desenvolvimento de um sensor de obstáculos para - DEE

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
WALDEREZ DINIZ VIEIRA NETO
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA
DEFICIENTES VISUAIS
FORTALEZA
2016
WALDEREZ DINIZ VIEIRA NETO
SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS.
Monografia
apresentada
ao
Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Ceará como
parte dos requisitos para a obtenção de
Graduação em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr - Ing. Tobias Rafael
Fernandes Neto
.
FORTALEZA
2016
WALDEREZ DINIZ VIEIRA NETO
SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS.
Monografia apresentada ao curso de
Engenharia Elétrica do Departamento de
Engenharia Elétrica da Universidade
Federal do Ceará através, como requisito
para obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Elétrica.
Aprovado em _____/_____/________.
________________________________________
Walderez Diniz Vieira Neto
BANCA EXAMINADORA
________________________________________
Prof. Tobias Rafael Fernandes Neto, Dr.–Ing.
Universidade Federal do Ceará (UFC)
_________________________________________
Prof. Paulo Peixoto Praça, Dr.
Universidade Federal do Ceará (UFC)
_________________________________________
Prof. Kleymilson do Nascimento Souza, M.Sc.
Universidade Federal do Ceará (UFC)
AGRADECIMENTOS
À minha família em especial e em primeiro lugar. Meus pais Gerson e Valéria
e minhas irmãs Bárbara e Géssica que proporcionaram minha caminhada possível com
amor, apoio, dedicação, esforço e perseverança. Agradeço a oportunidade única.
Aos meus colegas e amigos, que durante minha caminhada estavam ao meu
lado.
À todos os professores que contribuíram com a minha formação.
“Você tem que encontrar o que você ama!”
Steve Jobs
RESUMO
O desenvolvimento do sensor de obstáculos tem como objetivo proporcionar
maior referência espacial ao deficiente visual. Este sensor possibilita a indicação de
obstáculos como paredes, moveis, árvores, lixeiras e hastes de sinalização. O sensor emite
uma onda sonora ultrassônica de 42Khz e o tempo decorrente entre emissão e recepção
do sinal permite a indicação tanto do obstáculo como da distância do mesmo por meio de
uma cápsula piezoelétrica com atuação modulada. O atuador emite um estímulo sonoro e
vibratório. O sensor de obstáculos é composto por um circuito eletrônico compacto e leve
devido sua montagem com componentes Surface Mounting Devices (SMD), sendo o
microcontrolador responsável tanto por gerar o sinal que será transmitido através do
transdutor ultrassônico, como receber o sinal amplificado e, determinada a distância, faz
a modulação do sinal a ser aplicado no atuador piezoelétrico. O protótipo é um dispositivo
móvel com baterias de lítio acopladas a uma estrutura compacta que permite a utilização
desse dispositivo em uma das mãos ou fixo a bengala, auxiliando a locomoção das pessoas
com deficiência visual.
Palavra-chave: Bengala eletrônica, Sensor ultrassônico, Sensor para deficientes visuais.
ABSTRACT
The development of the obstacle sensor aims to provide further spatial
reference to the visually impaired. This sensor provides an indication of obstacles such
as walls, furniture, trees, trash cans and signs. The sensor emits an ultrasonic sound wave
with 42Khz and the time between signal transmission and reception allows both the
indication of the obstacle and the distance thereof by means of a piezoelectric capsulemodulated actuation. The actuator provides an audible and vibratory stimulus. The
obstacle sensor consists of a compact, lightweight electronic circuit due to its assembly
with components Surface Mounting Devices (SMD), the microcontroller responsible both
for generating the signal to be transmitted through the ultrasonic transducer, such as
receiving the amplified signal and determined the distance, is the signal modulation to be
applied to the piezoelectric actuator. The prototype is a mobile device with lithium
batteries made in a compact structure that allows the use of this device in one hand or
fixed in a cane, assisting the mobility of people with visual impairment.
Keyword: electronic Bengal, ultrasonic sensor, Sensor for the visually impaired
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Resistores e capacitores ............................................................................................. 38
Tabela 2 – Outros componentes .................................................................................................. 38
Tabela 3 – Circuitos integrados ................................................................................................... 39
LISTA DE FIGURAS
Figura 1– Obstáculos................................................................................................................... 12
Figura 2 – Bengala eletrônica (ultracane) ................................................................................... 13
Figura 3 – Sensor ultrassônico .................................................................................................... 15
Figura 4 – Transdutor ultrassônico.............................................................................................. 16
Figura 5 – Microcontrolador PIC12F675 .................................................................................... 16
Figura 6 – Estrutura cristalina de um material piezoelétrico....................................................... 17
Figura 7 – Circuito de amplificação ............................................................................................ 19
Figura 8 – Primeiro estágio amplificação.................................................................................... 20
Figura 9 – Análise CA................................................................................................................. 21
Figura 10 – Segundo estágio amplificação.................................................................................. 22
Figura 11 – Analise CA............................................................................................................... 24
Figura 12 – Amplificador inversor .............................................................................................. 24
Figura 13 – LM393 ..................................................................................................................... 25
Figura 14 – Circuito do comparador ........................................................................................... 25
Figura 15 – Sinais de entrada do comparador ............................................................................. 26
Figura 16 – Circuito transmissor ................................................................................................. 27
Figura 17 – Tensão no transmissor ............................................................................................. 28
Figura 18 – Comando transmissor a 30cm .................................................................................. 29
Figura 19 – Comando transmissor para distâncias maiores que 30cm ........................................ 29
Figura 20 – Cápsula piezoelétrica ............................................................................................... 30
Figura 21 – Esquemático do sensor de obstáculos ...................................................................... 31
Figura 22 – Microcontrolador ..................................................................................................... 32
Figura 23 – Configuração das portas do CI................................................................................. 32
Figura 24 – Circuito do microcontrolador................................................................................... 33
Figura 25 –Taxa de verificação mínima ...................................................................................... 34
Figura 26 –Taxa máxima de verificação máxima ....................................................................... 34
Figura 27 – Fluxograma de operação simplificado ..................................................................... 35
Figura 28 – Circuito impresso(Altium) Face A........................................................................... 36
Figura 29 – Circuito impresso(Altium) Face B ........................................................................... 37
Figura 30 – Circuito PCB do protótipo, face A ........................................................................... 37
Figura 31– Circuito PCB do protótipo, face B ............................................................................ 37
Figura 32 – Características do circuito impresso (Fabricante) .................................................... 38
Figura 33 – Formas de utilização do sensor ................................................................................ 39
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
CA
Corrente alternada
CC
Corrente contínua
CI
Circuito integrado
PCI
Placa de circuito impresso
SMD Surface Mounting Devices
SMT Surface Mounting technology
s
ms
Segundo
Milissegundo
Hz
Hertz
m
cm
m/s
V
W
A
mA
Metro
Centímetro
Metro por segundo
Volt
Watts
Ampere
Miliampére
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 12
1.1. Objetivo geral ................................................................................................................. 13
2. CONCEITOS TEÓRICOS ................................................................................................... 15
2.1. Efeito piezoelétrico ......................................................................................................... 17
2.2. Princípio de funcionamento........................................................................................... 17
2.3. Aplicações........................................................................................................................ 18
3. AMPLIFICADOR ................................................................................................................. 19
3.1. Primeiro estágio de amplificação, circuito com polarização do estável emissor ...... 20
3.1.1. Analise CC primeiro estágio. ...................................................................................... 20
3.1.2. Analise CA primeiro estágio. ..................................................................................... 21
3.2. Segundo estágio de amplificação ................................................................................... 22
3.2.1. Análise CC segundo estágio. ...................................................................................... 22
3.2.2. Análise CA segundo estágio. ..................................................................................... 23
3.3. Terceiro estágio de amplificação ................................................................................... 24
3.4. Comparador.................................................................................................................... 25
4. TRANSMISSÃO ................................................................................................................... 27
4.1. Controle do circuito de transmissão ............................................................................. 28
4.2. Modulação dos atuadores .............................................................................................. 30
4.3. Utilização de cápsula piezoelétrica como atuador ....................................................... 30
4.4. Esquemático geral .......................................................................................................... 31
5. MICROCONTROLADOR ................................................................................................... 32
5.1. Fluxograma de funcionamento ..................................................................................... 35
5.2. Softwares utilizados ........................................................................................................ 35
5.3. Componentes eletrônicos ............................................................................................... 38
5.4. Formas de utilização ...................................................................................................... 39
6. CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 40
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 41
ANEXO A: Transistor BC846 .............................................................................................. 43
ANEXO B: Comparador LM393 ......................................................................................... 46
ANEXO C: Amplificador operacional LM741 ................................................................... 51
ANEXO D: Código MPLAB IDE ........................................................................................ 59
ANEXO E: Orçamento circuito impresso ........................................................................... 62
12
1. INTRODUÇÃO
A inclusão social é um dever que a sociedade tem com pessoas que
apresentam algum tipo de deficiência, proporcionando uma melhor qualidade de vida e
atenuação das suas dificuldades. No Brasil, segundo dados do Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatística (IBGE, 2010), mais de 6,5 milhões de pessoas apresentam alguma
deficiência visual e desse total 528.624 são cegas (incapazes de enxergar) de acordo com
a Organização mundial de saúde (OMS, 2010) no mundo mais de 40 milhões de pessoas
são cegas e 135 milhões apresentam baixa visão. A OMS afirma que 80% dos casos de
cegueira poderiam ser evitados caso fossem realizados a prevenção e o tratamento.
A falta da visão coloca essas pessoas com deficiência visual em dificuldade
para realizar tarefas simples do dia-dia como alimentação, atravessar a rua, trocar de
roupa e se deslocar em locais desconhecidos. Os riscos de transitar nas cidades são
grandes, pois muitos projetos de acessibilidade não são implementados e com frequência
são encontradas calçadas irregulares, semáforo sem aviso sonoro, falta de piso tátil ou
mesmo a colocação de obstáculos no caminho tátil. Alguns dos obstáculos mais
frequentes encontrados estão expostos na figura 1.
Figura 1– Obstáculos
Fonte: Diversos
13
Dificuldades com obstáculos e reconhecimento de novas áreas é um dos
problemas enfrentados por deficientes visuais. A bengala é o principal utensílio para
verificação espacial, mas permite um reconhecimento de área muito limitado e seu raio
de verificação dificulta e retarda a caminhada. O sensor de obstáculos facilita essa tarefa
auxiliando a bengala e oferecendo mais uma referência durante a caminhada. O sensor
tem versatilidade na utilização, podendo ser utilizado fixo à bengala, pulso ou no braço.
Uma boa autonomia de uso devido ao baixo consumo de energia é outro fator positivo do
sensor de obstáculos, sendo utilizado por um longo período sem recarga. A verificação a
qualquer direção e ângulo e sua forma compacta permite determinar a distância das
paredes, moveis, placas de sinalização, lixeiras e pessoas. Essa referência possibilita uma
maior segurança e confiança durante o deslocamento do deficiente visual.
Os sensores eletrônicos existentes para essa aplicação, em grande parte, são
acoplados a uma bengala e sua região de verificação fica limitada a varredura do mesmo.
Um dos modelos está exposto na figura 2. Com objetivo de aumentar a versatilidade com
menor custo o dispositivo não é acoplado exclusivamente a uma bengala, mas permite
sua fixação através de um encaixe simples, permitindo assim ao usuário a escolha de onde
utilizar.
Figura 2 – Bengala eletrônica (ultracane)
0,8 m
4m
1,6 m
2,1 m
4m
Fonte: Ultracane
1.1. Objetivo geral
Desenvolvimento de um projeto voltado a acessibilidade de pessoas com
deficiência visual, tornando mais segura sua locomoção, auxiliando a bengala e cão guia.
14
Um protótipo compacto, baixo custo, e com boa autonomia de uso, permite assim uma
maior noção espacial facilitando o reconhecimento de novas áreas, objetos e pessoas no
caminho a ser percorrido.
15
2. CONCEITOS TEÓRICOS
O som é uma onda mecânica que se propaga a uma velocidade de 340 m/s
no ar. A distância do obstáculo é obtida através do tempo decorrido entre transmissão e
recepção. A onda sonora é refletida, conforme figura 3, e a distância é determinada através
da equação (1).
Figura 3 – Sensor ultrassônico
Fonte: Portal do arduino
â /. 340. 2
2
(1)
A faixa de frequência sonora perceptível ao ouvido humano está entre as
frequências de 20Hz a 20kHz (Resnick, 2009), sons fora dessa faixa de frequência, por
exemplo ultrassônicos, sons acima de 20kHz, não são perceptíveis, logo a sua utilização
não provoca incomodo ao ouvido humano. A frequência de transmissão utilizada nesse
sensor é de 40kHz, pois está é a frequência padrão dos transdutores comerciais aplicados.
Transdutores são dispositivos que recebem uma determinada energia e
transformam em outro tipo de energia. Os transdutores ultrassônicos utilizados têm uma
faixa central, com maior ganho a uma frequência de 40kHz, conforme informado pelo
fabricante (Kobitone, 2006), o sensor utilizado é ilustrado na figura 4. O princípio desse
transdutor é o efeito piezoelétrico, uma vibração sonora provoca tensão elétrica, no caso
utilizado como receptor ultrassônico e uma variação de tensão provoca uma vibração
responsável por emitir o sinal de transmissão.
16
Figura 4 – Transdutor ultrassônico.
Fonte: agelectronica
O amplificador é responsável por receber um sinal de pequena amplitude e
assim ampliar sua magnitude para uma determinada aplicação, podendo ser
implementado com transistores ou amplificadores operacionais. O sinal identificado no
transdutor ultrassônico de recepção tem que ser amplificado devido à sua pequena
amplitude, permitindo verificar o sinal que foi transmitido.
O microcontrolador ilustrado na figura 5 é um dispositivo que apresenta
processador, memória e periféricos. Podendo ser programado para atuar com uma função
específica. No sensor de obstáculos o microcontrolador é o responsável por emitir o sinal
de transmissão, verificação do tempo decorrido até a recepção do sinal e controlar o
atuador piezoelétrico.
Figura 5 – Microcontrolador PIC12F675
Fonte: Microchip
17
2.1. Efeito piezoelétrico
A palavra piezoelétrico vem do grego e significa “eletricidade por pressão”
(Margraf). Através de um estímulo elétrico é possível gerar um estímulo mecânico e o
inverso também é possível, e certos cristais apresentam essas características de interação
eletromecânica. Uma das características dos cristais piezoelétrico é sua estrutura
anisotrópica, não possuindo centro de simetria. São usados materiais como quartzo,
titanato de bário e PZT (titanato zirconato de chumbo). As aplicações desse efeito são
diversas como geração de som, detecção de som, sensores de pressão e nebulizadores.
Ilustrado na figura 6 temos um cristal de quartzo e a polarização do material piezoelétrico
diante da força aplicada sobre o mesmo.
Figura 6 – Estrutura cristalina de um material piezoelétrico.
Fonte: UFPR
2.2. Princípio de funcionamento
O circuito eletrônico foi desenvolvido para verificar obstáculos e suas
distâncias. A verificação é realizada por meio de dois transdutores ultrassônicos de 16mm
e 42kHz de frequência de atuação, um sendo responsável por emitir o sinal e outro por
receber, em seguida é contabilizado o tempo entre transmissão e recepção. Essa contagem
é realizada no microcontrolador com o incremento do registrador TMR1H. O transdutor
ultrassônico responsável por transmitir o sinal de verificação é comandado através do
microcontrolador que emite um sinal com 15 pulsos a uma frequência próxima a 40 kHz.
O transdutor responsável por receber o sinal está conectado com um amplificador que
18
apresenta três estágios de amplificação e um comparador que tem como funções o ajuste
de tensão e filtro contra ruído.
Para indicar os obstáculos o circuito conta com um atuador piezoelétrico que
emite som e vibração de acordo com seu sinal de controle. Essas diferenças de frequência
e largura no circuito de controle tem a função de oferecer uma indicação de obstáculos
por meio da cápsula piezoelétrica. O som emitido na transmissão 42kHz não é audível,
logo não gera conflito com o som emitido no atuador.
2.3. Aplicações
A utilização do sensor de obstáculos fixo no pulso, braço ou na bengala
permite uma versatilidade na utilização. Em conjunto com a bengala auxilia o usuário a
identificar obstáculos corriqueiros como postes, lixeiras e paredes. Permite também o
reconhecimento de novas áreas e localização de móveis.
Um problema comum em andar em casas e apartamentos é a presença de
alguns objetos fora do local ou mudança dos mesmos. Esse dispositivo auxilia o usuário
na locomoção neste novo ambiente até a memorização da configuração do local. Em
ambientes fechados saber qual a distância entre paredes laterais e frontais é interessante
durante a locomoção. A bengala permite apenas a verificação tátil a pequenas distâncias
numa área limitada ao alcance da bengala. O sensor possibilita uma maior área de
verificação com menor esforço físico. O objetivo não é substituir a verificação tátil da
bengala e sim auxiliar a locomoção com menor esforço.
19
3. AMPLIFICADOR
O amplificador no circuito tem como objetivo a amplificação do sinal captado
pelo transdutor ultrassônico de recepção, este possui pequena amplitude de tensão para
ser identificado, sendo necessário uma amplitude adequada para ser identificada pelo
microcontrolador. O circuito de amplificação apresenta 3 estágios, cada estágio com sua
configuração e característica. Este circuito de amplificação está integrado a um CI
comparador LM393 que permite um filtro contra ruídos para tensões inferiores a tensão
de referência do comparador e tensão adequada ao microcontrolador. A amplificação de
pequenos sinais envolve, uma análise CA e CC ambas são acopladas uma influenciando
sobre a outra. O circuito de amplificação, ilustrado na figura 7 é o responsável por
amplificar o sinal captado pelo transdutor e garantir que o sinal esteja condicionado para
o microcontrolador. Alguns obstáculos apresentam atenuação significativa do sinal
devido a pequenas áreas ou irregularidades, portanto o ganho do sinal deve ser suficiente
para amplificar essas atenuações do sinal sonoro.
A ligação Darlington é a associação de dois ou mais transistores tendo como
objetivo aumentar o ganho do circuito garantindo uma maior amplitude do sinal. Essa
conexão garante o ganho necessário ao correto funcionamento do amplificador nas piores
condições.
O cálculo dos parâmetros do amplificador permite a verificação das
características e uma análise prévia de seu funcionamento. A impedância de entrada,
impedância de saída e ganho de tensão são alguns desses parâmetros a serem calculados
e analisados para o desenvolvimento do projeto de um amplificador.
Figura 7 – Circuito de amplificação
Fonte: Próprio autor
20
3.1. Primeiro estágio de amplificação, circuito com polarização do estável
emissor
A configuração apresentada na figura 8b com resistor no emissor aumenta a
estabilidade do amplificador (Boylestad, 2004). A colocação de um capacitor no emissor,
exposto na figura 8a permite a passagem de corrente do sinal CA gerado no transdutor de
recepção.
O transistor BC846B foi utilizado no circuito devido a suas dimensões
reduzidas, facilidade na sua compra e por ser um transistor NPN, portanto adequado à
aplicação. Ele possui corrente máxima do emissor de 100mA e corrente de base saturação
de 5mA. Os limites de operação impostos pelo fabricante não devem ser ultrapassados,
pois podem causar a danos ao semicondutor.
Figura 8 – Primeiro estágio amplificação.
a) Fonte: Próprio autor
b) Fonte: Boylestad.
3.1.1. Analise CC primeiro estágio.
O ganho do transistor com a associação dos transistores (conexão
Darlington) é o produto dos ganhos dos respectivos transistores, portanto β1.β2=βtotal.
O transistor apresenta ganho mínimo segundo o fabricante de BC846B deβ=110, logo
21
um ganho final de βtotal=12100. São importantes na análise CC do amplificador o cálculo
da corrente de base no transistor na equação (2) e corrente no emissor equação (3).
Variáveis utilizadas nas equações abaixo:
Vcc - Tensão fonte (2s)
Vbe- Tensão base e emissor
Rb - Resistor de base
Re - Resistor emissor
Rc - Tensão coletor
β - Ganho transistor
Ib - Corrente de base
ZI - Impedância de entrada
Zo - Impedância de saída
Av - Ganho de tensão
ro - Resistencia
Ib Vcc − Vbe
7,8 − 0,7
2,67nA
!" + β + 1. Re 2,2.10) + 12100 + 1. 220.10)
( 2)
Ie β + 1. -" 12100.2,67.10./ 32,3μ1
( 3)
3.1.2. Analise CA primeiro estágio.
A análise CA é iniciada retirando os efeitos da tensão CC e substituindo os
capacitores em altas frequências e portanto uma baixa impedância, logo considerando um
curto-circuito. O modelo de análise CA é apresentado na figura 9. Essa análise verifica
apenas o sinal CA que se pretende amplificar. Através das equações (4) e (5) obtemos a
impedância de entrada e a equação (6) a impedância de saída do amplificador. O ganho
de tensão é obtido através da equação (7).
Figura 9 – Análise CA
re
Fonte: Boylestad
22
2 26.10.)
26.10.)
804Ω
-
32,3.10.3
RB. β. re
2,2.10) . 10) . 804
ZI RB//β. re 2199Ω
RB + β. re 2,2.10) + 12100.804
(4)
(5)
Considerando ro>>Rc, Zo RC=10 kΩ
(6)
!< 10.10)
1; −
−12,43
2
804
(7)
3.2. Segundo estágio de amplificação
O amplificador com polarização por divisor de tensão tem como principal
vantagem em relação a outras configurações um amplificador menos dependente do
ganho, pois o mesmo pode variar com a temperatura e diferentes lotes do fabricante. A
figura 10 apresenta o circuito de amplificação com polarização por divisor de tensão.
Figura 10 – Segundo estágio amplificação
Fonte: Próprio autor (a)
Fonte: Boylestad(b).
3.2.1. Análise CC segundo estágio.
A análise CC do amplificador por divisão de tensão envolve uma quantidade
maior de cálculos, pois é preciso considerar a tensão (Vth) e resistência (Rth) equivalentes
23
na base do transistor. A tensão na base do transistor é obtida na equação (8) e a resistência
equivalente obtida na equação (9).
A corrente de base, equação (10), é um dos principais valores a ser calculado
e utiliza como variáveis a tensão e resistência equivalentes Vth e Rth, em seguida
determina a corrente do emissor conforme a equação (11). Os valores calculados na
análise CC em seguida são utilizados para análise CA do amplificador
ℎ !2
10.10)
. << )
. 4 0,833
!1 + !2
10 + 47.10)
(8)
!1. !2
10.10) . 47.10)
9791,6Ω
!1 + !2
10) + 47.10)
(9)
!ℎ Ib Vth − Vbe
0,833 − 0,7
5nA
!ℎ + β + 1. Re 9791,6 + 12100.2,2.10)
( 10 )
Ie β + 1. -" 12100.5.10./ 60,5μ1
( 11 )
3.2.2. Análise CA segundo estágio.
O circuito para análise CA é ilustrado na figura 11 (Boylestad,2004). A
determinação do ganho de tensão é apresentada na equação (15) e obtida através de
simplificações. O cálculo da impedância de entrada e saída é detalhado nas equações (13)
e (14).
26.10.)
26.10.)
2 429,75Ω
-
60,5.10.3
( 12 )
Zi R1//R2//β. rπ
( 13 )
Considerando ro>>Rc, Zo RC
( 14 )
Av −
Vo
!
2200
−
−
−5,11
2D
429,75
( 15 )
24
Figura 11 – Analise CA
Fonte: Boylestad
3.3. Terceiro estágio de amplificação
Os amplificadores são muito utilizados por sua facilidade de implementação
e sua alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Suas aplicações são
diversas como controle de sistemas, filtragem, amplificação, operações lineares e não
lineares(Boylestad, 2004). Nesse estágio foi utilizado um amplificador operacional
LM741 com configuração inversora conforme a figura 12. O ganho de tensão do
amplificador é obtido nas equações (16) e (17). Como a diferença de tensão entre os
terminais de entrada máxima não supera 30 V, pois a tensão máxima da fonte é de 8 V, a
proteção nos terminais de entrada pode ser dispensada.
E
!1 200.10) 1−
−2000
FG
!2
100
( 16 )
!1
200.10) E −
.
. FG
!2 FG
1000
( 17 )
Figura 12 – Amplificador inversor
Vin
Vout
Fonte: Próprio autor
25
3.4. Comparador
A utilização do comparador possibilita um filtro através do ajuste da tensão
de referência, interessante por tornar a saída do sinal amplificado nos estágios anteriores
mais estável e com menor ruído. O circuito integrado comparador LM393 ilustrado na
figura 13 apresenta sua saída binaria adequada para o microcontrolador, a figura 14
apresenta a configuração implementada no projeto. Para determinar
referência utilizamos a equação (18).
Figura 13 – LM393
Fonte: learningaboutelectronics
Figura 14 – Circuito do comparador
V Ref
Vin
Fonte: Próprio autor
a tensão de
26
Variáveis utilizadas:
Vcc -Tensão
RF1-Resistor 15k
RF2-Resistor 22k
HIJ KK .
!LM
22
3,7.
2,2
!LN + !LM
22 + 15
( 18 )
O sinal de entrada Vin que apresentar tensão superior a 2,2 V, ou seja superior
a tensão de referência aplicada no comparador Vref, portanto a saída do comparador vai
para nível alto Vcc.
Os sinais verificados experimentalmente utilizando o osciloscópio são
apresentados na figura 15. Os sinais apresentados correspondem ao sinal de referência e
o sinal de recepção amplificado por três estágios de amplificação.
Figura 15 – Sinais de entrada do comparador
Sinal do
amplificado
Tensão
referência
Fonte: Próprio autor
27
4. TRANSMISSÃO
A transmissão do sinal para verificação da distância é realizada através do
transdutor ultrassônico, sendo o circuito dedicado a transmissão, apresentado na figura
16, composto por um transistor BC846, resistores e o microcontrolador. A tensão
correspondente aos terminais do transdutor é ilustrada na figura 17 apresentando uma
frequência próximo a 40 kHz e ao final da transmissão é seguido de um ruído que pode
ser identificado através do transdutor de recepção, portanto não verificando um obstáculo,
mas apenas o ruído do sinal de transmissão devido ao amortecimento do sensor após o
envio do sinal. Esse problema é solucionado no software através de um loop de espera
realizado no microcontrolador para a verificação da leitura correta.
As especificações do fabricante devem ser seguidas para não ocorrer danos
aos resistores utilizados, sendo verificada nas equações (19) e (20).
Figura 16 – Circuito transmissor
Fonte: Próprio autor
Variáveis utilizadas:
Vcc1-Tensão
RT-Resistor 1k
28
-PQ RRN − RI 8
− 0,7
7,31
!O
1000
SPQ !O . - M 1000.7,3M 0,053T
( 19 )
( 20 )
O resistor !O suporta uma potência máxima de 1/8 W, portanto o resistor está
com dimensionamento adequando para a aplicação. Como esse resistor é o que apresenta
maior corrente, os outros semelhantes também atendem a potência exigida com uma boa
margem de segurança.
Figura 17 – Tensão no transmissor
Ruído
Fonte: Próprio autor
4.1. Controle do circuito de transmissão
O sinal de transmissão apresenta um número de pulsos que possibilita a
recepção do sinal transmitido, nesse caso 15 pulsos foram utilizados como sinal de
transmissão. Como mostrado na figura 17 Após a transmissão é preciso um loop de espera
para garantir que o sinal de transmissão não interfira na identificação do sinal refletido.
A interrupção no microcontrolador é responsável por emitir o sinal de transmissão. Após
a transmissão o microcontrolador fica em espera do sinal transmitido, sendo incrementado
o registrador TMR1H do TIMER1 até o sinal do transdutor de recepção devidamente
amplificado ser identificado no microcontrolador, sendo o registrador TMR1H do
29
microcontrolador responsável por determinar a largura do pulso no atuador piezoelétrico.
Com larguras diferentes produzem diferentes sons e vibrações, possibilitando diferenciar
distâncias distintas. Para uma maior taxa de verificação foi implementada uma variação
dessa taxa, após a verificação do sinal de recepção é executada a atuação sendo seguido
outro sinal de transmissão. As taxas de amostragens distintas podem ser verificadas nas
figuras 18 e 19.
Figura 18 – Comando transmissor a 30cm
Pulsos de transmissão
Fonte: Próprio autor
Figura 19 – Comando transmissor para distâncias maiores que 30cm
Pulsos de transmissão
Fonte: Próprio autor
30
4.2. Modulação dos atuadores
A modulação da largura dos pulsos somada a diferentes frequências indicam
ao usuário a distância de um determinado obstáculo. Utilizando um gerador de frequência,
foram realizados testes para verificar quais os melhores resultados nos atuadores, assim
as frequências entre 1Hz a 1000Hz apresentam uma indicação sonora e vibratória
interessante a aplicação. As frequências muito baixas foram descartadas por limitar a
taxa de amostragens por segundo. A cápsula piezoelétrica utilizada e sua configuração
construtiva estão ilustradas na figura 20. Os testes com cápsulas menores que 20 mm
apresentaram um estímulo muito discreto para a aplicação.
Figura 20 – Cápsula piezoelétrica
Fonte: sabereletronica
4.3. Utilização de cápsula piezoelétrica como atuador
Esse componente apresenta algumas vantagens em comparação com outras
formas de estímulo. Podemos citar como vantagens seu baixo custo, pequeno consumo
de energia, peso e formas mais compactas que outros atuadores. Essas características são
importantes para um dispositivo portátil e que utiliza como fonte de energia duas baterias
de 3,7 V, assim permite o aumento de autonomia com baixo custo. Uma proteção a
cápsula é necessária por não apresentar grande resistência mecânica.
31
4.4. Esquemático geral
O circuito geral apresentado na figura 21 foi dimensionado respeitando as
características de cada componente e o melhor desempenho para a aplicação. Composto
por amplificador, transdutores de transmissão e recepção, microcontrolador, atuador
piezoelétrico entre outros componentes.
Figura 21 – Esquemático do sensor de obstáculos
Fonte: Próprio autor
32
5. MICROCONTROLADOR
Esse componente é de grande utilidade na eletrônica por apresentar grande
versatilidade, baixo custo e implementação cada vez mais acessível. É composto por
memória, periféricos e pinos de entradas/saídas. Sua programação pode ser implementada
em diferentes linguagens e por diversos softwares de programação. Foi utilizada a
linguagem assembly por possibilitar uma maior autonomia sobre a programação. A figura
22 apresenta os componentes do microcontrolador que possibilitam sua versatilidade e a
figura 24 sua utilização no sensor de obstáculo. A figura 23 mostra a configuração dos
pinos do microcontrolador utilizado, o PIC12F675 da Microchip. O código em assembly
desenvolvido está no anexo D.
Figura 22 – Microcontrolador
Fonte: Antônio Sergio Sena
Figura 23 – Configuração das portas do CI
Fonte: Microchip
33
Figura 24 – Circuito do microcontrolador
Fonte: Próprio autor
A utilização do circuito integrado da Microchip PIC12F675 parte de algumas
vantagens como baixo custo, compacto, fácil acesso e com os recursos necessários. Em
anexo estão outras características importantes. A corrente máxima nas portas de saída é
de 25 mA, logo o cálculo da corrente máxima determinado na equação (21) é
indispensável.
-UVW RRM − XI 4 − 0,7
3,31
!
1000
( 21 )
Um recurso do microcontrolador utilizado foi a interrupção com TIMER1 que
conta com dois registradores de 8 bits o TMR1H e TMR1L. A interrupção é controlada
através do terminal T1G ou gate, que está conectado a saída do amplificador. A contagem
é incrementada enquanto o sinal gate está em nível baixo. Este recurso garante que o
circuito não fique no loop de espera indefinidamente. Com o “Estouro” do TIMER1 a
cada 60ms é direcionado para a função de interrupção que envia outros pulsos de
transmissão. O registrador TMR1H é o responsável pela largura do pulso no atuador,
portanto quanto maior o tempo, maior a largura do pulso de comando. A distância
equivalente a um estouro é 10,2 metros como está na equação (22), logo não ocorre risco
de uma transmissão anterior interferir na atual. A taxa mínima de verificação que é
quando não existe obstáculos a frente, portanto quando ocorre o “estouro” do timer1 é
34
mostrado na figura 26 e verificada na equação (23). A taxa máxima de verificação foi
obtida no osciloscópio como 918 amostras por segundo.
. 340.60.10.)
â 10,22
2
2
YZ 1
16[\
60
Figura 25 –Taxa de verificação mínima
“Estouro” TIMER1
60ms
Fonte: Próprio autor
Figura 26 –Taxa máxima de verificação máxima
Fonte: Próprio autor
( 22 )
( 23 )
35
5.1. Fluxograma de funcionamento
O microcontrolador utiliza uma interrupção através do TIMER 1 garantindo
no “estouro”, o envio de outros pulsos de transmissão, assim a ausência de um obstáculo
não trava o funcionamento do sensor. A interrupção gera 15 pulsos no transdutor de
transmissão e em seguida retorna ao loop de espera, aguardando o som refletido pelo
obstáculo. O fluxograma de funcionamento é mostrado na figura 27.
Figura 27 – Fluxograma de operação simplificada
Fonte: Próprio autor
5.2. Softwares utilizados
O desenvolvimento do projeto envolveu o conhecimento em eletrônica e
softwares específicos para cada etapa. A programação foi realizada através do software
do próprio fabricante do circuito integrado, o MPLAB IDE da Microchip, utilizando a
36
linguagem em assembly, essa linguagem proporciona maior autonomia sobre a execução
do programa no microcontrolador, pois se aproxima mais das instruções executadas no
processador. O software utilizado para simulação do circuito foi o PROTEUS que
possibilita montar o circuito e verificar seu funcionamento. Outro software utilizado foi
o Altium, esse software é especifico para o desenvolvimento de circuitos impressos.
5.4. Placa de circuito impresso
O circuito foi projetado para a função especifica de detectar um obstáculo e
sua distância, indicando-o ao usuário. Outro objetivo é reduzir as dimensões do circuito
tanto quanto possível, por isso foi então desenvolvida uma placa de circuito impresso com
duas faces que possibilita também a fabricação em maior escala. As figuras 28 e 29 são
simulações do circuito no software de desenvolvimento Altium, e são apresentados nas
figuras 30 e 31 o circuito finalizado. O protótipo foi desenvolvido com software Altium
sendo gerado arquivos de fabricação, assim realizando o pedido das placas de circuito
impresso de uma empresa especializada devido à sua complexidade de fabricação.
Dificuldades tais como apresentar duas faces e trilhas muito próximas e de pequena
espessura. As características de fabricação da placa estão apresentadas na figura 32. O
protótipo foi soldado a manualmente com auxílio de uma pinça.
Figura 28 – Circuito impresso(Altium) Face A
Fonte
Chave
1ºEstágio
de amp.
2º
Estágio
de amp.
LM741
Transmissor
2
Fonte: Próprio autor
37
Figura 29 – Circuito impresso(Altium) Face B
Microcontrolador
12F675
Comparador
LM393
Atuador
Fonte: Próprio autor
Figura 30 – Circuito PCB do protótipo, face A
Fonte: Próprio autor
Figura 31– Circuito PCB do protótipo, face B
Fonte: Próprio autor
38
Figura 32 – Características do circuito impresso (Fabricante)
Fonte: TEC-CI
5.3. Componentes eletrônicos
O dispositivo é composto por vários componentes, cada um com suas
características e funções no circuito. Para o correto funcionamento todos os componentes
devem operar dentro dos parâmetros especificados pelos fabricantes. Os componentes
utilizados são apresentados nas tabelas 1,2 e 3.
Tabela 1 – Resistores e capacitores
Componente
Especificação
Resistor 2,2 kΩ
2 unidades
Resistor 10 kΩ
6 unidades
Resistor 220 kΩ
2 unidades
Resistor 47 kΩ
1 unidade
Resistor 1kΩ
4 unidades
Capacitor 100nF
4 unidades
Fonte: Próprio autor
Tabela 2 – Outros componentes
Componentes
BC846
Especificação
Transistor
Fusível
Proteção
Chave com trava
Liga/Desliga
Bateria lítio
Duas unidades (Fonte)
Transdutores
Transmissão e recepção
Cápsula piezoelétrica
Atuador
Placa (PCI)
Circuito impresso
Fonte: Próprio autor
39
Tabela 3 – Circuitos integrados
Componente
Especificação
12F675
Microcontrolador
LM741
Amplificador
LM393
Comparador
Fonte: Próprio autor
5.4. Formas de utilização
O projeto foi desenvolvido visando uma melhor interação e resultados na
utilização do sensor. Dentre as possibilidades de utilizar o equipamento, podemos
destacar a sua utilização acoplando o sensor a bengala ou ao braço conforme a figura 33.
O sensor de obstáculos possui um velcro na sua estrutura que permite tanto encaixe como
a retirada do mesmo com facilidade.
Figura 33 – Formas de utilização do sensor
Fonte:próprio autor
40
6. CONCLUSÃO
O projeto visa a confeccionar um equipamento para auxiliar a locomoção de
pessoas com deficiência visual, possibilitando a atenuação da dificuldade de
deslocamento que essas pessoas têm de lidar durante sua vida. O desenvolvimento de um
projeto direcionado a acessibilidade, buscando a sua produção em escala, é um diferencial
do sensor de obstáculos desenvolvido apresentando uma taxa de amostragem variável, a
verificação dos obstáculos, proporciona uma indicação da distância mais próxima da
realidade com uma variação de 16 a 918 verificações por segundo. A placa de circuito
impresso apresenta dimensões reduzidas com 2,4 x 4,5 cm, a forma compacta, leve e
independente do sensor possibilita uma versatilidade na utilização. A cápsula
piezoelétrica é responsável por indicar a distância dos obstáculos e permite uma maior
autonomia de uso por ter um pequeno consumo de energia. Na sua estrutura foi fixada
um velcro para possíveis variações na utilização, portanto o sensor de obstáculos pode ser
acoplado a uma bengala ou no braço de acordo com a necessidade e escolha do usuário.
Os testes permitiram verificar que quanto maiores as dimensões da cápsula
piezoelétrica, melhor o estímulo sonoro e vibratório gerado. Em caso de ambiente com
poluição sonora elevada o som gerado no atuador pode ser suprimido conforme verificado
experimentalmente, assim o estímulo vibratório se torna a única forma de indicação de
obstáculos. O primeiro protótipo apresentou o um bom desempenho, mas um
aprimoramento e estudo é necessário para que se possa chegar a um projeto final de forma
que atenda a necessidade das pessoas com deficiência visual e possa ser fabricado em
maior escala a um custo acessível.
Ao analisar o projeto e verificar possíveis melhorias foi constatado que o
incremento de um motor vibrador opcional que será somado ao estímulo vibratório
existente, acionado através de um botão já configurado no microcontrolador permite um
estímulo mais intenso. Outro ajuste importante é adicionar outra região de verificação,
assim o sensor possibilita dobrar a área verificada durante a caminhada. Mesmo com
alterações a maior parte do circuito é preservada para possíveis melhorias.
Para trabalhos futuros, pode ser sugerido o desenvolvimento de um sensor
com duas regiões de verificação e o estudo do melhor estímulo ao usuário. Melhores
formas de utilização do sensor de obstáculos e estudo do processo de fabricação
industrial.
41
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Disponível em: < http://www.agspecinfo.com/notas/Nota1/MDUAG_files/Medidorultrasonico.pdf> Acesso em: 1 jan. 2016.
ALEXANDER, Charles K.; SADIKU, Matthew N.O. FUNDAMENTOS DE
CIRCUITOS ELÉTRICOS. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2003 (reimpressão 2008).
Boylestad, Robert L; Nashelesky, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos.
8ª. Edição. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 2004.
FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, Datasheet: Switching and Amplifier Applications.
Electronic Publication 2002.
HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol. 2. 8 ed. Editora LTC,
2009. HALLIDAY, RESNICK, WALKER.
IGBE, Censo 2010
Disponível em: < http://www.pessoacomdeficiencia.gov.br/app/indicadores/censo-2010
> Acesso em: 12 Fev. 2016.
KOBITONE, Transdutor ultrassônico, Disponível
em:<http://www.mouser.com/catalog/specsheets/KT-400242.pdf > Acesso em: 12 jan.
2016.
MARGRAF, Piezoelétricidade, Disponível em:<
http://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_UFSC/Materiais_EEL_7051
/7_Materiais_Piezoeletricos.pdf > Acesso em: 9 jan. 2016.
MICROCHIP, Datasheet: pic12f629/675. Electronic Publication, 2003.
NATIONAL SEMICONDUCTOR, Datasheet: Operational Amplifier LM741.
Electronic Publication 1998.
PHILIPS SEMICONDUCTORS, Datasheet: comparator LM393. Electronic Publication
1995.
PORTAL DO ARDUINO, Sensor ultrassônico
Disponível em: < http://www2.joinville.udesc.br/~i9/2014/08/22/hands-arduino-lcdsensor-de-distancia/> Acesso em: 12 jan. 2016.
SENA, Sérgio. Microcontroladores PIC. Publicação eletrônica.
ULTRACANE, bengala eletrônica. Disponível em: < https://www.ultracane.com>
Acesso em: 1 jan. 2016.
42
UFPR, Estrutura cristalina de um material piezoelétrico
Disponível em:<http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/20061/Echotrekd606628a.htm
l > Acesso em: 10 jan. 2016.
43
ANEXO A: Transistor BC846
44
45
46
ANEXO B: Comparador LM393
47
48
49
50
51
ANEXO C: Amplificador operacional LM741
52
53
54
ANEXO D: DATASHEET PIC12F675
55
56
57
58
59
ANEXO D: Código MPLAB IDE
#INCLUDE<P12F675.INC>
__config _INTRC_OSC_NOCLKOUT & _WDT_OFF & _PWRTE_OFF & _MCLRE_ON & _CP_OFF
REF_L
REF_H
DEC
DEC_8
EQU
EQU
EQU
EQU
20h
21H
22H
23H
ORG 0x00
GOTO INICIO
ORG 0x04
TIGGER2
MOVLW D'15'
MOVWF DEC_8
; INTERRUPÇÃO
;
;Pulsos 15 ciclos
BANKSEL GPIO
BCF GPIO,GP0
BCF GPIO,GP1
;Desligar atuadores
TIGGER
;TRANSMISSÃO GP5
BANKSEL GPIO
BSF GPIO,GP5
;DUTY CICLE_H
MOVLW D'3'
MOVWF DEC
NP2
DECFSZ DEC
GOTO NP2
BANKSEL GPIO
BCF GPIO,GP5
MOVLW D'3'
MOVWF DEC
NP3
DECFSZ DEC
GOTO NP3
;DUTY CICLE_L
NOP
NOP
DECFSZ DEC_8
GOTO TIGGER
;15 Pulsos
BANKSEL TMR1H
CLRF TMR1H
CLRF TMR1L
;Limpar registradores TIMER1
ESP_RUID
MOVLW D'100'
MOVWF DEC
MOVWF DEC_8
;LOOP Espera(ruÍdo da transmissão).
ESP_RUID1
DECFSZ DEC
GOTO ESP_RUID1
ESP_RUID2
DECFSZ DEC_8
GOTO ESP_RUID2
BANKSEL PIR1
MOVLW B'00000000'
;TMR1IF(0) Limpar em software
60
MOVWF PIR1
RETFIE
INICIO
;GIE
MOVLW B'11000000'
MOVWF INTCON
PEIE
BANKSEL PIE1
MOVLW B'00000001'
MOVWF PIE1
;TMR1IE
BANKSEL PIR1
MOVLW B'00000000'
MOVWF PIR1
;TMR1IF(0) Limpar em software
BANKSEL T1CON
MOVLW B'01000001'
MOVWF T1CON
;TMR1GE
BANKSEL OPTION_REG
BCF OPTION_REG,7
BANKSEL WPU
CLRF WPU
BSF WPU,WPU2
TMR1ON
;LIGAR PULL-UP GP2
bcf STATUS,RP0 ;Bank 0
clrf GPIO ;Init GPIO
movlw 07h ;Set GP<2:0> to
movwf CMCON ;digital IO
bsf STATUS,RP0 ;Bank 1
clrf ANSEL ;Digital I/O
BANKSEL TRISIO
MOVLW B'00011100' ;Definindo porta T1G COMO ENTRADA
MOVWF TRISIO
MAIN
ESP_ECHO
BTFSS GPIO,GP4
GOTO ESP_ECHO
;LOOP Espera sinal amplificado.
MAIN1
BANKSEL GPIO
BCF GPIO,GP0
BCF GPIO,GP1
COMPARACAO
MOVF TMR1H,W
MOVWF REF_H
BANKSEL STATUS
CLRF STATUS
MOVF TMR1H,W
SUBLW D'18'
;SE
TMR_H>TIMER_H
OU MENOR
;MOVER TMR1H PARA REF_H
;TMR1H COM REF=18
BTFSC STATUS,C
GOTO MENOR
GOTO MAIOR
MAIOR ;1) Executar a ação
;1)Subtrair da referência
2)ligar timer01 e ir para tigger
TMR1H-REF_H
61
BANKSEL GPIO
BCF GPIO,GP0
BSF GPIO,GP1
ESPERA12
ESP12
MOVLW D'20'
MOVWF DEC
ESP22
DECFSZ DEC
GOTO ESP22
DECFSZ REF_H
GOTO ESP12
;Ciclo espera
;REF_H=TMR1H
CALL TIGGER2 ;CHAMAR INTERRUPÇÃO
GOTO MAIN
;RETORNAR AO LOOP DE ESPERA
MENOR
BANKSEL GPIO
BSF GPIO,GP0
BCF GPIO,GP1
ESPERA1
ESP1
MOVLW D'20'
MOVWF DEC
ESP2
DECFSZ DEC
GOTO ESP2
;Ciclo espera
DECFSZ REF_H
GOTO ESP1
;REF_H=TMR1H
CALL TIGGER2
GOTO MAIN
;CHAMAR INTERRUPÇÃO
;RETORNAR AO LOOP DE ESPERA
END
62
ANEXO E: Orçamento circuito impresso