitatea foarte mare (sensibili la orice fel de mișcare)

Poate creea alarme false

Se poate activa foarte ușor, chiar și atunci când se mișcă de exemplu perdeaua sau geamul

Necesită și folosirea unui senzor de mișcare cu infraroșu pentru o mai bună precizie (tehnologie-duală)

Senzor de mișcare cu infraroșu reacționează doar atunci când o persoană trece prin fața acestuia deoarece acesta detectează cantitatea de radiație emisă de om. Acesta nu va reacționa și la modificarea temperaturii deoarece omul emite o radiație cu o lungime de undă de aproximativ 10µm. [14]

Avantaje: [14]

Se activează doar la trecerea unei persoane prin fața acestuia, nu și a obiectelor

Nu necesită folosirea unei tehnologii-duale (mai multe tipuri de senzori)

Ideali pentru securitatea casei, deoarece sunt buni și ieftini

Dezavantaje: [14]

Sensibilitate mai mică față de senzorul de mișcare radar

Sensibilitatea senzorului este mai mare în zilele răcoroase față de cele calde deoarece diferența dintre temperatura corpului și mediu este mai mare

Uneori poate detecta și prezența animalelor

La temperaturi ridicate sensibilitatea acestuia scade foarte mult

Dacă o persoană stă nemișcată în fața senzorului acesta nu se activează

Raza de acoperire mai mică față de senzorul de mișcare radar

În urma evidențierii avantajelor/dezavantajelor celor două tipuri de senzori am ales să folosesc un senzor de mișcare cu infraroșu deoarece este ieftin, detectează doar prezența omului fără a fi influențat de mișcarea obiectelor din jur și nici nu necesită folosirea mai multor tipuri de senzori de mișcare.

Pentru a realiza un sistem complet care detectează mișcarea și aprinde lumina odată ce a fost detectată mișscarea avem nevoie de un sistem format din următoarele etaje:

Fig 2.1 Schema bloc a senzorului de mișcare

Etaj1: Senzorul PIR ce detectează radiația infraroșie emisă de o persoană în jurul acestuia

Etaj2: Comparator pentru a compara tensiunea emisă de senor cu o tensiune de prag pentru a stabili dacă există radiație infraroșie

Etaj3: Monostabil folosit pentru a menține un anumit timp prestabilit un nivel de tensiune

2.1.1 Senzorul PIR RE200B

Radiația în infraroșu(IR) este o radiație electromagnetică cu o lungime de undă cuprinsă între 700nm-1mm (începe la marginea vizibilă a spectrului uman până la 1mm). Aceasta nu poate fi vazută de ochiul uman, dar poate fi simțită ca și căldură și poate fi detectată cu ajutorul dispozitivelor, cum ar fi în cadrul acestei lucrări, senzorul PIR RE200B. De asemena radiația depinde de temperatură,culoare și textură și este folosită în aplicații industriale, medicale sau știițifice pentru a detecta prezența unor persoane sau animale într-o încăpere când nu există vizibilitate, pentru analiza fluidelor și țesuturile organismului, pentru a detecta obiecte cosmice inaccesibile, măsurarea temperaturii din oceane și multe alte utilizări.

Energia în infraroșu este emisă sau absorbită de molecule atunci când se schimbă mișcările de rotație – vibrație.[15]. Razele infraroșii pot fi considerate ca modalitatea prin care se măsoară căldura emisă de un corp, cu cât temperatura este mai mare cu atât mișcarea moleculelor și atomilor este mai intensă.

Banda infraroșie este împărțită în mai multe subdiviziuni:

Infraroșu apropiat: 0.14µm-1.4µm utilizată la comunicațiile prin fibră optică

Lungime de undă scurtă: 1.4µm-3µm utilizată în telecomunicații pe distanțe lungi

Lungime de undă medie: 3µm-8µm Utilizări în domeniul militar pentru rachetele ghidate cu senzori de căldură

Lungime de undă lungă: 8µm-15µm Zona în care senzorii pot obține imagini cu obiecte care emit radiații cu o temperatură puțin mai mare decât temperatura camerei

Lungime de undă foarte lungă: 15µm-1000µm utilizată în medicină și astronomie

În cadrul acestei lucrări vom porni de la principiul că omul emite o radiație infraroșie de aproximativ 9,4µm care se încadrează în domeniul de lungime de undă lungă. Această radiație este recepționată de senzorul PIR RE200B. Senzorul este făcut dintr-un material cristalin care generează o încărcare a unei suprafețe electrice când este expus la căldură sub formă de radiație infraroșie [6]. Senzorul are două ferestre care sunt sensibile la radiația infraroșie. Dacă ambele ferestre văd aceeași cantitate de radiație atunci senzorul nu detectează nimic, iar dacă una din cele două ferestre vede mai multa sau mai puțină radiație față de cealaltă atunci senzorul detectează mișcare deci, tensiunea de ieșire a senzorului variază.

Fig. 2.1.1a Semnalul de ieșire al senzorului PIR RE200B

Senzorul PIR RE200B este făcut dintr-un material cristalin, care generează o încărcare a unei suprafețe electrice când este supus la căldura sub formă de radiație infraroșie.

Configurația senzorului PIR RE200B:

Tranzistorul FET măsoară cantitatea de radiație ce lovește cristalul

Fereastră de filtrare pentru a limita radiația infraroșie care intră în senzor să fie limitată la 8µm-14µm(specific corpului uman)

Terminalul sursei FET se conectează printr-o rezistență de pull-down de 100KΩ la masă și se alimentează în două nivele de amplificare.

Fig.2.1.1.b Configurația senzorului PIR RE200B

Caracteristici:

Răspuns spectral 5µm-14µm

Tensiunea de ieșire 20mV pp

Zgomot 0.4mV pp

Tensiunea de offset 0.1V

Tensiunea de alimentare 2.2-15V

Temperatura de operare 30-70°C

Fig.2.1.1.c Senzorul PIR RE200B

În urma testelor efectuate am observat că senzorul PIR poate da o tensiune de ieșire de la 400mV(când nu este detectată radiație infraroșie) până la 3.5V(când este detectată radiație infraroșie). Acest test a fost realizat prin alimentarea senzorului PIR la 5V, punerea unei rezistențe de 100K între pinul 2 și 3, urmând a fi măsurată tensiunea între pinii 2 și 3.

Am observat că pentru a detecta mult mai ușor radiația infraroșie putem folosi o lentilă Fresnel pusă deasupra senzorului PIR. Această lentilă este fabricată dintr-un material de transmitere în infraroșu care poate avea un interval de transmisie de 8-14µm(domeniul cel mai sensibil pentru radiația corpului uman). Aceasta este foarte folositoare pentru e proteja senzorul, dar și pentru a filtra semnalele.

Fig. 2.1.1.d Lentila Fresnel

Tensiunea obținută de senzorul PIR este introdusă în următorul etaj format dintr-un amplificator operațional LM324 folosit ca și comparator în această pentru a putea determina prezența/absența radiației infraroșii.

2.1.2 Amplificatorul operațional LM324

LM324 este un circuir integrat cu un cost redus,cu 4 amplificatoare operaționale cu intrări diferite.

Caracteristici:

Câștigul 100dB

Lățimea benzii 1MHz

Tensiunea de alimentare 3V-32V

Curentul de intrare (curentul de bias) 45mA

Tensiunea de offset 2mV

Tensiunea de ieșire 0-1.5*Vcc

Fig. 2.1.2.a Amplificatorul operațional LM324

Acest amplificator l-am folosit ca și comparator de tensiune. Pe borna negativă se recepționează semnalul de la senzorul PIR iar pe borna pozitivă cu ajutorul unui divizor rezistiv se setează tensiunea de referință cu care se compară tensiunea provenită de la senzor. Cum în urma mai multor măsurători în care am obervat că tensiune de referință este în jurul valorii de 600mV, am format divizorul rezistiv din două rezistențe și un potențiometru pentru a putea regla tensiunea de referință ori de câte ori este nevoie. La ieșirea amplificatorului se obține aproximativ 0V dacă tesniunea de la senzorul PIR este mai mare față de tensiunea de referință, respectiv 3.5V când este mai mică.

Noțiuni teoretice despre comparatoare simple de tensiune

Comparatorul de tensiune reprezintă un circuit cu două intrări: pe o intrare se va aplica o tensiune de referință, iar pe cealaltă intrare se va aplica tensiunea cu care se dorește să se compare și o ieșire, cu structura unui amplificator operațional.

Fig. 2.1.2.b Comparator simplu de tensiune

Dat fiind figura Fig. 3.1.2.b care exemplifică schema unui amplificator în configurație de comparator. Pe borna negativă se aplică semnalul de referință(Vref), iar pe borna pozitivă(Vi) tensiunea provenită de la o sursa/senzor. Diferența dintre cele două tensiuni este notată cu VD(VD=Vi-Vref), iar tensiunea de ieșire cu Vo.

Dacă:

VD>0 atunci Vo=VOH, VOH este nivelul înalt al tensiunii de ieșire

VD<0 atunci Vo=VOL, VOH este nivelul coborât al tensiunii de ieșire

Fig. 2.1.2.c Semnalul de ieșire al unui

comparator simplu de tensiune

Pornind de la aceste noțiuni teoretice, am considerat Vi tensiunea provenită de la senzorul PIR, iar tensiunea de referință este dată de un divizor rezistiv. Deoarece următorul etaj este format dintr-un monostabil și cunoscând modul acestuia de funcționare, este necesară inversarea bornei pozitive cu cea negativă.

Dacă:

VD<0 atunci Vo=VOH

VD>0 atunci Vo=VOL

Fig. 2.1.2.d Semnalul de ieșire al unui

comparator simplu de tensiune cu tensiunea

de referință aplicată pe borna pozitivă

Pentru a stabili tensiunea de referință am făcut mai multe teste pentru a vedea modul prin care se comporta senzorul în diverse momente ale zile și diverse temperaturi de lucru. Astfel că am observat că tensiunea dată de senzorul PIR este diferită în funcție de intensitatea luminii din cameră sau de prezența unei cantități de căldură. Tensiunea de referință de 600mV este setată cu ajutorul unui divizor rezistiv. Am ales să realizez divizorul din 2 rezistențe și un potențiometru pentru a putea ajusta sensibilitatea senzorului ori de câte ori este nevoie, în funție de cerințele omului și condițiile de mediu.

Realizarea calculelor:

R3=R23+R43

R23=1,64KΩ

R43=8,36kΩ

Vref=*Vcc=600mV

Fig. 2.1.2.e Schema echivalenta din Orcad pentru comparatorul simplu de tensiune

În cazul în care semnalul de intrare are o valoare foarte apropiată de semnalul de referință, datorită semnalului parazit, tensiunea totală care apare pe brona negativă va avea valoarea Vi+Vparzit, astfel vom obține la ieșire o succesiune de modificări față de valoarea tensiunii de referință(depășiri/scăderi) ceea ce va genera anumite tranziții false. Pentru a înlătura acest pericol este recomandată folosirea unui comparator cu histerezis, deoarece acesta filtrează mai bine sursele de eroare date de suprapunerea peste semnalul inițial un semnal parazit.

Noțiuni teoretice despre comparatoare cu histerezis

Diferența dintre comparatoarele cu histerezis și comparatoarele simple de tensiune este dată de introducerea unei reacții pozitive la nivelul amplificatorului operațional(dată de rezistența RF). Această reacție determină creșterea amplificării în tensiune, iar caracteristica de transfer este dată de de 2 valori distincte ca și în cazul precedent.

Fig. 2.1.2.f Schema unui comparator cu histerezis și caracteristica de ieșire

În acest caz tensiunea de referință Vref ia 2 valori diferite, nu mai este fixă și care depinde de starea în care se află inițial comparatorul. Avem două cazuri:

Dacă inițial vi<VP, atunci vo=VSAT+; în continuare, dacă vi crește, la un moment dat valoarea sa devine egală cu valoarea curentă a lui VP care este notată VPMAX și are expresia:

În continuare, de îndată ce vi>VPMAX, comparatorul își schimbă starea din VSAT+ în VSAT-. În acest moment, valoarea tensiunii de prag VP se modifică la o valoare care depinde de VSAT-

Dacă inițial vi>VP, atunci vo=VSAT-; în continuare, dacă vi scade, la un moment dat valoarea sa devine egală cu valoarea curentă a lui VP, care este notată VPMIN, definită prin relația:

În continuare, de îndată ce vi<VPMIN, comparatorul își schimbă starea din VSAT- în VSAT+. În acest moment, valoarea tensiunii de prag VP se modifică la o valoare care depinde de VSAT+

Diferența dintre VPMAX și VPMIN se numește tensiune de histerezis și se notează VH.

Deși comparatorul cu histerezis este mai sigur am ales să implementez practic un comparator simplu de tensiune deoarece este mai simplu de realizat.

2.1.3 555timer(NE555)

NE555 este un circuit integrat folosit într-o gamă diversă de aplicații de temporizare, generare de impulsuri și oscilatoare. Acesta poate fi folosit pentru a produce o întârziere în timp, ca un oscilator sau ca un element de flip-flop. [16]

NE555 este un circuit basculant monostabil, adică are o singură stare stabilă în care poate sta un anumit timp nedefinit. Atunci când se aplică un impuls din exterior, circuitul va trece într-o nouă stare care durează un anumit interval stabilit, după care revine la starea inițială.

Caracteristici:

Tensiunea de alimentare: 4.5-18 V

Curentul de alimentare: 3-6mA

Timp de întârziere: µs până la ore

Configurație: Astabil sau monostabil

Factor de umplere ajustabil

Intervalul de temperatură: 0 ֩C-70 ֩C

Fig. 2.1.3.a NE555

Acest dispozitiv produce o întârziere, necesară întregului circuit pentru a ține led-ul aprins un interval de timp prestabilit. Această întârziere este datorată existenței unui condensator extern care determină anumite intervale de timp(timpul în care un condensator se încarcă/descarcă printr-o rezistență), deci intervalul de timp se calculează prin intermediul constantei de timp RC.

Modul de calcul pentru constanta de timp (τ):

Constanta de timp (τ) reprezintă timpul necesar condensatorului să se încarce cu 63.7% din tensiunea aplicată.

τ = R ⋅C

Presupunem că inițial condensatorul este descărcat. Când întrerupătorul este închis, condensatorul începe să se încarce prin rezistor. Tensiunea prin condensator crește de la zero la o valoare egală cu cea a tensiunii continue de alimentare aplicată. [17]

NE555 poate funcționa în 2 configurații:

Monostabil produce un timp de întârziere ce este controlat cu ajutorul unei rezistențe și al unui condensator

Astabil controlează frecvența cu ajutorul unei rezistențe și al unui condensator

Mod de funcționare (Monostabil)

NE555 are două cazuri de funcționare:

Dacă pinul 2 (TRIGGER) < *Vcc atunci pinul 3 (IEȘIRE) va fi setat high și are loc încărcarea condensatorului conectat la pinul 7 (DESCĂRCARE).

Dacă pinul 2 (TRIGGER) > *Vcc atunci pinul 3 (OUTPUT) va fi setat low și are loc descărcarea condensatorului conectat la pinul 7 (DESCĂRCARE).

Timpul de încărcare/descărcare care este timpul necesar încărcprii condensatorului la din tensiunea de alimentare este dat de următoarea relație:

τ=1.1*R*C

Demonstrație:

Vc=Vcc*(1- ) ,unde Vc=*Vcc

*Vcc=Vcc*(1- ) , unde T=R*C=t

T=R*C*ln=1.1*R*C

NE555 are 8 pini, dintre care:

Pinul 1 este legat la masă iar prin pinul 8 se alimetează dispozitivul

Pinii 2 și 6 sunt la 2/3 sau 1/3 din tensiunea de alimentare.Pinul 2 este pinul prin care se primește semnalul

Pinul 3 este pinul de ieșire

Pinul 4 când este egal cu 0 resetează flip-flop

Pinul 5 este legat la masă printr-un condensator de 10nF pentru a elimina zgomotul

Pinul 7 este utilizat pentru a descărca condensatorul, acesta dă timpul de întârziere

Fig. 2.1.3.b Pinii lui NE555

Am ales să folosesc NE555 în configurație de monostabil pentru a putea prelucra semnalul de la senzorul PIR. Timpul de întârziere este dat de R5, R6, C11. R6 am ales să fie un potențiometru pentru a avea un timp de întârziere reglabil între 1s-10s.

t=1.1*R*C

R=R5+R6=1KΩ-11KΩ

C=1mF

t=1s-10s

Fig.2.1.3.c Schema echivalenta din Orcad pentru NE555

Circuitul de mai sus asigură aprinderea led-ului D1 timp de 7 s, dacă este detectată mișcare.

2.2 Senzorul de intensitate al luminii

Definiții:

Intensitatea luminoasă este fluxul luminos emis într-o anumită direcție de o sursă luminoasă punctuală, raportat la unitatea de unghi solid în care emite sursa. [18]

Intensitatea luminoasă, I a unui izvor punctiform este numeric egală cu fluxul luminos dΦ emis în unghiul solid elementar dΩ: [19]

I=

Unitatea de intensitate luminoasă este candela (cd). Ea este intensitatea luminoasă în direcția normalei a unei suprafețe de 1/600000 m2 a unui corp negru, la temperatura de solidificare a platinei (2042 K) si la presiune normală. [19]

Un senzor de lumină generează la ieșire un semnal ce indică nivelul de intensitate a luminii prin măsurarea energiei radiante în vecinătatea senzorului, aceasta este lumina care are un spectru ce variază de la domeniul infra-roșu până la cel vizibil. Acest senzor este un dispozitiv pasiv care convertește energia luminoasă indifirent dacă face parte din domeniul vizibil sau infra-roșu, în semnal electric.

Dispozitivele fotoelectrice sunt grupate în două categorii:

Fotovoltaic sau fotoemisive care generează energie electrică atunci când sunt iluminate:

Celule fotoemisive sunt dispozitive care eliberează electroni liberi de la un material sensibil la lumină, cum ar fi Cesiul, atunci când este lovit de un foton de energie suficientă. Cantitatea de energie a fotonilor depinde de frecvența luminii ( cu cât există mai multă energiecu atât fotonii convertesc energia luminoasă în energie electrică). [20]

Celule fotovoltaice [20]

Fotorezistoare sau fotoconductori care își schimbă proprietățile electrice atunci când sunt iuminate

Celule fotoconductive variază rezistența electrică atunci când sunt supuse luminii. Fotoconductivitatea rezultă din faptul că lumina atinge un material semiconductor care controlează fluxul curentului prin aceasta. Astfel cu cât există mai multă lumină, cu atât crește curentul când se aplică tensiune. Cel mai frecvent material fotoconductiv utilizat este sulfura de cadmiu utilizată în fotocelule LDR. [20]

Fotojoncțiuni sunt în principal fotodiode sau fototranzistoare care folosesc lumina pentru a controla fluxul de electroni și goluri de-a lungul joncțiunii PN. [20]

În acest capitol se va discuta despre două tipuri de senzori de intensitate al luminii:

Unul este realiat cu ajutorul unui fotorezistor

Altul este realizat cu ajutorul unei punți Wheatston

2.2.1 Fotorezistor

Fororezistorul este un dispozitiv semiconductor ce utilizează energia luminii pentru a controla fluxul de electroni și prin urmare curentul care trece prin ele. Acestea sunt denumite în mod obișnuit LDR (rezistoare dependente de lumină). Deci rezistență electrică se modifică sub acțiunea unui flux luminos care cade pe suprafața sensibilă a acestuia.

Fotorezistorul este realizat dintr-un material semiconductor expus, cum ar fi sulfura de cadmiu, care își schimbă rezistența electrică de la câteva mii Ohmi în întuneric la doar câteva sute de Ohmi, când lumina cade peste material creează perechi de electroni-gol în material. Materialele utilizate ca substrat semiconductor includ sulfura de plumb (PbS), selenidul de plumb (PbSe), stibiu de indiu (InSb) care detectează lumină în raza infraroșie, dar cel mai utilizat material dintre toți este sulfura de cadmiu (Cds) . Sulfura de cadmiu se utilizează la fabricarea celulelor fotoconductive, deoarece curba spectrală a răspunsului se potrivește exact cu cea a ochiului uman și poate fi chiar controlată utilizând o lanternă simplă ca sursă de lumină. De obicei, atunci are o lungime de undă de sensibilitate de vârf (λp) de aproximativ 560nm până la 600nm în domeniul spectral vizibil.

Fotorezistenta studiată este un strat subțire (2-3 mm) de CdS impurificat cu atomi de Cu. Cei doi electrozi metalici sunt obtinuți pe placuța de sticla folosind evaporarea termică in vid. Prin același fenomen de evaporare, peste ei se depun atomii de Cu. [21]

2.2.2 Fotorezistorul GL5528

Rezistența la lumină (10 Lux): 8-200KΩ

Rezistența la întuneric(0Lux): 1MΩ

Gama de valori la 100-10Lux: 0.7

Puterea disipată (la 25 ֩C): 100mW

Tensiunea maximă (la 25 ֩C): 150V

Vârful răspunsului spectral (la 25 ֩C): 540nm

Temperatura ambientală: -30-70 ֩C

Fig. 2.2.2.a Fotorezistor

Conectarea unui fotorezistor în serie cu o rezistență prezintă următorul avantaj: tensiuni diferite pentru nivele diferite de iluminare. Tensiunea ce cade pe rezistența serie R9 este deerminată de valoarea fotorezistorului, care depinde de intensitatea luminii ce cade pe acesta.[22]

Formula de determinare a tensiunii de ieșire:

Vout=*Vdd ,unde R9 variază foarte mult de la câțiva KΩ la MΩ

Fig.2.2.2.b Schema din Orcad pentru senzorul de intensitate al luminii

Am ales cel mai simplu mod de a obține un senzor de intensitate a luminii, deoarece nu am nevoie de o precizie foarte bună pentru a stabili pragurile de intensitate a luminii. Aceste praguri le-am stabilit cu ajutorul plăcii de dezvoltare Arduino Uno, urmând a fi prelucrate.

O altă modalitate de a obține un senzor de intensitate a luminii este cu ajutorul unei punți Wheatstone.

Puntea Wheatstone este un circuit electric de măsurare a unei rezistențe electrice necunoscute prin echilibrarea celor doua ramuri ale sale. Se măsoară rezistențe cu valori cuprinse într 1Ω-1MΩ, iar aceasta este o rețea cu 4 noduri, având pe cele 2 laturi 4 rezistențe, pe diagonala principală sursa de tensiune, iar pe diagonala secundară un dispozitiv de măsurare. [23]

Principiul de măsura constă în echilibrarea punții, adică situația în care curentul prin diagonala secundară este nul. Relația care asigură echilibrul punții este:

R1*R4=R2*R3

Cu ajutorul acestei relații se poate determina valoare unei rezistențe atunci când se știu celelalte trei. Este nevoie ca cel puțin una dintre rezistențe să fie variabilă(în cazul nostru fotorezistorul), pentru a avea echilibru.

Metode de calcul:

Va=Vin*

Vb=Vin*

V=Va-Vb

Fig. 2.2.2.c Senzor de intensitate a luminii cu punte Wheatston

Capitolul 3

Proiectarea și imprimarea circuitului

Deși, inițial am ales sa simulez funcționarea circuitului pe un breadboard, am preferat după aceea să lucrez cu mediul de lucru ”Orcad Capture Cis Lite” și ”Orcad Pcb Editor Lite” pentru a avea un produs final compact, care să nu necesite existenta unor fire, deoarece conexiunea prin fire nu este eficientă. Programul Orcad este unul ușor și intuitiv, cu ajutorul căruia se poate implementa fizic orice concept electronic.

3.1Realizarea schemei electrice

Am transpus schema de pe breadboard cu ajutorul programului ”Orcad Capture Cis Lite”, după care am atribuit fiecărei componente footprint-ul care corespunde cu dimensiunea fiecărei capsule și numărul de găuri pentru fiecare pin, date regăsite în foile de catalog ale fiecărei componente.

După finalizarea schemei electrice a fost necesară folosirea programului ”Orcad Pcb Editor Lite”, cu ajutorul căruia s-au transferat componentele de la nivel de simbol la footprint, în mod automat utilizând funcțiile de transfer ale software-ului pentru realizarea cablajului imprimat.

Printre regulile folosite în realizarea acestui proiect se regăsesc:

Dimensiunea traseelor de semnal de 16mils (0.4mm)

Dimensiunea traseelor pentru masă și alimentare de 20mils (0.5mm)

Spațierea între trasee de 12mils (0,3mm)

Unghiul pentru trasee este de 45֩/90֩

Plasarea componentelor s-a făcut pe TOP cu excepția plăcii de dezvoltare Arduino care va fi plasată pe BOTTOM(pentru acesta am realizat un set de conectori speciali care corespund cu distanța dintre pinii de pe placă)

Majoritatea traseelor au fost realizate pe BOTTOM, doar în cazuri excepționale s-a realizat trasarea pe top

Evitarea folosirii VIA

S-au folosit cât mai puține tipuri de găuri pentru a reduce costul

Plasarea componentelor eficient, pentru a obține o plăcuță de dimensiuni minime (plasarea componentelor între conectorii pentru Arduino UNO)

Alimentarea întregului circuit la 5V(tensiune provenită de la placa de dezvoltare Arduino UNO)

Folosirea unor componente de tip THT

Folosirea unui sistem de prindere pentru plăcuță

În figura este prezentată layer-ul TOP(cu verde) al proiectului, se poate observa că sunt trasate foarte puținr pe top, majoritatea fiind pe BOTTOM(c roșu)

Fig.3.1.a Layerele TOP și BOTTOM

Odată cu terminarea proiectării cablajului imprimat, următorul oas este generarea fișierelor Gerber si Excelon. Aceste fișiere conțintoate informațiile necesare unei mașini computerizate să prelucreze planele de cupru, sa realizeze traseele de cupru, să realizeze găurile de interconectare și vias-urile.

Lista fișierelor generate necesare producătorilor pentru realizarea practică a cablajului imprimat.

Fig.3.1.b Lista fișierelor Gerber generate

Capitolul 4

Arduino

Arduino este o companie open-source care produce atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora[2]. Aceste plăci pun la dispoziția utilizatorului pini I/O, digitali și analogici, care pot fi interfațați cu o gamă largă de plăcuțe numite scuturi (shield-uri) și/sau cu alte circuite. Plăcile au interfețe de comunicații seriale, inclusiv USB pe unele modele, pentru a încărca programe din calculatorele personale. Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare ca C și C++. O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de 8-, 16- sau 32-biți (deși începând cu 2015 s-au folosit microcontrolere de la alți producători) cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite. Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri[3].

Există mai multe tipuri de plăcuțe Arduino și anume: Arduino Diecimila, Duemilanove, Leonardo, Mega, Nano, Due, LilyPad, Yún sunt plăci de microcontroler bazată pe Atmega168. Acestea au următoarele caracteristici:

14 intrări/ieșiri digitale (6 dintre acestea pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator de cristal de 16 MHz

conexiune USB, mufă de alimentare

un antet ICSP

un buton de resetare.

4.1 Arduino Uno

Arduino Uno este un microcontroler bazat pe ATmega328P.

Arduino UNO  este o platforma de procesare open-source, bazata pe software si hardware flexibil si simplu de folosit. Consta intr-o platforma de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – in cea mai des intalnita varianta) construita in jurul unui procesor de semnal si este capabila de a prelua date din mediul inconjurator printr-o serie de senzori si de a efectua actiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, si alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil sa ruleze cod scris intr-un limbaj de programare care este foarte Fig.4.1 Arduino Uno similar cu limbajul C++.[14]

4.2 Conectivitate

La Arduino există 14 pini digitali de intrare / ieșire (I/O sau input/output).Aceștia operează la o tensiune de 5 volți și pot fi controlați cu una din funcțiile pinMode(), digitalWrite() și digitalRead().Fiecare pin poate primii sau trimite o intensitate de maxim 40 mA și au o rezistență internă între 20-50 kOhmi (default deconectată). În afară de semnalul standard I/O, unii dintre pini mai au și alte funcții specializate.

Funcții folosite:

Void Setup(): este declarată la începutul unui program, utilizată pentru a inițializa variabilele, pentru a seta pinii. Funcția setup va funcționa o singură dată, după fiecare pornire sau resetare a plăcii Arduino.

Void Loop(): repetă secvența din interiorul acesteia

PinMode(pin,mode): setează un pin ca fiind pin de intrare sau ieșire

DigitalWrite(pin,valoare) : setează valoarea HIGH sau LOW pentru un pin digital. Dacă pinul a fost setat ca pin de ieșire, atunci acesta va avea tensiunea de 5V sau 3.3V de pe placă(HIGH) sau 0V(LOW)

Delay(valoare[ms]): produce o întârziere

În acest proiect se discută despre despre doi senzori: unul de intensitate a luminii și altul de detecție a mișcării, care comanda aprinderea unuia sau mai multor leduri. Pentru a asigura conexiunea dintre senzori și leduri am ales să folosesc platforma de dezvoltare Arduino UNO, deoarece este un mediu prin care se programează foarte ușor acești senzori și ulterior cu ajutorului shield-ului de Ethernet voi putea realiza o aplicație pe telefon pentru a comanda aprinderea led-urilor .

Deoarece se folosește și shield-ul de Ethernet care folosește în mod implicit pinii 10,11,12,13 și 4, pinii folosiți pentru implementarea proiectului sunt:

Pinii 5V respectiv GND: prin intermediul acestora se realizează alimentarea întregului circuit

Pinul A0; pe acest pin se primște informația de la senzorul de intensitate a luminii(format dintr-o fotorezitență și o rezistență). Prin intermediului acestui pin se observă care sunt pragurile de intensitate a luminii și se va comanda aprinderea unuia sau mai multora led-uri în funție de caz

Pinul A1: pe acest pin se primește informația de la senzorul de detecție a mișcării. Prin intermediul acestui pin se va stabili daca există sau nu mișcare. Daca valoarea acestuia este 1(HIGH) atunci se va comanda aprinderea led-urilor altfel, dacă este 0(LOW) atunci se va comanda stingerea led-urilor

Pinii 6,7,8: la acești pini sunt conectate cele 3 led-uri

4.3 Schema logică

În acest capitol se va prezenta modul prin care s-a implementat algoritmul care va aprinde led-urile. Pornind de la faptul că circuitul se va repeta periodic vom avea nevoie de o buclă (void loop() ), iar senzorul de intensitate a luminii are 3 praguri, cel de mișcare are la ieșire două stări(1 sau 0) schema logică arată astfel:

Fig.5.4.a Schema logică

4.4 Ethernet Shield

Acest proiect abordeaza și conceptul de casă inteligenta, adică să existe o platformă prin care se poate gestiona controlul asupra întregii locuințe. De exemplu cu ajutorul telefonului mobil te poți conecta la acea platformă și se pot executa următoarele operațiuni, chiar și de la distanță(fără a fi nevoie să fii în apropierea casei):

Controlul aparatelor electrocasnice din casă: pornirea automată a acestora la o oră prestabilită sau prin simpla apăsare a unui buton din aplicație

Controlul luminii din casă

Controlul temperaturii

Controlul umidității

Controlul ventilației

Controlul jaluzelelor

Controlul sistemului de gaze

Sistem de alarmă

Notificări despre ceea ce se întâmplă în casă

Cum în cadrul acestui proiect există doar doi senzori prin care se gestionează controlul luminii, se va realiza o platformă care să realizeze următoarele operațiuni:

Aprinderea unuia sau mai multor led-uri din aplicație

Afișarea mesajului dacă există mișcare sau nu

Pentru a realiza această platformă am folosit un shield de Ethernet, cu ajutorul căruia am putut realiza conexiunea la internet pentru a accesa o pagina de html de pe telefonul mobil.

Bibliografie

[1]https://dexonline.ro/definitie/temperatur%C4%83

[2] https://www.scribd.com/doc/45979130/6-senzori-de-temperatura

[3] https://ro.wikipedia.org/wiki/Intensitate_luminoas%C4%83

[4] http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj-Napoca/grupa1/Aranyi_Iulia/site/fotorezistenta.html

[5] http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj-Napoca/grupa1/Aranyi_Iulia/site/fotodioda.html

[6] http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj-Napoca/grupa1/Aranyi_Iulia/site/fototranzistor.html

[7] http://anli.ro/2015/12/17/ce-sunt-si-la-ce-folosesc-senzorii-de-miscare/

[8] https://ro.wikipedia.org/wiki/Umiditate

[9] https://biblioteca.regielive.ro/referate/electronica/senzori-pentru-umiditate-192927.html

[10] https://ro.wikipedia.org/wiki/Senzor_infraro%C8%99u_pasiv

[11] [https://ro.wikipedia.org/wiki/Senzor_de_mi%C8%99care

[12] https://senzor-miscare.ro/senzori/senzor-de-miscare-cu-radar-de-inalta-frecventa/

[13] https://ro.wikipedia.org/wiki/Senzor_infraro%C8%99u_pasiv

[14] https://ro.wikipedia.org/wiki/Senzor_infraro%C8%99u_pasiv

[15] https://ro.wikipedia.org/wiki/Infraro%C8%99u

[16] https://en.wikipedia.org/wiki/555_timer_IC

[17]http://phys.ubbcluj.ro/~anghels/teaching/SIS_hide%5D/diverse_materiale/temporizatorul_555.pdf

[18] https://ro.wikipedia.org/wiki/Intensitate_luminoas%C4%83

[19]https://phys.utcluj.ro/resurse/Facultati/LucrariDeLaborator/Coroiu/Studiul%20intensitatii%20luminoase%20-%20Coroiu.pdf

[20] https://www.electronics-tutorials.ws/io/io_4.html

[21]http://www.physics.pub.ro/Referate/BN031B/FOTOREZISTENTA.pdf

[22] https://www.electronics-tutorials.ws/io/io_4.html

[23] https://ro.wikipedia.org/wiki/Punte_Wheatstone

ANEXA 1- Schema circuitului

Fig. 5 Schema electrică a circuitului

ANEXA 2- Realizarea circuitului

Fig.6 Schema de testare senzor PIR

Fig.7 Schema de testare pentru senzorul de intensitate al luminii

ANEXA 3- Fișierele Gerber

Fig.8 Gerber TOP Layer

Fig. 9 Gerber BOTTOM Layer

Fig. 10 Gerber SilkScreen Top Layer

Fig. 11 SolderMask Top Layer

Fig. 12 SolderMask Bottom Layer

ANEXA 4 Codul sursă

//FOTOREZISTOR

int sensor_FR = A0; // in pt fotorezistor

int sensorValue_FR = 0; // stocheaza valoarea de la FR

//LED

int ledPin1 =6;

int ledPin2 = 7;

int ledPin3 = 8;

//PIR

int sensor_PIR = A1; // in pt PIR

int sensorValue_PIR = 0; // stocheaza valoarea de la PIR

void setup() {

pinMode(ledPin1, OUTPUT);

pinMode(ledPin2, OUTPUT);

pinMode(ledPin3, OUTPUT);

}

void loop() {

// citirea valorilor de la senzori

sensorValue_FR = analogRead(sensor_FR);

sensorValue_PIR = digitalRead(sensor_PIR);

if (sensorValue_FR <= 500 && sensorValue_PIR == HIGH ) {

digitalWrite(ledPin1, HIGH);

digitalWrite(ledPin2, HIGH);

digitalWrite(ledPin3, HIGH);

delay(200);

digitalWrite(ledPin1, LOW);

digitalWrite(ledPin2, LOW);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay(200);

}

else if (sensorValue_FR < 600 && sensorValue_FR > 500 && sensorValue_PIR == HIGH) {

digitalWrite(ledPin1, HIGH);

digitalWrite(ledPin2, HIGH);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay(200);

digitalWrite(ledPin1, LOW);

digitalWrite(ledPin2, LOW);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay(200);

}

else if (sensorValue_FR < 700 && sensorValue_FR > 600 && sensorValue_PIR == HIGH) {

digitalWrite(ledPin1, HIGH);

digitalWrite(ledPin2, LOW);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay(200);

digitalWrite(ledPin1, LOW);

digitalWrite(ledPin2, LOW);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay(200);

}

else if (sensorValue_FR >= 700 && sensorValue_PIR == HIGH) {

digitalWrite(ledPin1, LOW);

digitalWrite(ledPin2, LOW);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay(200);

digitalWrite(ledPin1, LOW);

digitalWrite(ledPin2, LOW);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay(200);

}

else {

digitalWrite(ledPin1, LOW);

digitalWrite(ledPin2, LOW);

digitalWrite(ledPin3, LOW);

delay (200);

}

}