Carlos Alexandre Gouvêa da Silva. Edson Leonardo dos Santos. Circuit Plotter

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1 Carlos Alexandre Gouvêa da Silva Edson Leonardo dos Santos Circuit Plotter Projeto apresentado como requisito para avaliação do programa de aprendizagem de Resolução de Problemas de Engenharia e Física III, do curso de graduação em Engenharia da Computação da Pontifícia Universidade Católica do Paraná. Com instrução dos professores Afonso Ferreira Miguel e Gil Marcos Jess. Curitiba,

2 OBJETIVO O projeto CIRCUIT PLOTTER, relativo ao terceiro período de Engenharia da Computação realizado na Pontifícia Universidade Católica do Paraná, propôs inicialmente o desenvolvimento de um PLOTTER ( impressora ) que esboça em uma área determinada de fenolite, as trilhas e pontos de um circuito elétrico pré montado em softwares de construção do mesmo. No entanto devido à alta complexidade em se utilizar ou converter as coordenadas desses softwares para enviá-los a plotter, foi decidido uma mudança de estratégia. A CIRCUIT PLOTTER passou a ser desenvolvida para simples transcrição de caracteres alfa numérica (alfabeto e números). Tendo assim como suas principais partes estrutura mecânica, motores de passo, solenóide e software de controle. Figura 1: Logo Marca 2

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 06 2 OBJETIVOS GERAL ESPECÍFICO 08 3 MATERIAIS UTILIZADOS Estrutura mecânica Módulo conversor RS232 TTL Módulo M etapas de potência para motores de até 2A Etapa de potência para motor de 0,5A Módulo M Parte de potência para M Ferramentas e aparelhos Softwares 10 4 DESCRIÇÃO GERAL HISTÓRIA DO PROJETO HARDWARE Logica estrutural Estrutura mecânica Circuitos elétricos SOFTWARE Código fonte Visual Studio Software de controle CENTRO DE CUSTOS 20 5 PROBLEMAS APRESENTADOS 21 6 CONCLUSÃO 22 7 REFERÊNCIAS 23 3

4 INDICE DE FIGURAS Figura 1 Logo Marca 02 Figura 2 Exemplo Plotter Gerber Infinity 06 Figura 3 Plotter para PCI 06 Figura 4 Fluxograma 1: Disposição Lógica 12 Figura 5 Estrutura Mecânica 13 Figura 6 Estrutura Mecânica 13 Figura 7 Estrutura Mecânica 13 Figura 8 Estrutura Mecânica 13 Figura 9 Estrutura Mecânica 13 Figura 10 Estrutura Mecânica 14 Figura 11 Base Matricial 14 Figura 12 Base final 14 Figura 13 Base completa com solenóide 14 Figura 14 Esquemático MAX Figura 15 Board MAX Figura 16 Testes MAX Figura 17 PCI MAX Figura 18 Esquemático M0 16 Figura 19 Board M0 16 Figura 20 Teste M0 16 Figura 21 PCI M0 16 Figura 22 Layout Potencia 2A 16 Figura 23 Esquemático Potencia 2A 16 Figura 24 Teste Potencia 2A 17 Figura 25 - Board Potencia 2A 17 Figura 26 PCI potencia 2A 17 Figura 27 Esquemático potencia 0,5A 17 Figura 28 Board potencia 0,5A 17 Figura 29 PCI potencia 0,5A 17 Figura 30 Esquemático M2 18 Figura 31 Board M2 18 Figura 32 Esquemático potencia M2 solenóide 18 Figura 33 PCI M2 18 Figura 34 PCI potencia solenóide 18 4

5 Figura 35 Solenóide 18 Figura 36 Software de controle 19 Figura 37 Posição zero plotter 20 5

6 1 - INTRODUÇÃO Uma plotter ou lutter (figura 2) é uma impressora destinada a imprimir desenhos em grandes dimensões, com elevada qualidade e rigor, como por exemplo plantas arquitetônicas, mapas cartográficos, projectos de engenharia e grafismo. Figura 2: Exemplo - Plotter Gerber Infinity Primeiramente destinada a impressão de desenhos vetoriais, atualmente encontram-se em avançado estado de evolução, permitindo impressão de imagens em grande formato com qualidade fotográfica. Uma outra variação é a plotter de recorte, na qual uma lâmina recorta adesivos de acordo com o que foi desenhado previamente no computador, através de um programa vetorial. O material assim produzido é utilizado por exemplo na personalização de frotas de veículos e ambientes comerciais, como fachadas, vitrines, confecção de banners, luminosos, placas, faixas, entre outros. Assim iniciamos o desenvolvimento de uma plotter de mesmo princípio a aquelas que transcrevem linhas e curvas. Com objetivo de desenhar um esquemático de circuitos elétricos (figura 3) previamente montados. Figura 3: Plotter para PCI 6

7 O projeto consiste em movimentar uma caneta previamente fixada em um atuador elétrico. O movimento da caneta será realizado nos eixos X, Y e Z, onde o atuador elétrico terá movimento no eixo Z, e os blocos apoiados em dois eixos nos eixos X e Y controlados pelos motores de passo. A placa de fenolite onde o desenho será transcrito deverá ser apoiada de maneira fixa na base da estrutura do Plotter. Contudo no decorrer no projeto foi mudada a estratégia inicial de um plotter de PCI para um plotter de escrita comum de letras e números. 7

8 2 - OBJETIVOS GERAL: Utilizando os conhecimentos adquiridos nas disciplinas de Técnicas avançadas de programação I, física III, Sistemas Digitais I e Resolução de problemas de engenharia I, construir um projeto que integre essas disciplinas e traga um entendimento prático e claro de cada recurso aprendido teoricamente. Criar um produto que dispensa a utilização de transparências e máquinas de prensagem com temperaturas altas, além de impressoras e métodos manuais ESPECÍFICOS 1. Estudar o funcionamento de motores de corrente continua; 2. Construção de uma estrutura mecânica; 3. Desenvolvimento de um código em C++ de controle; 4. Resolução de problemas de estrutura e funcionais; 5. Otimização de circuitos elétricos em placas de circuito impresso. 8

9 3 - MATERIAIS UTILIZADOS Estrutura mecânica motores de passo 5volts; motor de passo 5volts; peças de nylon; eixos planos; estrutura de impressora; base plana de madeira; correias; Fios para conexões. 3.2 Modulo conversor RS232 TTL CI Max232; regulador de tensão 78L05; transistor BC548; resistores 1kΩ; capacitores eletrolíticos 1µF 16 v; capacitor eletrolítico 100µF 16 v; conector BD 9 pinos machos em L; conector DC Power. 3.3 Módulo M CI PIC16F629; regulador de tensão 78L05; capacitor eletrolítico 100µF 16 v; capacitor eletrolítico 10µF 16 v; etapas de potencia para os motores de até 30 v 9

10 TIP122; TIP125; resistores de 4,7KΩ; resistores 2KΩ; resistores 3,3KΩ; resistores 470Ω. 3.5 Etapa de potência motor 0,5A CI ULN2803A. 3.6 Módulo M CI PIC16F629; regulador de tensão 78L05; capacitor eletrolítico 100µF 16V; capacitor eletrolítico 10µF 16V. 3.7 Parte potencia para M diodo retificador 1N5408; rele 12V; resistor 470Ω; TIP Ferramentas e aparelhos Multímetro digital; Fonte de tensão CC; Osciloscópio; PicStart Plus; Ferramentas de corte e furação de PCI; 3.9 Softwares; 10

11 3.9.1 Eagle (construtor de PCI); Microship MPLAB IDE (gravador PIC); Visual Studio 6.0; Hiper Terminal; Rhinoceros. 11

12 4 - DESCRIÇÕES GERAIS HISTÓRIA DO PROJETO As primeiras idéias sobre um projeto integrado para o semestre foi baseado em necessidades que o homem utiliza em seu cotidiano, seria adaptar recursos já existentes que possam otimizar o tempo, dinheiro e esforço dos usuários. Assim pensou-se em algo que pudesse ser utilizado para transcrever um circuito elétrico em uma placa de circuito impresso. Logo o escopo do projeto foi apresentado aos orientadores do projeto Professores Afonso Miguel e Gil Marcos, e aceito por ambas as partes. Ao decorrer do semestre foi-se desenvolvendo toda a parte de estrutura mecânica e circuitos elétricos. Porém na fase do desenvolvimento do software de controle, apareceram obstáculos complexos que foram apresentados ao Professor Afonso. Como já mencionado a idéia inicial era utilizar um programa de construção de PCI, assim maneiras de se adaptar o mesmo mostrou-se complexas. A maneira encontrada para se realizar essa transformação foi que no software AUTOCAD, o desenho (board) criado no EAGLE seria aberto e que através do AUTOCAD esse mesmo desenho seria transformado em formato pdf, e que quando nesse arquivo pdf apenas seria gravado as coordenadas cartesianas das trilhas e pontos da PCI. Contudo nesse arquivo pdf não apenas as coordenadas viriam e sim outros códigos e extensões desnecessárias (lixo), para que para sua separação implicaria em mais tempo e maneiras a serem pesquisadas. Essas observações foram apresentadas ao Professor Afonso que sugeriu em uma mudança de estratégia, ao invés de usar a plotter para desenhar circuito impresso passou a apenas para transcrição de letra e números. 4.2 HARDWARE Lógica estrutural Fluxograma 1: disposição lógica 12

13 A complexidade lógica do projeto se resume em um computador que através de comunicação serial, envia os dados ao conversor TTL, para que se possam controlar os motores de passo do eixo X e Y, um solenóide que se encarregado do movimento do eixo Z. E concluindo a fixação de fins de curso que limitarão a área de alcance dos motores, para que os mesmos não possam eventualmente bater nas estruturas fixas Estrutura Mecânica A primeira etapa do projeto foi a decisão da disposição inicial da estrutura mecânica, com a ajuda de um aplicativo de desenho gráfico conhecido como rhinoceros essa visualização ficou como mostram as figuras 3 e 4. Figura 4: estrutura mecânica Figura 5: estrutura mecânica Contudo a disposição dos motores de passo mostraram ser incertas devido a dúvida em se utilizar fusos presos as motores, fazendo com que esses girem fixadas permanentemente nos motores ou se usariamos correias presas aos motores. Assim analizando qual a melhor maneira em se movimentar a estrutura, decidiu-se em usar as correias dispostas como as imagens abaixo. Figura 6: estrutura mecânica Figura 7: estrutura mecânica Figura 8: estrutura mecânica Figura 9: estrutura mecânica 13

14 Figura 10: estrutura mecânica Esses dois motores de passo realizaram os movimentos do eixo X, funcionando simultaneamente de forma a não perder o compasso cincronizado dos motores e não forçar o trabalho mecânico dos motores e da estrutura. Posteriormente a disposição do motor de passo que realizaria o movimento do eixo Y, e esse não é da mesma estrutura eletrica aos outros dois motores do eixo X. Para essa base foi utilizada uma estrutura já pronta de uma impressora matricial como mostrado na figura 10. Figura 11: base matricial Foram necessaria também a confecção de bases nylon para fixação dos eixos cilindricos e para o motor fixo do eixo Y. Essa partes foram todas fixadas em uma base plana de madeira. Como resultado final, ficou uma estruta simples de fácil manuseio e prática visualizadas nas figuras 11 e 12. Figura 12: base final Figura 13: base completa com solenóide Como mostrado na figura anterior foi adapitado um solenóide 12Volts vcc de acionamentos eletropneumáticos que realizara o movimento vertical em 14

15 eixo Z. Onde o mesmo se deslocara no eixo Y em cima da estrutura da impressora matricial Circuitos elétricos Como definido previamente a utilização da saída serial do computador, necessitou-se a montagem de um conversor RS232 TTL, de forma a obter 5V na saída. Para tal circuito usou-se o circuito disponibilizado pelo professor orientador. Esse circuito é interligado ao cabo serial e alimentado com corrente continua fornecida por uma fonte independente de 10 volts. Como visto nas figuras abaixo, mostram seu esquemático, board da PCI, circuito em photoboard para teste e finalizando o circuito montado no fenolite. Figura 14: Esquemático MAX232 Figura 15: Board MAX232 Figura 16: Testes MAX232 Figura 17: PCI MAX232 O próximo passo foi o módulo M0 que é construído baseado em um micro controlador PIC16F629 que processa a comunicação serial da linha TTL_SERIAL, reconhece comandos específicos do dispositivo e atua no motor de passo. Para a gravação do PIC aplicamos através do software MICROSHIP MPLAB IDE, o arquivo M0_sm.hex e esse aplicado ao circuito a seguir. Contudo como são dois motores que foram colocados em paralelo para um eixo e mais um para outro eixo, houve a necessidade de se construir 2 M0. 15

16 Figura 18: Esquemático M0 Figura 19: Board M0 Figura 20: Teste M0 Figura 21: PCI M0 Considerando que os dois motores de passo postos em paralelos consumiriam uma tensão alta, o que acarretaria num esforço elevado do circuito M0 e também porque os micro controladores não são projetados para suportar correntes altas como utilizadas nos motores, surgiu à necessidade em se usar uma parte de potencia. Um para cada saída do M0. Ambos ficando de tal forma que para cada saída M0 tem um referente circuito para a potência, e que para tal uma conexão para os dois motores postos em paralelo. O circuito de potência é alimentado a 5 volts. Sabe-se que os motores vão consumir até 2A. Figura 22: Layout Potência 2A Figura 23: Esquemática Potência 2A 16

17 Figura 24: Teste Potência 2A Figura 25: Board Potência 2A Figura 26: PCI Potência 2A Para o outro motor de até 0,5A de cinco fios, não se abandonou a necessidade de se usar uma parte de potencia pelo mesmo fato mencionado anteriormente, para isso usou-se apenas um CI ULN2803A com oito saídas podendo até utilizar 2 motores, mas no nosso caso há apenas um motos, aquele referente ao do eixo Y. Os esquemáticos e demais especificados a seguir. Figura 27: Esquemático Potência 0,5A Figura 28: Board Potência 0,5A Figura 29: PCI Potência 0,5A 17

18 Chegando ao ultimo aplicativo da estrutura mecânica, o solenóide torna de suma importância para o projeto, pois é o mesmo que realiza o movimento de levantar ou abaixar a caneta. Para o controle do solenóide usou-se o M2, sendo que esse circuito também foi imprescindível o uso de uma parte de potência. O M2 é baseado em um micro controlador PIC16F675, porém o seu equivalente PIC16F629 pode-se usar em seu lugar. 12volts. A etapa de potência M2 é construída com um transistor Darlington e um diodo. Novamente os sinais V_M e GND são respectivamente a tensão do motor (não deve exceder 50V) e o seu terra. Obs: não há demonstração do board da parte de potencia pelo fato de ter sido montada manualmente. Veja as descrições a seguir. Figura 30: Esquemático M2 Figura 31: Bord M2 Figura 33: PCI M2 Figura 32: Esquemático M2 Figura 34: PCI Potência Solenóide Figura 35: Solenóide 18

19 4.3 - SOFTWARE Código fonte Visual Studio O desenvolvimento do código de controle dos motores de passo e do solenóide foi baseado nos códigos usados para testar os módulos através do hiper terminal do computador. Esses códigos independentes foram associados a especificações que garantem a compilação correta do visual. Código anexo no CD do projeto Software de controle Figura 36: Software de controle O Controle da Plotter é feito por uma caixa de dialogo criada no Visual Studio 6.0 através do aplicativo MFC, possui um design simples de fácil compreendimento e uso. Suas funções são especificadas a seguir: 1. EDIT: área limitada onde o usuário deverá escrever a seu gosto caracteres em forma de frase ou simplesmente palavras. É permitido a escrita dos números de 0 à 9. A única restrição do conjunto é com relação as letras MAIUSCULAS e os símbolos de acentuação e similares. Caso a letra digitada na caixa de escrita não existir na biblioteca do projeto, uma mensagem será mostrada ao usuario: LETRA NÃO EXISTE! 2. RUN: botão lógico que envia ao hardware os caracteres prescritos na caixa de texto EDIT. 3. ZERO POSITION: direciona o solenóide na primeira linha da folha a ser escrita. Isso inutiliza a necessidade de o usuario fazer esse movimento manualmente, sendo que essa atitude pode desestabilizar o paralelismo dos eixos do movimento X. Como visto na imagem a seguir. 19

20 Figura 37: Posição zero plotter 4. NEW LINE: permite que após o término da linha a ser escrita, havendo a necessidade em se mudar para baixo, possa se mudar para próxima linha sem esforços manuais. 4.4 CENTRO DE CUSTOS Todos os gastos com componentes, peças e demais foram de total responsabilidade dos alunos responsáveis pelo projeto. 20

21 5 - PROBLEMAS APRESENTADOS Problema encontrado O não funcionamento do conversor RS232 TTL, sem sinal correto na saída. Em fase de testes, o circuito conversor TTL apresentou falhas, exatamente no CIMAX232. Utilização das coordenadas criadas no EAGLE, para impressão das trilhas e furos. Funcionamento incorreto do motor de 0,5A, perda da seqüência correta dos pontos do mesmo. Várias combinações testadas sem sucesso. Perda na estabilidade do conjunto ao se enviar alguns tipos de letras da biblioteca virtual. Todas as letras que necessitavam usar como primeiro comando o solenóide. Solução aplicada Suspeita de dano no CI MAX232, levou na decisão de comprar um novo componente. E com forma de garantia também se comprou um novo transistor BC548. Após a nova montagem o resultado foi positivo. Circuito funcionando. Compra de um novo componente. Mudança de função do projeto. Passou a escrever apenas letras e números, como recomendação do orientador. Compra de um novo motor de mesmo modelo. Posteriormente seu funcionando foi realizado corretamente. Acrescimo de um mesmo comando em todas as letras que apresentavam erro. Um comando do solenóide também. 21

22 6 CONCLUSÃO Assim, após a conclusão do projeto, chegou a conclusões que através dos conhecimentos pratico ou teórico adquiridos das disciplinas de física, sistemas digitais, programação e resolução de problemas de engenharia, podese desenvolver e implementar um projeto integrado. Além de agregar conhecimentos novos na resolução rápida e pratica de problemas que podem ocorrer em um sistema ou máquina. O projeto tornou-se importante porque apresentou de forma positiva falhas e erros, o que conseqüentemente exigiu dos integrantes da equipe uma abordagem ampla e cuidadosa do caso. Buscando soluções aplicáveis ao problema em livros, páginas virtuais e consultas a profissionais acadêmicos da área. 22

23 7 REFERÊNCIAS MÓDULO DAD. Motores de passo. BESSONAO, L. Eletricidade aplicada para engenheiros. Editora Porto Numero de acervo: B559 23

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