BOOM & S.O.S
(Rilevatore di caduta)
Progettato e realizzato da :
Fiore Simone e Timotin Andrei
A.S. 2010/2011
Classe 5°A Elettronica e
Telecomunicazioni
INDICE
Descrizione Generale
o
INTRODUZIONE
o
FUNZIONAMENTO
o
CATENA DI ACQUISIZIONE DATI
o
TRASMISSIONE SERIALE
ASINCRONA
o
TRASMISSIONE/RICEZIONE
WIRELESS E MODULAZIONE
o
SVILUPPI FUTURI
Design
o
STRUTTURA INTERNA TX / RX
o
SCHEMA ELETTRICO
TX / RX
o
MASTER DEL CIRCUITO TX / RX
o
o
o
o
o
o
Hardware
PIC16F876A
ACCELEROMETRO MMA7260QT
GIROSCOPIO LPY510AL
AMPLIFICATORE OPERAZIONALE
LM324
MODULO TRASMETTITORE AUREL
OOK TX-4M10HA
MODULO RICEVITORE AUREL RX4M50RR30SF
Software
o DIAGRAMMA A BLOCCHI TX / RX
o PROGRAMMA LINGUAGGIO
ASSEMBLER TX / RX
Introduzione
Altre cause
esterne dei
traumatismi e
degli
avvelenamenti;
19.3
MASCHI
Accidenti causati
da incendi e da
fuoco; 1.2
Una delle più frequenti cause di
decesso è il trauma accidentale che si
verifica soprattutto nel caso di persone
anziane e operai che nel momento
dell’incidente si trovano soli in
ambiente domestico o lavorativo e a
causa
del
mancato
tempestivo
intervento medico, il trauma diventa
grave e nel peggiore dei casi mortale.
Il nostro innovativo dispositivo di
rilevazione di caduta è in grado di
assicurare un immediato soccorso al
soggetto che subisce un forte trauma
attraverso una tempestiva chiamata di
emergenza ad alcuni numeri telefonici
già configurati.
Incidenti stradali;
45.9
Cadute
accidentali; 32.3
Avvelenamenti
accidentali; 1.3
Altre cause
esterne dei
traumatismi e
degli
avvelenamenti;
12.8
FEMMINE
Accidenti causati
da incendi e da
fuoco; 1.4
Incidenti stradali;
16.4
Avvelenamenti
accidentali; 1.5
Cadute
accidentali; 68.0
Funzionamento
•
•
•
L’idea sviluppata consiste nella realizzazione di un
piccolo dispositivo portatile che con l’uso di un
sensore triassiale di accelerazione e un sensore
giroscopico
biassiale
interfacciati
con
un
microprocessore, riesca a distinguere tra le normali
azioni di vita quotidiana gli eventi di caduta inviando
un messaggio di allarme alla centralina attraverso
una coppia di moduli ricetrasmittenti. Se il segnale di
allarme non viene disattivato premendo un pulsante
sulla stazione ricevente entro il tempo d’attesa (10
sec. regolabili) il microprocessore provvederà a
comporre i numeri telefonici per il soccorso.
L’utente potrà utilizzare il dispositivo posizionandolo
sulla cintura dei pantaloni, punto di minor intralcio
alle varie attività, nonché parte del corpo più stabile
e meno sensibile ai normali movimenti.
Le possibili applicazioni
sono mirate a
salvaguardare la salute delle persone anziane che
vivono da sole, per la tutela dei lavoratori in ambienti
isolati e/o molto rumorosi presso aziende e cantieri.
Sistema di acquisizione/distribuzione dati
I due sensori generano una tensione proporzionale al’intensità della grandezza fisica alla quale
sono sollecitati, essa viene nel caso dell’accelerometro, portata direttamente in ingresso al
microcontrollore che provvede attraverso le porte analogiche/digitali a convertire tale tensione in
una grandezza binaria.
L’intervallo di tensione all’uscita dell’accelerometro varia da 0,23V a 3,3V questo provoca il non
utilizzo dell’intera scala digitale e quindi vengono trascurate le parole binarie corrispondenti alle
tensioni comprese tra 0V e la tensione di massima accelerazione negativa 0,23V.
Nel caso del giroscopio le tensioni corrispondenti ai due assi vengono condizionate per utilizzare
tutto il range dei valori del convertitore AD perché la tensione fornita dal giroscopio varia da un
minimo di 0,23V a un massimo di 2,23V.
Conversione A/D
Il convertitore AD integrato nel microcontrollore
PIC16F876A ha una risoluzione massima di 10
bit, per semplificare il software, abbiamo
sfruttato solamente gli 8 bit più significativi in
considerazione del fatto che non è richiesta una
elevatissima precisione.
La tensione di fondo scala 3,3V è stata scelta
perché nessuno dei due dispositivi raggiunge
una tensione superiore e quindi per evitare di
condizionare
la
tensione
in
uscita
dall’accelerometro alla tensione standard del
PIC contenendo lo spazio.
Il tempo totale di conversione è dato dalla
somma del tempo di acquisizione del
condensatore di sample & hold più il tempo di
conversione
dell’ADC
per
10
bit
ad
approssimazioni successive.
Tconv = Tacq + 11*Tad
= 24u + 11*0,7u = 31,7us
Q = VFs/2^nb = 3,3V/2^8 = 12,89mV
FMcamp = 1/ ( 3(Tconv + 12us + 1us) + 5us) = 7,2KHz
Convertitore A/D ad approssimazioni successive
Il convertitore risulta composto da: un comparatore, un registro ad approssimazioni successive
(SAR), un convertitore D/A e un generatore in clock.
La tensione analogica in ingresso è applicata al comparatore, si invia un impulso SC (Start
Conversion) al SAR determinando l’inizio della conversione. Il bit più significativo del SAR
viene portato a 1, la parola in uscita dal SAR viene convertita dal convertitore D/A la cui
tensione è applicata al comparatore. Questo confronta le tensioni in ingresso: se V’<Vi l’uscita
del comparatore è alta e quindi il valore 1 della cifra è confermato; se V’>Vi significa che la
parola digitale del SAR è maggiore della parola digitale corretta. Ad ogni impulso del clock
viene provato il bit di peso immediatamente inferiore a quello precedente. Il procedimento si
conclude quando è stato testato anche il bit meno significativo. I bit di uscita del SAR sono gli
stessi che si portano all’uscita.
•La conversione dura sempre n+1 con n = numero di bit.
Protocollo di Trasmissione seriale
Per far comunicare il dispositivo mobile posto sulla cintura e la centralina abbiamo
scelto di integrare il protocollo di trasmissione seriale nel software del microcontrollore,
abbiamo deciso di utilizzare questo protocollo per la sua semplicità. La trama totale è
composta da 10 bit, il primo bit ad essere trasmesso è uno 0 ed è il bit di START.
Successivamente viene spedita la stringa contenente i dati (8bit) dal bit meno
significativo al più significativo, infine un 1 che identifica il bit di STOP. Non abbiamo
utilizzato bit di controllo come quello di parità.
La stazione ricevente elabora i dati ricevuti e controlla che la stringa sia arrivata in
modo corretto verificando il bit di START e di STOP.
I dati vengono trasmessi a una frequenza di 300 bit/sec per il corretto funzionamento
dei moduli wireless.
La modulazione
o
o
o
Le modulazioni sono delle tecniche che si
applicano al segnale da trasmettere a distanza, allo
scopo di adattarlo alle caratteristiche del canale di
comunicazione, mantenendo però invariata la sua
informazione. La modulazione inoltre consente la
multiplazione, cioè la trasmissione contemporanea
di molteplici segnali sullo stesso canale senza
interferenze.
L'operazione di modulazione necessita di un
modulatore, dispositivo elettronico in grado di
traslare in frequenza il segnale mantenendo
invariata l'informazione da trasmettere .
Al
modulatore
devono
pervenire
contemporaneamente sia il segnale modulante
(informazione da trasmettere sotto forma di
corrente elettrica o di tensione elettrica), che quello
detto portante, il quale consentirà la traslazione in
frequenza del segnale modulante.
Tipi di modulazione
o
Le modulazioni si differenziano a seconda del tipo di:
segnale modulante che può essere un segnale analogico (modulazioni
analogiche), o numerico (modulazioni numeriche e impulsive) sotto forma di
impulsi binari o multilivello.
segnale portante che può essere sia analogico sinusoidale che costituito da una
serie di impulsi .
In base al tipo di mezzo trasmissivo e al tipo di informazione che si intende trasferire,
sono possibili i seguenti tipi di modulazione :
I motivi della modulazione
Il processo di modulazione è eseguito per i seguenti motivi :
o Traslazione della banda del segnale informativo nella banda passante del canale di comunicazione;
o Se i segnali devono essere trasmessi mediante onde radio (comunicazione wireless) si verifica che
l'antenna (in trasmissione come in ricezione) ha una lunghezza proporzionale alla lunghezza d'onda,
per esempio, ad un segnale audio in banda base occorrerebbe una antenna della lunghezza di
alcuni chilometri:
o
o
o
pertanto improponibile perché la potenza necessaria ad alimentare un'antenna di queste dimensioni
sarebbe enorme e il trasmettitore risulterebbe pesante e troppo voluminoso;
Modulando un segnale a frequenze diverse, è possibile far transitare sullo stesso mezzo trasmissivo
più segnali contemporaneamente, come ad esempio il comune sistema telefonico che permette l’uso
contemporaneo della stessa linea telefonica a più utenti. (FDM - multiplazione a divisione di
frequenza);
Il segnale modulato può essere codificato così da ridurre gli effetti del rumore; la natura del segnale
stesso è tale da concentrare il suo spettro nelle frequenze più basse, mentre i mezzi trasmissivi
hanno un miglior rendimento ovvero miglior risposta in frequenza a frequenze più elevate o
comunque diverse dalla banda base del segnale originario;
Si ha infine una semplificazione dei circuiti adottati per la trasmissione e la ricezione dei segnali.
Moduli Tx/Rx Wireless
I moduli wireless che abbiamo utilizzato sfruttano la modulazione digitale OOK (On-Off
Keying) per la trasmissione simplex dei dati.
Questa modulazione consiste nell'assegnare un'ampiezza A alla portante in
corrispondenza della cifra "1", mentre l'ampiezza è nulla se la cifra da trasmettere è "0" .
Un vantaggio della modulazione OOK è il risparmio di potenza che avviene durante la
trasmissione dello "0", perché il segnale sull'antenna risulta assente.
Codifica Manchester
Il modulo ricevitore Aurel è dotato del dispositivo
PLL (Anello ad Aggancio di Fase) che è composto
da un rilevatore di fase, un filtro Passa Basso e da
un amplificatore che tramite un VCO realizza un
circuito retroazionato, funziona come un filtro
Passa Banda con frequenza variabile in modo da
seguire lo spostamento della riga (mobile a causa
del rumore) del segnale nello spettro. Per far
nascere questa riga adottiamo nel software di
trasmissione la codifica Manchester in modo che il
PLL rilevi la riga e rimanga sempre agganciato in
modo da poter sempre estrarre il sincronismo.
La codifica Manchester assegna un fronte di salita
per i bit di valore “1” e un fronte di discesa per
quelli di valore “0”.
Sviluppi futuri
•
•
Essendo un prototipo le dimensioni dei circuiti non sono particolarmente contenute. In
futuro sarà possibile una ulteriore miniaturizzazione della struttura hardware. Inoltre
sarà possibile utilizzare un modulo GSM integrato per contenere le dimensioni della
stazione ricevente fissa. L’algoritmo software può essere ulteriormente ottimizzato con
l’aggiunta di un controllo, in tempo reale, della posizione in cui si trova l’utente, per cui
oltre alla rilevazione della caduta sarà possibile anche una individuazione del luogo
dove è avvenuta la caduta.
L’hardware è stato predisposto anche per l’utilizzo del microcontrollore PIC18F2550
che permette una maggiore velocità software fino a 48MHz e il perfetto
interfacciamento con il sensore giroscopico.
PIC16F876A
IL PIC16F876A è un microcontrollore che
all’interno racchiude tutti i circuiti necessari
a realizzare un completo sistema digitale
programmabile. In maniera molto semplice
possiamo affermare che si tratta di un
computer in miniatura che per funzionare
necessita di un programma da istallare al
suo interno. È dotato di una memoria di tipo
flash ovvero scrivibile e cancellabile
mediante l’uso di un programmatore.
Caratteristiche principali:
• set di sole 35 istruzioni di base
• Stack a 8 livelli
• Corrente di sink/source di 25mA per
ciascun piedino
• Alimentazione da 2 a 5.5V
• Massima frequenza di clock 20MHz
• Memoria di programma: CMOS Flash
da 8 KByte
• 368 Byte di RAM
• Memoria dati EEPROM con 256 Byte
• 3 Timer interni
• Due moduli CCP (PWM)
• Convertitore A/D a 10 bit con 5 canali
• Modulo per la comunicazione seriale
asincrona (USART)
•Compatibile con I2C Bus
ACCELEROMETRO MMA7260QT
•Dimensioni: 20x14x3 mm
•Tensione di alimentazione: 3,3-16V
•Corrente assorbita: 1,35mA
•Range della tensione d’uscita: 0,23-3,3V
•Range di sensibilità: +/- 1,5g, 2g, 4g, 6g
L’accelerometro è un circuito integrato in grado di
fornire una tensione proporzionale all’intensità
dell’accelerazione cui è sottoposto. L’MMA7260QT
può essere alimentato attraverso il pin 3,3V con una
tensione nel range tra 2,2V a 3,6V, in alternativa la
scheda può essere alimentata con tensioni
superiori, fino a 16V usando in pin VIN che è
collegato al regolatore low-dropout da 3,3V. In
questa configurazione il pin Vcc a 3,3V può essere
usato come uscita per riferimento o per alimentare
altri dispositivi a bassa potenza, nel nostro caso
questa tensione è stata utilizzata come tensione di
riferimento superiore per ADC integrato nel PIC.
I pin per la selezione della sensibilità GS1 e GS2
possono essere configurati in modo da avere una
sensibilità: 1,5g, 2g, 4g, 6g. Dopo diverse prove
pratiche abbiamo optato per la configurazione a 4g.
GIROSCOPIO LPY510AL
•Dimensioni: 25x12x3 mm
•Tensione di alimentazione: 3,3-16V
•Corrente assorbita: 1,35mA
•Range della tensione d’uscita: 0,23-2,23V
•Range di sensibilità: +/- 100, 400 °/s
Il giroscopio è un dispositivo integrato in
grado di fornire una tensione proporzionale
alla velocità di rotazione cui è sottoposto.
Questo dispositivo a due assi ha una
sensibilità di ±100°/s oppure di ±400°/s ed
entrambi i segnali sono disponibili
contemporaneamente sui pin d’uscita, può
essere alimentato con tensioni fino a 16V
usando in pin VIN che è collegato al
regolatore low-dropout da 3,3V.
L’uscita è una tensione analogica filtrata
Passa Basso che può variare tra 0V e 3,3V;
senza alcuna rotazione la tensione di uscita
è tipicamente 1,23V indipendentemente
dalla tensione di alimentazione. In
applicazioni a 5V, l’uscita a 3,3V può
essere usata come riferimento per la
conversione analogico-digitale.
Per sfruttare questo dispositivo è servito
condizionare il segnale in uscita dai pin X e
Y in modo da renderli compatibili con i livelli
di tensione del convertitore AD.
AMPLIFICATORE OPERAZIONALE LM324
o
o
o
o
o
Frequenza di transizione: 1,3MHz
Guadagno: 100dB
Corrente d’uscita: 40mA tip.
Tensione di alimentazione: singola: +3V a +30V
duale: ±1,5V a ±15V
Un amplificatore differenziale è un tipo di
amplificatore elettronico che moltiplica la
differenza tra due ingressi per un fattore
costante, il guadagno differenziale.
o
o
o
o
o
Questa configurazione è stata utilizzata per il
condizionamento di segnale del giroscopio.
Vu = A(V1-V2) = (Rf/R)(V1-V2)
A = Δ Vu/ΔVi =(3,3-0)/(2,23-0,23) = 1,65
Fissiamo R=220KΩ
Ricaviamo Rf= A*R= 363KΩ = 330KΩ + 33KΩ
AUREL OOK TX-4M10HA
o
o
o
• Tensione di alimentazione: 3V
• Corrente assorbita: 25mA
• Frequenza della portante: 433,92MHz
• Potenza di uscita: 10mW
Questo dispositivo è un trasmettitore
wireless con portante a RF che lavora
in modulazione digitale ON-OFF Keying
con antenna elicoidale integrata
Per un corretto funzionamento richiede
un condensatore di filtro dell’ordine del
centinaio di nanofarad.
Per interfacciarlo con il microcontrollore
abbiamo utilizzato un transistor BC237
in configurazione ad emettitore comune
come adattatore di impedenza.
AUREL RX-4M50RR30SF
o
o
•
•
•
•
•
Il dispositivo ricevitore RF digitale è
dotato di una elevata sensibilità,
selettività, ed alta immunità ai campi
elettromagnetici interferenti ottenuto con
l’impiego di filtro SAW in ingresso e
schermo metallico.
In ingresso al ricevitore è stata inserita
una resistenza di pull-down per avere
una diminuzione della rumorosità.
Tensione di alimentazione: 5V
Impedenza di ingresso: 50Ω
Frequenza di lavoro: 433,92MHz tip.
Corrente assorbita: 3mA
Dimensioni: 40x17,5x5,5 mm
Struttura interna del rilevatore
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Microcontrollore PIC16F876A (M)
Accelerometro MMA7260QT
Giroscopio LPY510AL
Amplificatore Operazionale LM324N
Regolatore di tensione 78L05
Trasmettitore Aurel OOK TX-4M10HA
Relè SIP-1A05
Batteria ricaricabile 9V
Struttura interna della stazione
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Microcontrollore PIC16F876A (M)
Regolatore di tensione 78L05
Ricevitore Aurel OOK RX-4M50RR30SF
Relè SIP-1A05
Trasformatore 230V/24V
Trasformatore 230V/3,7V
Raddrizzatore a ponte di Graetz
