Cap.1 Prezentare generală

1.1 Scurt Istoric

Un controler este o structură electronică destinată controlului unui proces sau,

mai general, unei interacţiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară

intervenţia operatorului uman. Termenul “controller" este de origine anglo-saxonă, ce

cuprinde un domeniu foarte larg.Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur

analogice, folosind componente electronice discrete şi/sau componente electromecanice,

de exemplu releele. Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate

iniţial pe baza logicii cablate şi a unei electronici analogice uneori complexe, motiv

pentru care erau caracterizate de dimensiuni mari, consum energetic pe măsură şi, nu de

puţine ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Apariţia şi utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere

consistentă

a costurilor, dimensiunilor, consumului şi o îmbunătăţire a fiabilităţii. Există şi la ora

actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare

de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc. Pe măsură

ce procesul de miniaturizare a continuat, a fost posibil ca majoritatea componentelor

necesare realizării unei astfel de structuri să fie integrate la nivelul unui singur

microcircuit (cip). Astfel că un microcontroler ar putea fi descris ca fiind şi o soluţie a

problemei controlului cu ajutorul a unui singur circuit. Notaţia prescurtată a unui

microcontroler este MCU, cu următoarea semnificaţie : MicroComputer Unit.

O definiţie, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler

este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) şi o memorie împreună

cu resurse care-i permit interacţiunea cu mediul exterior.

Resursele integrate la nivelul microcircuitului ar trebui să includă, cel puţin,

următoarele componente:

unitate centrală (CPU), cu un oscilator intern pentru ceasul de sistem

o memorie locală tip ROM/PROM/EPROM/FLASH şi eventual una de tip

RAM- un sistem de întreruperi

I/O - intrări/ieşiri numerice (de tip port paralel)

un port serial de tip asincron şi/sau sincron, programabil

un sistem de timere-temporizatoare/numărătoare programabile

un sistem de conversie analog numerică(una sau mai multe intrari analogice)

un sistem de conversie numeric analogic şi/sau ieşiri PWM

un comparator analogic

o memorie de date nevolatilă de tip EEPROM

un ceas de gardă (timer de tip watchdog)

facilităţi suplimentare pentru sistemul de temporizare/numărare (captare şi

comparare)

U n microcontroler tipic mai are, la nivelul unităţii centrale, facilităţi de

prelucrare a informaţiei la nivel de bit, de acces direct şi uşor la intrări/ieşiri şi un

mecanism de prelucrare a întreruperilor rapid şi eficient. Utilizarea unui microcontroler

constituie o soluţie prin care se poate reduce dramatic numărul componentelor electronice

precum şi costul proiectării şi al dezvoltării unui produs.Toate aplicaţiile în care se

utilizează microcontrolere fac parte din categoria aşa ziselor sisteme încapsulate-integrate

(“embedded systems”), la care existenţa unui sistem de calcul încorporat este,aproape

transparentă pentru utilizator.

Există la ora actuală un număr extrem de mare de tipuri constructive de

microcontrolere. Un criteriu de clasificare care se poate aplica întotdeauna este lungimea

cuvântului de date. Funcţie de puterea de calcul dorită şi de alte caracteristicise pot alege

variante având dimensiunea cuvântului de date de 4, 8,16,32 sau chiar de 64 de biţi. Nu

este obligatoriu ca dimensiunea cuvântului de date să fie egală cu dimensiunea unui

cuvânt maşină (cuvânt program). Există şi multe variante zise dedicate, neprogramabile

de utilizator la nivel de cod maşină, strict specializate pe o anumită aplicaţie, prin

intermediul codului preprogramat şi al resurselor hardware, utilizate pentru comunicaţii,

controlul tastaturilor, controlul aparaturii audio/video, prelucrarea numerică a semnalului

etc.

1.2 Descrierea temei propriu-zise

Automatul pentru acvariu este un sistem autonom ,care controlează mai multe

dipozitive si realizează anumite funcţii,oferind utilizatorilor condiţii bune de întreţinere a

peştilor şi mai multa libertate.De exemplu daca o familie ar pleca în excursie o perioadă

mai lungă de timp,nu ar avea nevoie să caute pe cineva care sa aibe grijă de acvariu căt

timp ei sunt plecati, deoarce acesta realizează automat principalele funcţii de care un

acvariu ar avea nevoie,cum ar fi hrănirea automată a peştilor,monitorizarea temperaturii

apei,iar dacă aceasta scade sub valoarea propice peştilor,porneşte automat un încalzitor şi

il opreşte cand temperature apei atinge valoarea dorită.Sistemul dispune de un ceas de

timp real şi astfel pot fi programate automat pornirea şi oprirea subsistemelor de reglarea

a microclimatului(pompa de aer ,lumina,hrana) la intervalele de timp dorite pe parcursul

unei zile. Utilizatorul trebuie sa intervină foarte rar,el avand rolul de realimenta dozatorul

de hrana şi a curaţa filtru de apă

Acvarile existente in comerţ sunt foarte costisitoare şi oferă şi ofera anumite funţii

pe care proprietarul nu le doreşte sau nu le foloşeşte,cum at fi protecţie prin parolă

simulări de apus sau de rasarit de soare,acţionări prin telecomandă.Toate aceste funcţii

ridică foarte mult preţul unui acvariu, iar ele au un rol mai putin important de care ne

putem cu uşurinţă lipsi. Produsul realizat de mine oferă doar funcţiile de bază neceesare

pentru a monitoriza si a menţine apa curată şi la temperatura dorită in acvariu,precum şi

pentru hrănirea peştilor, toate acestea reducând foarte mult costul unui acvariu.

Acavariu realizează urmatoarele functii:

Monitorizează temperatura apei din acvariu

Afişează ceasul

Afişează data

Porneşte încălzitorul daca temperatura apei scade sub o anumita valoare

Opreşte încălzitorul daca temperatura apeia crescut la valoarea dorită

Porneşte şi opreşte un motor pentru hranirea peştilor

Porneşte şi opeşte iluminatul in acvariu la orele dorite

Porneşte si menţine pompa de aer pornită în intervalul de timp dorit

Setează ceasul

Setează data

Setează ora la care porneşte motorul

Setează ora de aprindere şi de stingere a neonului

Setează intervalul de timp in care pompa de aer funcţionează

Pentru realizarea automatului se folosesc urmatoarele dispozitive

Microcontroler PIC16F877

Ceas de timp real DS1307

Sensor de temperatură LM35

Ecran LCD LM020L

Motor de curent continuu

Driver de motor L239D

Tub fluorescent Phillips TLD 830

Pompa de aer

Două relee

Două oscilatoare cu cristal

Butoane

Diode

Tranzistori

Condensatori

Rezistenţe

Figura 1.1-1: Schema bloc a acvariului

Creierul automatului pentru acvariu este un microcontroler.Ele se conectează de

toate celălalte dispozitive comandăndu-le prin inpulsuri sa acţioneze in funcţie de anumiti

parametri, cum ar fi ora şi temperatura Microcontrolerul folosit este PIC16F877,un

microcontroler pe opt biţi ce funcţionează la o frecvenţă maxima de 16KHz. De

microcontroler este legat un oscilator cu cristal care osciliză la o frecvenţă de 4MHz.El se

leagă cât mai aproape de microcontroler, pentru a elimina orice interferenţă de pe liniile

pe care microcontrolerul primeşte tactul de ceas.Astefel frecvenţa la care lucrează

microcontrolerul in aces circuit este de 4MHz. De microcontroler se leaga un ceas

autonom de timp real DS1307, care contorizează timpul şi transmite microcontrolerului

data şi ora exactă. Pentru a funcţiona de ceasul de timp real se leagă un oscillator cu

cristal standard, la frecvenţa de 32.768KHz. Comunicarea intre PIC16F877 şi ceasul de

timp real este serială de tipul I2C, in care microcontrolerul este master,iar ceasul DS1307

este slave. Microcontrolerul seteză prin intermediul limbajului C ora şi data aferentă

momentului de programare în ceasul de timp real,acesta începe sa contorizeze data si ora

de incepănd de la acele valori si o trimte actualizată microcontrolerului. Un alt dispozitiv

legat de microcontroler este un ecran LCD LM020L care afişează pe o singură linie păna

la 16 caractere alfanumerice. Este conceput un meniu afişat pe LCD prin care se setează

funcţiile pe care le îndeplineşte automatul. Navigarea prin meniu se face prin intermediul

a şase butoane conectate la pinii portului B, având iniţial valoarea logică 1 datorită

activarii pe portul B a rezistenţelor PULL-UP. Valoarea logică a butoanelor se verifică

repetat prin programare (bucle if), iar cănd se observă o schimbare a valorii logice (din 1

în 0) însemnă că butonul a fost apăsat executându-se instructiune aferentă butonului

respectiv.Se folosec două butoane petru navigarea prin meniu, două pentru intrarea şi

ieşirea din submeniu, iar celăalate doua pentru incrementarea şi decrementarea datelor.

Automatul foloşeste un senzor de temperatură analogic LM35, care timite un semnal

analogic (in V) microcontrolerului in funcţie de temperatura apei din acvariu.Semanalul

esti direct proportional cu temperatura apei din acvariu, este preluat de catre

microcontroler prin modulul convertorului analog-digital, se face o conversie prin care se

transformă în grade Celsius şi se timite ecranului pentru a fi afişată.Alimetarea peştilor se

face cu ajutorul unui motor în curent continuu care învarte prin intermediul unei curele

capacul unui recipient eliberâand astfel mancare.Turatia motorului este controlată de

microcontroler prin PWM (Pulse With Modulation).Pompa de aer este un dipozitiv

acţionat prin intermediul unui releu ce primeşte un impuls de la microntroler la o oră

setată de catre utilizator.Pompa de aer produce un curent de aer ce este directional printr-

un furtun in acvariu. La capatul furtunului din acvariu se pune o piatra de aer care

permite iesirea acestuia sub forma unor bule destul de fine ce au rolul de a oxigena apa.

Se poate face un fitlru biologic cu o pompă de aer şi un burete. Acesta este cu atât mai

eficient cu cât buretele in care este introdusa piatra de aer este mai mare. Buretele se tine

in acvariu si are rolul de "casă" pentru bacteriile din acvariu care transforma substanţele

dăunatoare în substante mai putin dăunătoare respectiv nitriţii in nitraţi.

Încălzitorul este un dispozitiv alcătuit dintr-o rezistenţă introdusă într-o capsulă de sticlă,

care are rolul de a menţine temperatura stabilă intr-un acvariu. Se setează de catre

utilizator temperatura dorită a apei din acvariu, aceasta se compară in permanenţă prin

programare cu temperatura existentă a apei din acvariu, iar dacă temperatura apei din

acvariu la momentul respectiv este mai mică decat temperatura dorită, microcontrolerul

trimite un impuls unui releu ce acţionează pornirea încălzitorului. Când temperatura apei

ajunge la temperatura dorită releul opreşte încălzitorul. Pentru majoritatea pestilor se

recomanda o temperatura intre 24-26 de grade dar exista pesti de acvariu care preferă

temperaturi de 28 de grade C cum ar fi discuşii sau peşti de apă rece (carasul) care ar

prefera o temperatură chiar sub 20 de grade C. Pe timpul verii încălzitorul s-ar putea să

nu fie activat deoarece temperatura apei din acvariu ajunge uşor la 29-30 de grade C, dar

cănd clima este mai rece temperatura peştilor nu trebuie sa varieze şi să scadă foarte mult

deoarece variatiile bruşte de temperatura pot stresa si omorî pestii.De aceea e bine sa

avem un dispozitiv care să o mentina stabilă. Iluminatul acvariului se face prin

intermediul unui neon deoarece consumă mai putin si degajă mai putină caldură.

Intervalul de ore dealungul căruia neonul să lumineze se alege de către utilizator,iar el se

aprinde automat primind un impuls de la microcontoler.Dacă în acvariu nu se ţin plante

se poate folosi orice tip de neon, atâta timp cât nu orbeşte peştii,iar daca se doreşte ca

acvariu sa fie plantat se este nevoie de un neon cu lumină caldă(galbenă).

Acvariu este uşor de întreţinut, datorită automatizări, utilizatorul trebuie doar sa

umple o data pe săptămăna dozatorul de hrană şi să cureţe filtru de apă. Pentru a avea un

acvariu cu peşti şi plante sănătoase, cu apă curată şi fără alge trebuie să scimbam apa

oadată pe saptamănă in proporţie de 25-30% pentru a se elimina din nitriţii adunati şi

pentru a-i pastra neschimbate propietaţile chimice. Un schimb masiv de apă poate duce la

imbolnăvirea peştilor pentru că nu au timp să se obişnuiască cu schimbarea bruscă în

chimia apei. De obicei schimbatul apei se face cu o pompă specială cu furtun si pâlnie la

un capăt cu care se curăţă şi fundul acvariului de resturile ramase de la măncarea peştilor

sau cu excrementele acestora.

Figura 1.2-1 Schmea bloc a automatului

RELEU

SISTEM DE INCALZIRE

POMPĂ DE AER(FILTRU)

TUBFLUORESCENT

CEAS DE TIMP REAL

BUTOANE

PIC 16F877

SENZORTEMPERATURĂ

MOTOR DC

DISPLAY

RELEU RELEU