UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO HENRIQUE NOGUEIRA SOARES DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO DE VEÍCULO CONTROLADO POR REALIDADE VIRTUAL MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO OURO PRETO 2013

2 HENRIQUE NOGUEIRA SOARES DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO DE VEÍCULO CONTROLADO POR REALIDADE VIRTUAL Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: M. Sc. Alan Kardek Rêgo Segundo Co-orientador: Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro Ouro Preto Escola de Minas UFOP Maio/2013

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4 Só há um tempo em que é fundamental despertar. Esse tempo é agora. Buda

5 DEDICATÓRIA Dedico esta obra a minha mãe Eliza Soares Nogueira e meu pai Francisco Nogueira da Silva pelo incentivo. Obrigado por acreditarem que nunca é tarde para realizarmos nossos sonhos. Obrigado por acreditar no AGORA.

6 AGRADECIMENTOS Ao professor Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro e ao professor M. Sc. Alan Kardek Rêgo Segundo pela orientação neste trabalho de conclusão de Curso. Ao engenheiro Guilherme Oliveira Gonçalves (Marchalenta Rep. UPA) pela amizade, incentivo, e conversas que foram de grande valia para este trabalho. Valeu demais brother. Ao engenheiro Marco Antônio Santos Maia (Koiza Rep. Hospício) pela colaboração técnica neste projeto e amizade. A revisora Tamyres Maciel pelo apoio e amizade. As repúblicas: Unidos Por Acaso, Bastilha e Doce Mistura pelo rock n roll e acolhimento.

7 RESUMO Desenvolveu-se um protótipo de um veículo (bicicleta indoor) controlado por um sistema de realidade virtual com o propósito de aprimorar a qualidade de prestação de serviços nos campos de atuação da engenharia de controle e automação. Como exemplo tem-se o controle remoto de veículos fazendo uso de sistemas de realidade virtual e sistemas embutidos. Inicialmente criou-se o projeto de hardware da placa mãe de controle com a utilização do software Proteus ISIS. Após esta etapa utilizou-se o software PIC C Compiler para programar as funcionalidades do microcontrolador PIC18F4550 e demais componentes do projeto. A impressão do layout da placa de circuito realizou-se a partir do software Proteus ARES. Esta placa foi construída e testada com o uso do software supervisório construído exclusivamente para este projeto utilizando o Microsoft Visual Studio 2012 Express, que controla o nível de carga no gerador CC, realiza a leitura do sensor de velocidade e a leitura do acionamento dos botões (entradas digitais) no PIC18F4550. Os resultados foram satisfatórios ao propósito do trabalho. Palavras chave: Sistemas embutidos; Veículo operado remotamente; Microcontrolador; Sistema de realidade virtual.

8 ABSTRACT A prototype of a vehicle (bicycle indoor) has been developed, controlled by a virtual reality system in order to improve the quality of services in the activity fields of control engineering and automation. As an example, there is the remote vehicle making use of virtual reality systems and embedded systems. Initially, the hardware design of the motherboard control was created using the Proteus software - ISIS. After this step, the software to program PIC C Compiler was used to program the features of PIC18F4550 microcontroller and other components of the project. The impression of the circuit board layout was held from the Proteus software - ARES. This board was built and tested using the monitoring software built exclusively for this project (Microsoft Visual Studio 2012 Express), where it controls the level of charge in CC generator, place the sensor reading speed and reading button press (inputs) in PIC18F4550. The results were satisfactory to the purpose of the work. Key Words: Embedded Systems; Remotely Operated Vehicle; Microcontroller; Virtual Reality Systems.

9 i LISTA DE FIGURAS Figura Microcontrolador PIC18F4550 Fonte: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009) Figura 2.2 Uma instrução executada a cada quatro ciclos de maquina Figura Croqui experimental do protótipo Figura Projeto de hardware bike indoor - simulação proteus Figura Microcontrolador PIC18F4550 (Projeto Bike Indoor) Figura Circuito USB...16 Figura Circuito de Cristal...17 Figura ICSP Gravação...17 Figura Circuito de reset...18 Figura Entradas digitais no PIC18F Figura Circuito LCD...19 Figura Circuito do encoder (velocidade) Figura Circuito de nível de carga no geradar CC Figura Circuito de montagem da placa de controle da bike indoor...21 Figura Layout placa de controle - componentes...22 Figura Layout placa de controle - trilhas do circuito cobreadas Figura Configuração Design Rules Figura Configuração Net Classes POWER Figura Configuração Net Classes SIGNAL Figura Configuração Defaults Figura Configuração do Auto Router Figura Inserindo o arquivo UsbLibrary.dll para a comunicação USB HID Figura Arquivo UsbLibrary.dll incluído na aba.net Framework Figura MenuStrip inserido no software supervisorio Figura Propriedades básicas do AGauge1 e seu layout Figura GroupBox, PicturesBox e imagens LED_OFF Figura Software supervisório Bike Indoor Figura Placa de controle bike indoor em funcionamento....30

10 ii LISTA DE TABELAS Tabela Componentes utilizados na montagem experimental...13

11 iii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Motivação Justificativa Objetivo Estrutura do Trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Sistemas Embutidos Linguagem C Microcontrolador PIC18F Compilador PIC C Proteus Microsoft Visual Studio 2012 Express METODOLOGIA Materiais Projeto RESULTADOS Proteus ISIS Circuito de Simulação ISIS - Circuito de Montagem ARES Placa de Controle PIC C Compiler Microsoft Visual Studio 2012 Express... 25

12 iv 5. CONCLUSÃO SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS ANEXO I ANEXO II... 39

13 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. Motivação Com o crescente avanço da tecnologia, e a atual necessidade de informação em todos os campos, sistemas de automação modernos passam de simples automações de processos e equipamentos para automação de negócios, lidando com grandes quantidades de informações relevantes. Cada vez mais os sistemas computacionais embutidos estão presentes em praticamente todas as atividades humanas e, com os baixos custos tecnológicos atuais, tendem a aumentar sua presença no cotidiano das pessoas. Sistemas de realidade virtual estão sendo cada dia mais usados para monitoramento de processos industriais e veículos remotos são desenvolvidos para substituir o homem principalmente em áreas de risco de vida humana. Daí a motivação deste trabalho em desenvolver um protótipo de um veículo controlado por realidade virtual Justificativa Desenvolver e aprimorar a qualidade de prestação de serviços nos campos de atuação da engenharia de controle e automação, como por exemplo, o controle de veículos fazendo uso de sistemas de realidade virtual, sistemas embutidos e sistemas eletromecânicos. Este projeto visa agrupar três distintas áreas presentes no curso de Engenharia de Controle e Automação as quais são: Eletromecânica - atuadores e sensores do protótipo. Sistemas embutidos - comunicação entre os componentes do sistema eletromecânico e o sistema de realidade virtual. Realidade Virtual - realização da interface homem-máquina Objetivo Desenvolver protótipo de veículo (bicicleta indoor) controlado por realidade virtual em tempo real auxiliado por sistema eletromecânico e um sistema embutido Estrutura do Trabalho No primeiro capítulo faz-se uma introdução do trabalho ressaltando a sua importância, contendo a motivação, justificativa, objetivo e por fim a estrutura do trabalho. O capítulo 2 possui uma revisão bibliográfica do tema. O capítulo 3 trata a respeito do projeto do protótipo

14 2 da bicicleta indoor e suas características. No capítulo 4, são apresentados os resultados do projeto e, no capítulo 5, faz-se a conclusão do trabalho através dos resultados obtidos durante o estudo. No capítulo 6, estão as sugestões para trabalhos futuros deste projeto.

15 3 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Sistemas Embutidos Nos últimos anos, o papel da automação vem sendo modificado fortemente na medida em que novos problemas surgem cada vez mais complexos. Os componentes de um sistema de automação evoluíram constantemente com os anos, desde os primeiros sistemas baseados em controle automático, mecanizado até sistemas baseados nas tecnologias atuais como a microeletrônica. O campo de atuação da automação foi expandido, rompendo os limites do ambiente de chão de fábrica, na medida em que novos tipos de processos foram surgindo e hoje se nota aplicações da automação em sistemas desde gerência de informação e negócios em tempo real até sistemas críticos no campo médico. (NEVES et al., 2007). Com o crescente avanço da tecnologia, e a atual necessidade de informação em todos os campos, sistemas de automação modernos passam de simples automações de processos e equipamentos para automação de negócios, lidando com grandes quantidades de informações relevantes. Questões como confiabilidade e segurança são fundamentais nesse sentido, e constituem um dos muitos desafios enfrentados pela automação moderna (NEVES et al., 2007). Os sistemas computacionais embutidos estão presentes em praticamente todas as atividades humanas e, com os baixos custos tecnológicos atuais, tendem a aumentar sua presença no cotidiano das pessoas. Exemplos de tais sistemas são os telefones celulares com máquina fotográfica, internet, , aplicativos e agenda sincronizados, o sistema de controle dos carros e ônibus, os fornos de micro-ondas com controle de temperatura inteligente, as máquinas de lavar e outros eletrodomésticos (CARRO & WAGNER, 2010). Um requisito normalmente exigido de sistemas embutidos é a execução em tempo real, em especial quando a aplicação envolve veículos autônomos inteligentes. Por exemplo, sistemas de freio ABS, que impedem o bloqueio completo das rodas durante a frenagem, devem analisar as informações fornecidas pelo sistema (velocidade, força de acionamento dos pedais e freio, etc.) e produzir resultados (frenagem que será efetivamente aplicada a cada uma das rodas) em uma pequena fração de tempo (CARRO & WAGNER, 2010). O desenvolvimento de um sistema de controle de um veículo é uma tarefa bastante complexa. Esta tarefa envolve inicialmente o projeto e implementação das camadas inferiores à pirâmide de controle (e.g. interface com o hardware e dispositivos eletromecânicos), e posteriormente é

16 4 necessária também a implementação de um sistema computacional que irá gerenciar os diversos componentes e módulos deste sistema. Um sistema computacional de controle pode envolver tarefas mais simples, que podem ser gerenciadas apenas por CLPs (Controladores Lógicos Programáveis). Entretanto, sistemas mais complexos, planejados para controlar a execução de tarefas mais complexas (e.g. estacionar um carro, dirigir de modo autônomo), requerem uma arquitetura computacional de controle bem mais sofisticada (CARRO & WAGNER, 2010). Os sistemas embutidos são dispositivos dotados de certa inteligência computacional, capazes de processar informações ou aprender conhecimento por meio de técnicas especiais, porém dedicados ao desenvolvimento de uma única atividade ou um grupo limitado de atividades. Estes dispositivos frequentemente são utilizados para tarefas de monitoramento e controle de equipamentos, tais como sensores, motores e chaves. Eles recebem o nome embutido, pelo fato do programa de controle estar gravado junto ao circuito que o executa (CARRO & WAGNER, 2010). A automação veicular, além de propiciar ao motorista maior segurança em condições críticas adversas, pode também auxiliá-lo na condução do veículo, onde uma ou mais tarefas podem ser automatizadas, tais como: seguir a pista mantendo a faixa correta, manter uma distância segura entre veículos, regular automaticamente a velocidade do veículo conforme as condições de trânsito e características da rodovia, fazer ultrapassagens seguras e evitar obstáculos, achar caminho mais curto e seguro para o destino, bem como mover o veículo e estacioná-lo em ambiente urbano. Visando aumentos na segurança, no conforto, na estabilidade e no rendimento dos veículos automotores, a Indústria tem investido intensamente em sistemas eletrônicos embutidos. Com o intuito de auxiliar os condutores, diversas soluções eletrônicas vêm sendo desenvolvidas e implementadas nos veículos nas últimas décadas, como freios ABS e sistema de estabilização ESP, que atuam automaticamente, quando o veículo encontra-se em condições extremas, procurando minimizar, dessa forma, a ocorrência de acidentes (JUNG, 2005). Com a introdução de soluções em informática nos veículos, o motorista pode contar com sistemas de navegação, que o auxiliam na escolha da melhor rota entre a origem e o destino, e que podem, inclusive, adequá-la durante a viagem conforme as condições de trânsito (JUNG, 2005).

17 Linguagem C A linguagem C foi desenvolvida por Brian Kernighan e Dennis M. Ritchie na década de 70 no AT&T Bell Labs. Em pouco tempo, esta linguagem teve grande utilização em universidades espalhadas pelo mundo, tornando-se praticamente oficial em cursos de engenharias. É uma linguagem estruturada, eficiente, rápida e tão poderosa quanto a linguagem Assembly. A cada ano vem aumentando o número de programadores de microcontroladores que acabam migrando da linguagem Assembly para o C (HOLUB, 2005). Os programas em C se tornam muito mais eficientes e mais rápidos de serem escritos, pois os compiladores de programas em linguagem C para microcontroladores possuem várias bibliotecas de funções prontas como comunicação serial, ADC, EEPRON, I2C, PWM, LCD, dentre outros (HOLUB, 2005). Contudo, uma das grandes vantagens de se programar em C é que o programador não precisa se preocupar com o acesso a bancos, localização de memória e periféricos dos Microcontroladores, pois o compilador é responsável por gerenciar estes controles (MIZRAHI, 2008). Toda essa eficiência da Linguagem C proporciona ao programador preocupar-se apenas com o programa em si e o compilador traduz da linguagem C para a linguagem de máquina (HEX), que é a linguagem que os microcontroladores conseguem entender (MIZRAHI, 2008) Microcontrolador PIC18F4550 Microcontrolador é um sistema computacional completo inserido em um único circuito integrado. Possui CPU, memória de dados RAM (Random Access Memory) e programa ROM (Read Only Memory) para manipulação de dados e armazenamento de instruções, sistema de clock para dar sequência às atividades da CPU, portas I/O, além de outros possíveis periféricos como: módulos de temporização, conversores analógico digital e até mesmo os mais avançados conversores USB (Universal Serial Bus) ou ETHERNET (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). Apesar de seu funcionamento exigir uma freqüência de clock de alguns MHz, o que é pouco comparado aos microprocessadores modernos, sua utilização é perfeitamente adequada para utilizações típicas. Consomem pouca energia, algo em torno de miliwatts, possuem a capacidade de hibernar enquanto aguardam o acontecimento de um evento que o colocará

18 6 em funcionamento novamente, ideal para circuitos alimentados a baterias químicas, pois seu consumo é reduzido para algo em torno de nanowatts. São componentes de baixo custo e compactos (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). Para fazer uso do microcontrolador é necessário desenvolver, além do programa que controla determinado processo, um hardware responsável pela interface entre o mundo externo e o microcontrolador, adaptando os níveis de tensão e corrente. Porém, para aplicações mais simples e de valores de tensão e corrente próximos aos valores nominais do microcontrolador pode-se utilizar seus pinos de I/O diretamente interligados ao sistema (MELO, 2011). Existe uma grande quantidade de Microcontroladores utilizados em projetos de equipamentos eletroeletrônicos. O microcontrolador utilizado neste projeto é o PIC18F4550. Uma das vantagens deste microcontrolador é que ele possui interfaceamento USB possibilitando a comunicação e alimentação do microcontrolador com um microcomputador. Outra vantagem é que ele possui memória Flash, possibilitando assim escrever/apagar com grande rapidez (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). Os microcontroladores são formados basicamente por três componentes: Dispositivos de entrada e saída: responsáveis pela interação com o mundo externo. Processador: efetua cálculos e processa os dados recebidos. Memória: responsável por armazenar o programa e os dados. Diferentemente de um PC convencional em que cada componente deste se apresenta de forma separada, sendo necessária a montagem do conjunto que forma o PC, o microcontrolador engloba todos estes componentes em um único chip, bastando apenas à conexão de displays e teclados externos para se obter um sistema funcional (MELO, 2011). O microcontrolador PIC18F4550 que, além de suprir todos os quesitos relacionados acima, possui a vantagem de ter embutido ao seu núcleo um periférico muito importante nos dias atuais, em que a porta de comunicação serial RS-232 está sendo extinta dos notebooks e PCs, que consiste na porta USB 2.0, podendo operar tanto em velocidade Full Speed (USB 2.0) quanto em Low Speed (USB 1.1). Isto o torna um dos microcontroladores mais completos e de fácil obtenção disponíveis no mercado (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009).

19 7 O microcontrolador PIC18F4550 Figura 2.1 é comercializado em vários tipos de encapsulamento, como PLCC, TQFP e DIP, porém a versão que iremos trabalhar é a versão DIP40 pela disponibilidade e facilidade de uso (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). Figura Microcontrolador PIC18F4550 Fonte: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). A seguir as principais características do microcontrolador PIC18F4550: Memória de programa Flash de 32k bytes. Memória de dados RAM de 2048 bytes. Memória EEPROM de 256 bytes. 35 Pinos de I/O.

20 8 Comunicação serial EUSART. 13 Canais de entrada analógica de 10bits. 02 Comparadores. Canal de comunicação I2C Master. Canal de comunicação SPI. USB 2.0 Full Speed. Oscilador interno selecionável de 31KHz a 8MHZ. Supre ou drena até 25 ma por pino. Três interrupções externas. Quatro Timers internos (TMR0, TMR1, TMR2, TMR3). Dois módulos - capture/compare/pwm. Master Synchronous Serial Port (MSSP). Disponibilidade em padrão DIP 40 pinos. Processamento de até 12MIPS. Além das características listadas acima, podemos destacar o fato de este microcontrolador incorporar a tecnologia nano Watt, onde pode operar em várias frequências e modos diferentes para economizar energia, sendo este recurso muito útil quando temos equipamentos alimentados por baterias (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). Outro ponto forte deste dispositivo é a conectividade, beneficiada pela disponibilidade de quatro comunicações seriais: USB, I2C, SPITM e o módulo EUSART, que pode operar tanto no modo síncrono como assíncrono, o que o torna ideal para aplicações embutidas e de monitoramento que necessitem de ligação periódica com um microcomputador para download/upload de dados ou atualização de firmware (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). Os microcontroladores PIC operam com pipeline executando uma instrução a cada quatro ciclos de máquina, de acordo com a Figura 2.2. Trata-se de uma técnica de paralelismo no nível das instruções de um processador onde a máquina é capaz de processar mais de uma instrução ao mesmo tempo, não precisando esperar que uma instrução termine para iniciar a execução de outra.

21 9 Figura 2.2 Uma instrução executada a cada quatro ciclos de maquina. O PIC18F4550 possui gerenciamento de clock um pouco diferente dos demais microcontroladores, pois existe a necessidade de se ter 48 MHz para o módulo USB. Esta frequência é obtida através de um PLL (Phase Locked Loop) interno que multiplica o valor do oscilador e posteriormente o repassa aos blocos de USB e CPU, cada qual com sua frequência de trabalho independente. Neste projeto utilizou-se um cristal de 4 MHz. Portanto, foram ajustados os valores de prescaler para se obter 48MHz nos dois blocos, alcançando assim á taxa de 12MIPS com a disponibilidade da comunicação USB trabalhando em Full Speed (12 Mb/s) (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009) Compilador PIC C O Compilador PIC C é uma ferramenta bastante poderosa e fácil de trabalhar (permite editar, simular e compilar programas das famílias 12, 16 e 18 da Microchip), além de também possuir uma vasta biblioteca de controle de periféricos dos Microcontroladores (MELO, 2011). Neste compilador encontramos uma vasta biblioteca de funções conforme a seguir (MELO, 2011): ADC Library CAN Library CANSPI Library EEPRON Library

22 10 Ethernet Library SPI Ethernet Library I2C Library LCD Library One Wire Library PWM Library PS2 Library RS485 Library SPI Library UART Library USB Library 2.5. Proteus O Proteus é um conjunto de ferramentas (EDA - Electronic Design Automation) reunidas em um único pacote, combinando captura esquemática (ISIS Intelligent Schematic Input System), simulação (ProSpice - SPICE Simulation Programwith Integrated Emphasis), layout de PCB (ARES Advanced Routingand Editing Software) e simulação de projetos eletrônicos baseados em microcontroladores (VSM - Virtual System Modelling) (MELO, 2011). O ISIS é certamente o destaque do Proteus, pois trabalha em conjunto com a ferramenta de simulação, ProSpice, isto é, construído o esquemático, a partir da mesma tela pode ser feita a simulação (MELO, 2011) Microsoft Visual Studio 2012 Express O Microsoft Visual Studio é um pacote de programas da Microsoft para desenvolvimento de software especialmente dedicado ao.net Framework e às linguagens Visual Basic (VB), C, C++, C# e J#. Também é um grande produto de desenvolvimento na área web, usando a plataforma do ASP.NET. As linguagens com maior frequência nessa plataforma são: VB.NET e o C# (VISUAL STUDIO, 2012).

23 11 3. METODOLOGIA Foi construído o primeiro protótipo de uma bicicleta indoor (placa de controle) que futuramente será incorporada e controlada pela plataforma de realidade virtual chamada UFOP Digital, desenvolvida pelo laboratório de Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres TerraLAB/UFOP. Está plataforma simula em 3D o campus da UFOP e conta com um banco de dados georreferenciado. Para realização dos primeiros testes de comunicação USB do protótipo entre microcontrolador e microcomputador foi usado o software Microsoft Visual Studio 2012 Express para construção e programação de um software supervisório para controlar as funcionalidades do protótipo. O software supervisório troca informações via USB HID com o microcontrolador PIC18F4550 que, por sua fez, troca informações por meio de portas digitais com um gerador CC acoplado ao eixo da bicicleta, simulando o nível de carga do pedal, fazendo a leitura do sensor de velocidade (encoder), e leitura dos botões instalados na placa de controle (esquerda, direita, tiro e míssil). O croqui do experimento do protótipo pode ser visto na Figura 3.1. Figura Croqui experimental do protótipo.

24 12 Os recursos utilizados para a montagem do protótipo foram: Entradas digitais. o Quatro botões (direita, esquerda, tiro e míssil). o Velocidade pedal (sensor ótico). Saída digital. o Freio magnético (Gerador CC). Bicicleta. Rolo de treinamento de ciclismo adaptado. Programação das funções do microcontrolador (código fonte na linguagem C). Software Supervisório - Microsoft Visual Studio 2012 Express (Linguagem C#). Interfaceamento homem-maquina Materiais Os materiais utilizados para a montagem da placa mãe de controle da bicicleta indoor podem ser vistas na Tabela 3.1. Demais materiais como a placa de circuito, acido, ferro de solda e ferramentas foram cedidas pelo Laboratório de Máquinas Elétricas do Departamento de Engenharia de Controle e Automação DECAT da Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP.

25 13 Tabela Componentes utilizados na montagem experimental 3.2. Projeto Componentes do arranjo experiemntal 1 Capacitor Disco Cerâmico 27pF x 50V NPO 2 Capacitor Multicamadas 470nF x 50V (470K/470KpF/474) 3 Resistor de 15K Carbono 5% 1/4W 4 Transístor BC548B 5 Resistor de 330R Carbono 5% 1/4W 6 Resistor de 100K Carbono 5% 1/4W 7 Cristal 4 MHz SMD - HC49S 8 Resistor de 220R Carbono 5% 1/4W 9 Microcontrolador PIC18F Led 3mm Transparente Acende vermelho MCD 11 Relê T73 5V 1 Pólo 2 Posições 5 Terminais 125V 10A 12 Capacitor Disco Cerâmico 1nF x 1KV (1K/1KpF/102) 13 Display LCD 16x2 Back Fundo Verde Letra Preta 80x36x13 JHD 162A 14 Conector USB-B Femea YH-USB03 15 Chave Botão 5,8x5,8 mm Sem Trava 16 ITR8104 Foto interruptor infravermelho IR 950nm (sensor óptico) 17 Soquete 40 Pinos Estampado 19 BORNE Inicialmente realizou-se a definição do produto (protótipo) e de suas funcionalidades (especificação dos requisitos funcionais) e feita à seleção dos dispositivos para a especificação do hardware e do software. Os parâmetros selecionados para o projeto foram as entradas digitais (botões e leitura de velocidade) e saída digital (acionamento dos relés) utilizando-se a comunicação USB HID entre software supervisório e microcontrolador. Definidos estes parâmetros partiu-se para o projeto de hardware da placa mãe de controle, utilizando o software Proteus ISIS. Realizada esta etapa, utilizou-se o software PIC C Compiler para programar as funcionalidades de interfaceamento entre o microcontrolador PIC18F4550, gerador CC, interfaceamento USB HID, circuito de gravação, sensor óptico de velocidade e o software supervisório. Após a simulação no software ISIS utilizando a programação C implementada a partir do software PIC C Compiler foi utilizado o software ARES para impressão do layout da placa de circuito. Esta placa foi construída e testada no laboratório de Máquinas Elétricas da Universidade Federal de Ouro Preto.

26 14 O interfaceamento USB HID de comunicação do sistema embutido com o microcomputador do projeto foi testado utilizando o software Microsoft Visual Studio 2012 Express, programado na linguagem C#, o qual foi construído um software supervisório para controle de carga no gerador CC, leitura de velocidade da bicicleta (sensor ótico) e leitura do acionamento dos botões - direita, esquerda, tiro e míssil.

27 15 4. RESULTADOS 4.1. Proteus ISIS Circuito de Simulação Foi construído o projeto de hardware da bicicleta indoor atendendo aos requisitos propostos utilizando o software Proteus ISIS. Este projeto pode ser visto na Figura 4.1. Figura Projeto de hardware bike indoor - simulação proteus. A Figura 4.2 mostra de forma mais detalhada o microcontrolador PIC18F4550 e suas conexões com os outros componentes do projeto de hardware.

28 16 Figura Microcontrolador PIC18F4550 (Projeto Bike Indoor). O circuito USB é detalhado na Figura 4.3 e foi utilizado no projeto para realizar a alimentação do sistema e o interfaceamento do microcontrolador com o microcomputador. Figura Circuito USB

29 17 O circuito de cristal pode ser visualizado na Figura 4.4, ele é de fundamental importância para o funcionamento do microcontrolador porque determina a frequência do ciclo de clock do mesmo. Foi utilizado um cristal de 4MHz neste projeto. Figura Circuito de Cristal O circuito de ICSP Gravação foi empregada para a gravação do código fonte no microcontrolador PIC18F4550 sem removê-lo do circuito, Figura 4.5. O programador ICSP é um circuito para programar microcontroladores usando a porta serial do PC (In Circuit Serial Programming). Estes programadores são de baixo custo, construídos com poucos componentes e não necessitam de alimentação externa, características que fazem com que o projeto seja de fácil execução. Figura ICSP Gravação O circuito de reset foi utilizado para inicializar a programação caso em algum momento seja necessário inicializar o microcontrolador devido algum bug no sistema, Figura 4.6.

30 18 Durante a operação normal, o pino MCLR deve ser mantido em nível alto (+5V), conectado ao VDD através de um resistor de, por exemplo, 10K. Para efetuar o reset, deve-se aterrar este pino manualmente, isto é, levá-lo ao nível 0V, por exemplo, através de uma chave táctil. Este procedimento fará com que a CPU comece a executar as instruções a partir do vetor de reset, ou seja, no endereço 0x000 da memória de programa. O reset no pino MCLR limpa alguns registradores de controle do microcontrolador, mas mantêm intactos todos os dados da memória de dados (RAM). Figura Circuito de reset As entradas digitais no PIC18F4550 contemplam as funcionalidades do projeto. Estas entradas por sua vez vão comunicar com a plataforma de realidade virtual com informações em tempo real (interfaceamento homem máquina), de acordo com a Figura 4.7. Figura Entradas digitais no PIC18F4550 O circuito de LCD e suas conexões podem ser vistas na Figura 4.8 e foi usada para exibir informações das funcionalidades do projeto.

31 19 Figura Circuito LCD Foi utilizado um circuito com encoder para medir a velocidade do ciclista em tempo real, de acordo com a Figura 4.9. Ele é um dispositivo eletromecânico que conta ou reproduz pulsos elétricos a partir do movimento rotacional de seu eixo. Pode ser definido também como um transdutor de posição angular. São equipamentos eletromecânicos, utilizados para conversão de movimentos rotativos em impulsos elétricos de onda quadrada, que geram uma quantidade exata de impulsos por volta em uma distribuição perfeita dos pulsos ao longo dos 360 graus do giro do eixo. Figura Circuito do encoder (velocidade). E por último o circuito de relés, Figura 4.10, que gera a carga para o gerador CC, simulando a carga do pedal de acordo com o posicionamento do usuário na plataforma de realidade virtual. Neste circuito será realizado, em um trabalho futuro, o dimensionamento das resistências dos relés de acordo com a potência do motor CC de 12V, que será utilizado no projeto (freio magnético). Para tanto deve-se dimensionar as resistências de modo que seus valores sejam

32 20 suficientes para gerar carga no pedal. No presente projeto inicialmente foram propostos quatro níveis de cargas (nível 1, 2, 3 e 4) onde quarto resistências devem gerar a carga para o pedal. Figura Circuito de nível de carga no geradar CC. No circuito de relés as resistências estão com valores de 10k apenas para testes de acionamento dos mesmos.

33 ISIS - Circuito de Montagem O circuito de montagem da placa de controle difere do circuito de simulação apenas pela substituição de componentes como o motor, resistências do circuito de relés e LCD por conectores adequados a cada substituição e destacados com uma seta tracejada como pode ser visto na Figura Figura Circuito de montagem da placa de controle da bike indoor. Este layout foi analisado e posteriormente construído para ser testado.

34 ARES Placa de Controle Foi utilizado o software ARES para realizar o roteamento da placa de controle e o resultado pode ser visto na Figura 4.12 e Figura Figura Layout placa de controle - componentes Figura Layout placa de controle - trilhas do circuito cobreadas.

35 23 Para a configuração do Design Ruler Manager foram utilizados os parâmetros da Figura 4.14, Figura 4.15, Figura 4.16 e Figura Figura Configuração Design Rules. Figura Configuração Net Classes POWER.

36 24 Figura Configuração Net Classes SIGNAL. Figura Configuração Defaults.

37 25 Para a configuração do Auto Router foram utilizados os parâmetros da Figura Figura Configuração do Auto Router. Após o roteamento automático algumas modificações manuais foram realizadas para um melhor roteamento da placa. Essas modificações variam de projeto para projeto, em última analise, servem para corrigir alguns detalhes que não foram corrigidos pelo processo automático de roteamento PIC C Compiler A programação das funcionalidades do protótipo foi realizada na linguagem C e utilizou-se o software PIC C Compiler para compilar o código fonte e este pode ser visto de maneira comentada no ANEXO I Microsoft Visual Studio 2012 Express O software Microsoft Visual Studio 2012 Express foi utilizado para realizar o interfaceamento do microcontrolador com o software supervisório que foi construído exclusivamente para este projeto a fim de testar o interfaceamento USB HID entre a placa de controle e o

38 26 microcomputador onde futuramente estará instalada a plataforma de realidade virtual UFOP Digital. Foi criada a comunicação USB no modo HID (Human Interface Device) para enviar dados do computador para o PIC com o objetivo de acionar as cargas (relés) via supervisório e apresentar na tela do supervisório o acionamento dos botões integrados na placa de controle e a velocidade em tempo real do sensor ótico (encoder). Esses dados são enviados em pacotes de 8 bits e foram criados protocolos para essa comunicação. Para isso foi incluído o arquivo de controle contendo a biblioteca para comunicação USB (UsbLibrary.dll) que foi obtido no site < conforme Figura 4.19 e Figura Figura Inserindo o arquivo UsbLibrary.dll para a comunicação USB HID.

39 27 Figura Arquivo UsbLibrary.dll incluído na aba.net Framework. Foi inserido um MenuStrip chamado Arquivo com as funções Conectar e Sair, de acordo com a Figura Para implementar as funções de cada item do menu, clicou-se duas vezes sobre o item e foram inseridas linhas de comando adequadas. Este procedimento pode ser observado para cada item no código fonte do ANEXO II. A opção Conectar inicia o interfaceamento USB HID da placa de controle com o microcomputador utilizando o software supervisório. A opção Sair desconecta o interfaceamento USB HID e fecha o programa supervisório.

40 28 Figura MenuStrip inserido no software supervisorio. Foi incluído no supervisório um Gauge para visualização dos valores da conversão analógica do encoder (sensor de velocidade). O AGauge1 (assim chamado) inserido e suas propriedades podem ser vistas na Figura Figura Propriedades básicas do AGauge1 e seu layout. Foram acrescentados um groupbox, nove PicturesBox e duas imagens LED_OFF e LED_ON (importada para o software). Foi alterada a propriedade text de cada um deles para seus respectivos nomes e os resultados podem ser vistos na Figura Foi adicionado a implementação do código fonte de cada item clicando duas vezes sobre cada um.

41 29 Figura GroupBox, PicturesBox e imagens LED_OFF. O software supervisório pode ser visto na Figura 4.24 e sua programação em C# comentada é encontrada no ANEXO II. Figura Software supervisório Bike Indoor. O software supervisório realiza o acionamento dos níveis de carga no PIC18F4550, e recebe os valores do sensor de velocidade (encoder) e do acionamento dos quatro botões (esquerda, direita, tiro e míssil) em tempo real.