Progetto di un sistema di allarme di terremoti con Arduino – Parte 3

progetti di elettronica

Nel precedente articolo “Progetto di un sistema di allarme di terremoti con Arduino - Parte 2” abbiamo fatto una sintesi del progetto e la descrizione della scheda di sviluppo Arduino UNO R3. In questo articolo inizieremo con un breve riepilogo del progetto e successivamente cercheremo di fare una quanto più esaustiva trattazione del sensore di accelerazione ADXL335, elemento fondamentale per la riuscita del nostro progetto di allarme terremoti.

Riepilogo del progetto

Per chi non avesse seguito gli articoli “Progetto di un sistema di allarme di terremoti con Arduino - Parte 1 e Parte 2”, per riepilogare sinteticamente il progetto ci serviremo dello schema elettrico del dispositivo che riportiamo in Figura 1.

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Figura 1: Schema elettrico del sistema di allarme terremoti

Le tre uscite degli assi X-Y-Z del sensore ADXL335 sono collegate ai rispettivi ingressi analogici ADC di Arduino UNO. Tra ogni pin di uscita dei tre assi e massa è collegato un condensatore da 0,1 uF che, insieme al resistore da 32 kohm interno al sensore, realizza un filtro passa-basso con banda a -3db da 0,5Hz a 50 Hz. Questi tre condensatori sono già inclusi nella breakout contenente il chip ADXL335 ma sono comunque stati riportati sullo schema elettrico solo per rimarcarne la funzione nel circuito, pertanto non devono essere inseriti nel dispositivo. I tre segnali analogici dei tre assi contenenti l’informazione di accelerazione applicati agli ingressi ADC di Arduino, vengono convertiti in valori digitali e confrontati con valori digitali di soglia relativi al livello di terremoto minimo e massimo. Il superamento di questi valori di soglia provoca l’attivazione di un allarme audio e video mediante l’attivazione di un buzzer e la rappresentazione sul display LCD dei valori di accelerazione di ogni asse dell’ADXL335. Il monitoraggio delle onde sismiche sarà effettuato utilizzando la piattaforma software Processing riportando graficamente le variazioni dell’accelerazione di ogni asse del sensore.

Gli Accelerometri

Gli accelerometri sono dispositivi che misurano l'accelerazione, ossia la variazione della velocità di un oggetto in metri al secondo quadrato (m/s2) o in accelerazione di gravità G (g). Una singola forza G sul pianeta Terra equivale a 9,8 m/s2. Gli accelerometri sono utili per rilevare le vibrazioni nei sistemi o per applicazioni di orientamento. Sono dispositivi elettromeccanici che rilevano forze di accelerazione statiche (gravità) o dinamiche (vibrazioni e movimento). Grazie al basso costo di sviluppo, la maggior parte degli accelerometri utilizzati attualmente misura le accelerazioni di 3 assi (X-Y-Z). In generale, gli accelerometri contengono internamente piastre capacitive. Alcune di queste piastre sono fisse, mentre altre sono fissate a minuscole molle che si muovono internamente quando le forze di accelerazione agiscono sul sensore. Quando queste piastre si muovono l'una rispetto all'altra, la capacità tra di loro cambia. Le variazioni di capacità determinano il valore dell'accelerazione. Altri accelerometri possono essere incentrati su materiali piezoelettrici. Queste minuscole strutture cristalline emettono carica elettrica quando sono sottoposte a stress meccanico (ad esempio un’accelerazione).

Protocolli di comunicazione di un accelerometro

Gli accelerometri comunicano con un'interfaccia analogica, digitale o PWM. Gli accelerometri con interfaccia analogica rilevano le accelerazioni mediante le variazioni dei livelli di tensione. Questi valori generalmente oscillano tra la massa e il livello della tensione di alimentazione. Un ADC di un microcontrollore può quindi essere utilizzato per leggere questi valori analogici e convertirli in valori digitali. Questi accelerometri con interfaccia analogica sono generalmente meno costosi degli accelerometri digitali, ma l’interfaccia analogica di comunicazione è più suscettibile al rumore. Gli accelerometri con interfaccia digitale possono comunicare tramite protocolli di comunicazione SPI o I2C. Questi tendono ad avere più funzionalità ed essere meno suscettibili al rumore rispetto agli accelerometri analogici. Gli accelerometri che trasmettono dati tramite interfaccia PWM emettono segnali con larghezza dell’impulso variabile al variare dell'accelerazione e periodo noto.

Esistono tre tipi di accelerometri: a singolo asse per rilevare il movimento di un oggetto in una direzione, a 2 assi per rilevare il movimento dell'oggetto in due direzioni, a 3 assi per rilevare il movimento in tre direzioni. I sensori accelerometrici della famiglia ADXL sono sensori capacitivi a 3 assi. Ci sono diverse serie di questi accelerometri: ADXL330, ADXL335 e ADXL345. L'accelerometro di queste serie ha una sensibilità di ± 3 g di ciascun asse X, Y e Z e può essere utilizzato per misurare l'accelerazione statica e dinamica, il movimento, le collisioni e le vibrazioni di un oggetto. In questo progetto di un sistema di allerta precoce di terremoti, viene utilizzato l'accelerometro ADXL335 di cui si dovrà: effettuare la calibrazione per ottenere il riferimento indicatore del verificarsi della vibrazione da terremoto, realizzare la trasmissione di dati dal sensore al microcontrollore, attivare l'allerta sismica, riportare su un sismografo l’andamento delle onde sismiche di ogni asse per l’analisi delle vibrazioni.

Il sensore accelerometro ADXL335

L'ADXL335 è un sensore accelerometro MEMS a 3 assi di piccole dimensioni, a bassa potenza, con segnale di uscita analogico la cui tensione da ogni asse è proporzionale al livello di accelerazione misurato in un range minimo di fondo scala di ±3 g. Si consideri che l’accelerazione di gravità terrestre di 1 g corrisponde ad un'accelerazione di 9,8 m/s2. In Figura 2 viene riportato lo schema a blocchi funzionale dell’ADXL335.

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