Proiectul constă în realizarea unui instrument de măsură 2-în-1, portabil, bazat pe un microcontroller ATmega328P standalone. Dispozitivul combină funcționalitatea unei rulete digitale (măsurarea distanței fără contact) cu cea a unei nivele electronice (boloboc digital pentru determinarea gradului de înclinare), oferind date în timp real pe un afișaj LCD și feedback sonor.

Sistemul obține date de la două module senzoriale:

- Senzorul Ultrasonic HC-SR04 - folosit pentru a măsura timpul de zbor al sunetului și a calcula distanța până la un obstacol.

- Senzorul Inerțial MPU-6050 - un modul cu accelerometru și giroscop care comunică prin protocolul I2C, folosit pentru a calcula unghiul de înclinare pe axele X și Y.

Utilizatorul primește informațiile vizual, pe un ecran LCD text 16×2, și auditiv, printr-un buzzer pasiv. Sistemul sonor este dinamic: emite bip-uri a căror frecvență se modifică pe măsură ce dispozitivul se apropie de unghiul de 0 grade (orizontala perfectă), transformându-se într-un ton continuu la nivelare optimă.

Ideea a pornit de la necesitatea de a avea o unealtă de măsură multifuncțională pentru proiecte de bricolaj (DIY), demonstrând totodată capacitatea de a prelucra date brute de la senzori diferiți și de a le transforma în mărimi fizice reale (centimetri și grade).

Laboratoare folosite: GPIO, Timere, PWM, I2C.

1. Flux de funcționare - Modul Ruletă:

ATmega328P trimite un impuls scurt (10µs) pe pinul Trig al HC-SR04.

Senzorul emite un tren de impulsuri ultrasonice și ridică pinul Echo.

Microcontrollerul măsoară lățimea impulsului Echo folosind un Timer/Întrerupere.

Distanța este calculată și actualizată pe ecranul LCD.

2. Flux de funcționare - Modul Nivelă:

Microcontrollerul interoghează constant senzorul MPU-6050 prin magistrala I2C.

Datele brute de accelerație pe axele X, Y, Z sunt preluate și trecute printr-o funcție trigonometrică (atan2) pentru a afla unghiul de înclinare.

Valoarea este afișată pe rândul doi al LCD-ului.

Modulul PWM controlează buzzer-ul pasiv: dacă unghiul este 0°, buzzer-ul emite un semnal continuu; altfel, generează pulsuri cu pauze proporționale cu unghiul de înclinare.

LCD-ul și MPU-6050 împart același bus I2C (PC4/PC5) deoarece protocolul I2C permite mai multe dispozitive pe aceleași fire, fiecare identificat printr-o adresă unică (LCD: 0x27, MPU-6050: 0x68). Buzzer-ul este conectat la PB1 deoarece acesta suportă ieșire PWM hardware prin Timer1 (OC1A), permițând generarea de tonuri fără să blocheze procesorul. Butoanele folosesc pull-up intern activat din software, deci nu necesită rezistențe externe.

La momentul actual au fost testate și confirmate funcționale următoarele componente:

• LCD 16×2 cu modul I2C - afișează text corect, adresă I2C confirmată la 0x27 (scannerul returnează 0x4E, echivalentul shiftat cu 1 bit)
• MPU-6050 - răspunde pe bus-ul I2C la adresa 0x68 (scannerul returnează 0xD0, echivalentul shiftat cu 1 bit)
• Buzzer pasiv - generează bip-uri cu frecvență controlabilă prin semnal PWM software
• Butoane (PD4, PD5) - detectate corect prin polling cu pull-up intern
• HC-SR04 - conectat pe PD2 (Trig) și PD3 (Echo), urmează testare software

Toate componentele active sunt conectate simultan și funcționează fără conflicte pe același breadboard.

Se poate observa că butoanele și display-ul funcționează. Testarea a fost făcută cu un cod simplu care afișează un mesaj pe display când unul din butoane e observat ca fiind apăsat.

Proiectul este dezvoltat în VS Code cu extensia PlatformIO, folosind toolchain-ul AVR-GCC. Nu sunt folosite librării third-party — tot codul este implementat de la zero, direct pe registrele hardware ale ATmega328P. Această alegere a fost făcută deliberat pentru a înțelege și controla complet comportamentul hardware, fără abstracții care ar putea ascunde probleme de timing sau consum de resurse.

• <avr/io.h> — definițiile registrelor hardware ale ATmega328P (TWCR, TCCR1A, PORTD etc.). Folosită în toate modulele.
• <avr/interrupt.h> — macrourile ISR() și sei() pentru definirea și activarea întreruperilor. Folosită în buzzer.c pentru ISR(TIMER2_COMPA_vect).
• <util/delay.h> — funcțiile _delay_ms() și _delay_us() pentru delay-uri precise bazate pe F_CPU. Folosită în inițializări, debounce butoane și pulsul Trig al HC-SR04.
• <math.h> — funcția atan2f() pentru calculul unghiului de înclinare din datele brute ale accelerometrului. Necesită flag-ul de compilare -lm în platformio.ini.
• <stdlib.h> — funcțiile utoa() și itoa() pentru conversia distanței și unghiului din integer în string pentru afișare pe LCD.
• <stdint.h> — tipurile fixe uint8_t, uint16_t, int16_t, int32_t pentru control precis al dimensiunii variabilelor pe arhitectura pe 8 biți.

Toate bibliotecile folosite sunt parte din avr-libc, distribuită împreună cu toolchain-ul AVR-GCC. Nu sunt folosite librării third-party externe.

• src/main.c — bucla principală, logica modurilor, gestionarea butoanelor
• lib/display/i2c.c — driver I2C hardware (modulul TWI al ATmega328P)
• lib/display/lcd.c — driver LCD HD44780 în mod 4-bit peste I2C (PCF8574)
• lib/hcsr04/hcsr04.c — driver senzor ultrasonic HC-SR04
• lib/mpu6050/mpu6050.c — driver MPU-6050 (citire accelerometru + calcul unghi)
• lib/buzzer/buzzer.c — driver buzzer PWM non-blocant via Timer1 + Timer2

• GPIO — citirea butoanelor (PD4, PD5) prin polling cu pull-up intern activat software (PORTD |= biți). Butoanele folosesc logică inversată: nivel LOW = apăsat. Pinul Trig al HC-SR04 (PD2) e controlat tot prin GPIO ca ieșire digitală.

• Timere — două timere hardware folosite simultan cu roluri distincte. Timer1 (16-bit) în mod Fast PWM (WGM mode 14, TOP=ICR1) generează semnalul PWM pentru buzzer pe OC1A (PB1), frecvența controlată prin ICR1, duty cycle 50%. Timer2 (8-bit) în mod CTC cu întrerupere pe compare match (ISR(TIMER2_COMPA_vect)) numără milisecundele pentru durata buzzer-ului, făcându-l non-blocant.

• Întreruperi — ISR(TIMER2_COMPA_vect) decrementează un contor de milisecunde și oprește buzzer-ul automat când durata expiră, fără să blocheze CPU. sei() activează întreruperile globale în main().

• PWM — buzzer-ul pasiv necesită un semnal PWM pentru a vibra la frecvența dorită. Frecvența variază în funcție de context: 1500Hz (distanță <20cm), 1000Hz (20-100cm), 600Hz (>100cm) în modul ruletă, și 2000Hz când unghiul e ≤3° în modul nivelă.

• I2C — LCD-ul (PCF8574, adresă 0x27) și MPU-6050 (adresă 0x68) comunică pe același bus I2C (PC4/PC5). Protocolul este implementat manual prin modulul TWI hardware al ATmega328P la 100kHz (TWBR=0x48, prescaler=1). Ambele dispozitive sunt identificate prin adrese unice, fără conflicte pe bus.

Proiectul combină două instrumente de măsură independente într-un singur dispozitiv portabil, controlat prin același set de butoane și afișat pe același LCD. Elementul distinctiv este feedback-ul sonor adaptiv: în modul ruletă, frecvența bipului variază cu distanța măsurată; în modul nivelă, buzzer-ul emite un ton de 2000Hz când dispozitivul e la ±3° de orizontală, oferind feedback auditiv fără a privi ecranul — util în situații practice de bricolaj.

Interacțiunea dintre module urmează un flux unidirecțional clar:

• Butoane (GPIO) → main.c detectează apăsarea și comută modul sau declanșează măsurătoarea
• HC-SR04 → hcsr04_measure_cm() trimite puls Trig (10µs) și măsoară durata Echo prin polling cu buclă calibrată
• MPU-6050 → mpu6050_get_angle_x() citește accelerometrul prin I2C și calculează unghiul cu atan2f() din <math.h>, cu medie mobilă pe 8 citiri pentru stabilitate
• LCD → lcd_print() afișează rezultatul prin PCF8574 pe bus-ul I2C
• Buzzer → buzzer_tone() setează frecvența pe Timer1 și durata pe Timer2 prin întrerupere, returnând imediat controlul către main()

Implementarea inițială folosea o buclă polling cu _delay_us(1) pentru a măsura durata pulsului Echo. Această abordare introducea erori sistematice semnificative: la 21cm reali, senzorul raporta 13cm, iar la 23cm reali raporta 15cm — o eroare de ~38%.

Cauza: overhead-ul instrucțiunilor AVR-GCC în buclă făcea ca fiecare iterație să dureze ~1.45µs în loc de 1µs, distorsionând calculul distanței.

Soluția implementată: calibrare empirică cu factor ajustat și corecție liniară pentru distanțe mari:

int factor;
 
factor = 36;
 
uint16_t dist = duration / factor;
 
return dist;

Factorul /36 a fost determinat prin măsurători la distanțe cunoscute cu o ruletă.

• Buzzer non-blocant — înlocuirea _delay_ms() blocant cu Timer2 + întrerupere permite CPU-ului să continue execuția în timp ce buzzer-ul sună. Fără această optimizare, un bip de 200ms ar bloca complet butoanele și LCD-ul.
• Medie mobilă pe 8 citiri pentru MPU-6050 — reduce zgomotul accelerometrului de la ±3° la sub ±1°, fără a folosi float în acumulare (suma e pe int32_t).
• Separarea timerelor — Timer1 exclusiv pentru frecvența PWM a buzzer-ului, Timer2 exclusiv pentru durata buzzer-ului prin întrerupere, evitând orice conflict între cele două funcționalități.
• Debounce software pe butoane — delay 30ms + verificare dublă + așteptare eliberare, elimină citirile false fără componente hardware suplimentare.
• Refresh parțial LCD în modul nivelă — în loc de lcd_clear() la fiecare iterație (care produce flickering vizibil), se suprascrie doar zona valorii cu spații, păstrând eticheta fixă pe rândul 1.

• LCD + I2C — confirmat funcțional cu scanner I2C (adrese 0x4E și 0xD0 găsite) și cu cod de test care afișează mesaje la apăsarea butoanelor
• MPU-6050 — validat prin comparație cu un telefon cu aplicație de nivel digital; eroarea e sub ±1° pe plaja ±45°
• HC-SR04 — calibrat cu obiecte la distanțe cunoscute (riglă), eroare sub 2cm între 5-100cm
• Buzzer — validat auditiv, tonuri distincte pentru fiecare interval de distanță și non-blocant confirmat prin răspuns imediat al butoanelor în timpul bipului
• Butoane — testate cu cod dedicat care afișează mesaj pe LCD la apăsare
• Ansamblu — componentele si interactiunea dintre ele au fost testate in mod repetat in timpul scrierii codului si al procesului de calibrare, dupa testarile individuale

Video demonstrativ — în curs de realizare

• 20.04.2026 - alegerea temei și componentelor
• 30.04.2026 - finalizarea listei de componente
• 09.05.2026 - realizarea diagramei bloc și documentației inițiale
• 16.05.2026 - testarea componentelor, realizarea schemei electrice în Fusion360
• 22.05.2026 - finalizarea codului, calibrarea HC-SR04, documentarea Software Design
• 23.05.2026 - realizarea carcasei și integrarea componentelor în forma finală

Export to PDF