Filmulet : http://www.youtube.com/watch?v=W2ddYMxJUZw

BabyAlarm este o alarma pentru copii care incep sa planga pentru a-i alerta pe parinti. In functie de o intensitate sonora, se declanseaza aprinderea unei alarme sub forma unui LED rosu, care palpaie foarte rapid,astfel,daca parinti se afla intr-o alta camera de unde nu-si pot auzi copilul plangand, sunt alertati de catre acest led. Dispozitivul consta din doua placute (circuite). Unul care sta in camera copilului, si ii inregistreaza cu un microfon intensitatea sonora. Si celalalt, constand intr-o placuta cu leduri de diferite culori, care incep sa se aprinda pe masura ce semnalul de la microfon este din ce in ce mai puternic -adica copilul incepe sa planga .Didactic este interesant deoarece familiarizeaza studentul cu diferite metode de a converti vocea umana din analog în digital, precum şi cu instrumentele disponibile pe microcontrollerul ATMEGA16 ce se preteaza unei astfel de întrebuinţari. Pentru simplitate si pentru reducerea costurilor, am implementat ambele circuite pe aceeasi placuta.

După cum se vede din figură, echipamentul este format din mai multe etaje. Aceasta este datorată faptului că mecanismul transformării unui sunet analog în ceva digital si apoi recompunerea sa, se realizează în mai mulţi paşi ce vor fi explicaţi mai jos.

Achiziţia semnalului

Se bazează în principal pe colectarea unui semnal analogic de la un microfon şi supunerea sa unui proces de eşantionare şi filtrare. Aceste transformari ţin cont de anumite particularităţi ale vocii umane, si elimină astfel anumite caracteristici ale semnalului primit pentru a asigura o stocare si o redare cât mai eficientă. Se urmăreşte obţinerea la ieşire a unui sunet de o calitate asemănătoare celei telefonice. Semnalul aflat la ieşirea microfonului poate fi descris ca o variaţie continuă, aparent aleatoare, a unei tensiuni X(t). Acesta va trebui să fie filtrat şi amplificat, astfel încat informaţia nerelevantă să dispară. Vocea umană variază ca frecvenţă fundamentală între 85-155 Hz pentru bărbaţi şi 165-255 Hz pentru femei. Ne va interesa sa inregistrăm atât frecvenţa fundamentală cât şi cele mai relevante armonice superioare pentru aceste frecvenţe. Studiile au stabilit că exista informaţie folosibilă pentru frecvenţe până la 3000 Hz. Astfel tot ce se va găsi mai sus de această frecvenţă va fi filtrat. Dupa ce am stabilit frecvenţa maxima ce ne interesează, vom calcula perioada de eşantionare folosind teorema Shannon.

T >= fmax/2

Dacă nu se respectă legea de mai sus, armonicele semnalului primit se vor întrepătrunde, astfel încat identificarea lor şi recuperarea lor individuală nu se va mai putea realiza exact (fenomenul se numeşte aliasing).

Pe lângă această eşantionare în timp, mai trebuie executată una în tensiune pentru a determina discret marimea semnalului la fiecare moment de timp. Aceasta se datoreaza limitării echipamentelor digitale. Vom folosi o înregistrare pe 8 biţi, deci cu aceştia putem mapa fix 256 nivele de tensiune. Aceasta transformare asupra semnalului primit se soldează întodeauna cu pierdere destul de mare de informatie. Cantitaiv aceasta eroare este invers proporţionala cu plaja de tensiuni.

ε ~ 1/|Xmax(t)-Xmin(t)|

Pentru a ajusta calitatea semnalului redat la ieşire, va trebui introdus la intrare un amplificator care să regleze nivele de tensiune (se observă ca ideal ar fi sa fie cât mai mare diferenta dintre ele). Ultimele transformări ale semnalului sunt ilustrate mai jos.

• Utilizatorul va putea interactiona cu placuta, prin intermediul unui singur buton. Prin apasarea acestui buton incepe sa se primeasca semnal de catre ADC prin portul A (PA0).

• Afisarea se va face prin aprinderea mai multor LED-uri de diferite culori in functie de intensitatea sonora.

Circuit de intrare + iesire

Este conceput simplu dintr-un microfon şi un amplificator operaţional, legat la un inversor, si urmat de un filtru RC. Schema este prezentata mai jos.

Etajul primeste semnal de la microfonul MIC, ce este alimentat de către rezistenţa R4 de la Vcc. Condensatorul C1 are ca rol eliminarea componentei curente a semnalului. Amplificatorul operaţional LM324 este legat in inversor cu R1 şi R9 rezistenţele de control ale amplificării. R2 si R3 sunt folosite pentru a dicta nivelul de referinţa. Ieşirea este trecuta printr-un filtru trece jos de tip RC. Rezistorul R5 este folosit şi pentru a proteja ieşirea amplificatorului de scurt. Ieşirea este pe condensatorul C2.

Circuit de intrare + iesire -varianta 2

Am constatat ca amplificarea nu este prea mare si nici nu se elimina zgomotele si am incercat sa folosesc doua etaje de amplificare din cadrul amplificatorului LM324 (care are 4 amplificatoare incorporate). De asemenea, semnalul venit de la microfon este filtrat de zgomote.

Circuitul de iesire este format din 5 leduri de culori diferite si 5 rezistente de 1K pentru a limita excesele de voltaj (in caz ca sunt). Fiecare led in parte se alimenteaza direct de la cate un pin de pe portul A (PA2-PA6) al microcontrolerului si impamantarea se afla pe pinul 10 (GND).

Circuit card SD

Circuit Atmega16 si programator USB

Pe langa Microcontrollerul ATMega si componentele necesare programatorului si interfetei seriale se vor folosi urmatoarele componente:

• 5 Leduri de culori diferite
• 5 Rezistente de 1k pentru fiecare LED in parte

• 1 microfon condesator: http://www.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?PName?Name=423-1019-ND&Site=US
• 1 amplificator quad LM324: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/2/LM324.shtml
• 2 condensatoare - unul polarizat de 10uF si altul 4n7
• 4 rezistente 4k7
• 4 rezistente 47K
• 1 rezistenta 12K
• conector pentru pini SIL

Programul va fi scris folosind limbajul de programare C cu ajutorul mediului de dezvoltare AVR Studio 4. Algoritm:

• Se asteapta apasarea butonului (PD6) pentru a incepe sa se primeasca semnal de la circuitul de intrare (legat pe PA0)
• Se convertesc datele din analog in digital cu functia ADC_get(channel) ,unde channel = PA0
• Am constatat ca datele intoarse in integer se afla intre 600-850, si am aprins cate un led o data la cresterea cu 50
• Daca se depaseste valoarea de 830, inseamna ca semnalul este puternic (copilul incepe sa urle) si am inceput alarma care se afla pe PD7. Si sting ledul de pe PD7 si-l aprind la un interval de 200 ms.
• Daca nu se mai apasa butonul, totul se reinitializeaza.

Filmulet : http://www.youtube.com/watch?v=W2ddYMxJUZw

Convertorul incorporat pe microcontrollerul ATMEGA16 este destul de incet (samplingul este de maxim 15kbps, de unde rezulta banda de frecvente va avea maxim 7.5kHz), deci ar fi fost mai eficienta folosirea unui ADC extern, mai performant. Practic inregistrarea si compararea semnalelor se face doar pentru frecventele joase.

Costuri:

Se mai poate crea un modul din leduri, care in momentul inceperii copilului sa planga, sa intre in functiune si sa incerce sa-l binedispuna cu tot felul de animatii si jocuri de lumini/culori pana in momentul ajungerii parintilor in camera.

cca_babyalarm.zip

Email:coltos.cosmin@yahoo.com

Coordonatori: Adrian Mocanu, Cristian Talau, Razvan Tataroiu

Documentatie:

• Ghid realizare placuta de baza cu programator serial: http://elf.cs.pub.ro/pm/wiki/pm/tutorial/placa
• Analog-Digital Converter: http://elf.cs.pub.ro/pm/wiki/lab/lab3
• Led-uri si butoane: http://elf.cs.pub.ro/pm/wiki/lab/lab1

Datasheet:

• Microfon condensator MCE100: http://www.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?PName?Name=423-1019-ND&Site=US
• Amplificator operational LM324: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/2/LM324.shtml
• Microcontroler Atmega16: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/A/T/M/E/ATMEGA16-16AC.shtml