Sistem de Telecomandă Radio cu Microcontroler

Rezumat

În lucrarea de faţă se prezintă un sistem de telecomandă radio cu microcontroler care poate fi folosit la comandarea mai multor obiecte/utilaje. Primele capitole au rolul de a face o scurtă prezentare a ceea ce reprezintă comunicaţiile şi undele electromagnetice. După o scurtă istorie, se caracterizează mai succint undele infraroşii şi undele radio care au făcut posibilă renunţarea la transmisia datelor prin cabluri în anumite situaţii ceea ce a dus la reducerea cheltuielilor, la mărirea distanţei de comandă faţă de obiect/utilaj.

În partea finală se prezintă modul de construcţie a radioemiţătorului şi a radioreceptorului împreună cu codurile microcontrolerelor folosite în acest sistem.

Capitolul 1. Introducere

1.1 Generalităţi

De foarte multă vreme omul a fost nevoit să transmită informaţii la distanţe mari. În antichitate, semnalele cu ajutorul focurilor constituiau singura cale de comunicare şi aşa s-a aflat de căderea Troiei sau a Ierusalimului. Totuşi cele două revoluţii care au schimbat substratul civilizaţiei omenesti au fost:

- Revoluţia tehnologică – a constituit un salt în modul de a imagina şi implementa o invenţie, precum si de a folosi maşinile pentru deplasat mai usor;

- Revoluţia electronică- deşi mai puţin cunoscută şi recunoscută, a fost foarte importantă. Consecinţa cea mai importantă a revoluţiei electronice, a constituit-o apariţia radioului. În primii ani de dezvoltare, comunicaţiile radio au fost numite telegrafie sau telefonie fără fir, expresii care nu au rezistat în timp, şi care au fost înlocuite cu termenul generic radio.

Radioul este o metodă de transmitere a sunetului prin unde radio care sunt unde electromagnetice. Nicola Tesla, un fizician sârb din America, a inventat undele radio, dar existenţa lor a fost promovată de Guilermo Marconi, un inventator italian. El a construit un sistem care putea transmite şi primi semnale radio de la o distanţă de mai puţin de 3 km. În 1895 a trimis un semnal radio şi după 2 ani a primit un răspuns radio din Canada, semnul x din limbajul Morse.

Odată cu această descoperire a început să se dezvolte telegrafia şi folosirea codului Morse care a fost foarte important mai ales pentru comunicarea între nave în cazul unor dezastre pe mare. Primul care a transmis un mesaj vocal prin undele radio a fost Reginald Fessenden în 1900. Nikola Tesla a început în 1900 construcţia primei staţii de radio, dar din lipsă de fonduri, a abandonat ideea. Totuşi el este considerat cel care a inventat ideea de staţie de radio cu emisiuni. Cea mai largă folosire a radioului o constituie radiodifuziunea, cu al său caz particular, şi de mare amploare televiziunea. Totuşi, domeniile principale ale radiocomunicaţiilor , inclusiv cele spaţiale, îl reprezintă în continuare radiotelegrafia şi radiotelefonia. Un subdomeniu de largă prezenţă în radiodifuziune este constituit de tehnica redării ci înaltă fidelitate a sunetului.

Începuturile radioului s-au cristalizat în urma fenomenelor fizice, în special electrice, cercetate de pionierii acestei ramuri fascinante, cum ar fi Ampère, Gilbert, Volta, Faraday, Maxwell, Kelvin sau Cavendish. Este unanim admis că primul care a fost în măsură să realizeze o emisie şi o recepţie de unde radio a fost fizicianul german Heinrich Hertz în 1887, care s-a bazat pe propriile studii de fizică teoretică, la care s-au adăugat cele ale predecesorilor săi în special Maxwell. Un alt pionier care a contribuit la dezvoltarea radioului, a fost fizicianul rus Aleksandr Stepanovici Popov, cu al său înregistrator de furtună , 1895, care a realizat primele recepţii sistematice, fiind şi cel căruia i se atribuie inventarea antenei. Guglielmo Marconi, sistematizând datele de până la el, a oferit lumii, în 1896 primul sistem practic de emisie şi recepţie bazat pe undele electromagnetice, bazat pe aparatul lui Tesla. Ulterior, în 1943, a fost recunoscută prioritatea savantului Nicolae Tesla asupra acestei invenţii (1893) (Tesla: „Marconi e un băiat bun. Lasă-l să continue. Foloseşte 17 din patentele mele”). Şi totuşi SUA atribuie în 1865-1866 dr. Mahlon Loomis, un dentist din Philadelphia, realizarea primei transmisiuni fără fir, în statul Virginia de Vest prin eliberarea unui document oficial nr. 129971/30 iulie, şi pune problema exploatării comerciale a fenomenului. Acestea au fost chiar înaintea experienţelor lui Hertz, şi chiar a celebrului articol al lui Maxwell din revista Philosophical Transactions în anul 1865, care se intitula “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”.

În 1843 ia fiinţă primul serviciu telegrafic prin fir, între Washington şi Baltimore, dupa ideea pictorului american Samuel Morse, iar din acel moment nu a mai rămas de făcut decât suprimarea cablului electric, ceea ce s-a şi întâmplat câţiva ani mai târziu. În anul 1870 J.C. Maxwell demonstrează matematic existenţa undelor electromagnetice şi posibilitatea acestora de a se propaga cu viteza luminii (300.000 km/s), întărind astfel ipoteza (nouă la vremea ei), că şi lumina este tot o oscilaţie electromagnetică. În sfârşit, Giuliemo Marconi reuşeşte pentru prima dată să transmită o telegramă de 26 de cuvinte între Glacebay Canada şi Poldhor Anglia (3122 km), punând astfel bazele unei realitaţi, radiocomunicaţiile.

În realizarea unei transmisii radio intervin două tipuri de echipamente. Primul este echipamentul de emisie, care are rolul de a emite în eter informaţia utilă. Acesta, preia informaţia de voce sau altă sursă, printr-un microfon, o aplică unui amplificator pentru ai amplifica semnalul, iar apoi semnalul este direcţionat către un modulator. Aici are loc un amestec al semnalului util, cu un semnal de radiofrecvenţă, provenit de la un oscilator local. Din acest etaj, semnalul este injectat în etajul de radiofrecvenţă şi apoi direct în antenă.

După ce semnalul a fost astfel transformat în radiaţie electromagnetică, intrevine al doilea tip de echipament, cel mai cunoscut, şi anume echipamentul de recepţie sau mai pe scurt radioul. Aici, semnalul captat de antena receptorului, este demodulat, şi apoi transmis unui amplificator de joasă frecvenţă. Difuzorul este ultimul element care mai intervine între radioreceptor si urechea umană. După tipul de modulaţie al undei electromagnetice, întâlnim două tipuri de modulaţie. Acestă frecvenţă modulatoare este asigurată de oscilatorul local al echipamentului din care face parte. Întâlnim Modulaţia în amplitudine AM, şi Modulaţia în frecvenţă FM.

1.2 Clasificarea undelor electromagnetice

Lungimea de undă a luminii este foarte mică. Domeniul vizibil, pentru care avem ca organ specializat ochiul, are lungimea de undă cuprinsă aproximativ în domeniul dintre 400 nm şi 750 nm (1 nm = 10-9 m). Limitele domeniului sunt subiective, fiecare individ percepând un domeniu propriu de lungimi de undă. Limitele de mai sus reprezintă valori medii calculate statistic. Fiecare lungime de undă este percepută ca o culoare diferită, lungimii de undă minime corespunzându-i culoarea violet, iar lungimii de undă maxime corespunzându-i culoarea roşie. Suprapunerea tuturor culorilor din spectrul vizibil formează lumina albă. Cu o prismă se poate descompune lumina albă în componentele sale ca în figura 1.1.

Fig. 1.1. Prisma descompune lumina albă

În timp ce lungimea de undă al undelor electromagnetice din spectrul vizibil are valori foarte mici, frecvenţele acestora au valori foarte mari. Astfel, limitele domeniului vizibil măsurate în valorile frecvenţelor sunt, pentru violet vviolet = 7,5*1014 Hz şi pentru roşu, vrosu =4*1014 Hz. Aceste valori nu depind de mediul prin care se propagă unda. Frecvenţa este o caracteristică a sursei care generează câmpul electromagnetic. Frecvenţele undelor electromagnetice din domeniul vizibil sunt de aproximativ 1012 ori mai mari decât cele ale sunetelor percepute de ureche.

Undele electromagnetice există într-un domeniu de frecvenţe mult mai mare decât domeniul vizibil detectat de ochi. Una din marile realizări ale secolului al 20-lea a fost acela de a învăţa cum să se producă şi să se detecteze undele electromagnetice cu frecvenţe mult diferite de cele din domeniul vizibil.

În figura 1.2 este prezentat spectrul undelor electromagnetice care pot fi produse de om cu frecvenţele cuprinse între 106 Hz şi 1018 Hz. În natură există şi surse de unde electromagnetice cu frecvenţele în afara acestui interval. Un exemplu sunt radiaţiile gama produse de nucleele atomilor a căror lungime de undă măsurată de om ajunge la 3*10-12m, iar frecvenţa la 1020 Hz.