Sistema de Visão Computacional

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1 Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas NCET Engenharia da Computação Sergio Danton Machado Geisler Sistema de Visão Computacional Curitiba 2006

2 Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas NCET Engenharia da Computação Sergio Danton Machado Geisler Sistema de Visão Computacional Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Prof. Alessandro Zimmer Curitiba

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4 AGRADECIMENTOS A Deus sem o qual nada seria possível; A toda minha família, em especial meu pai Sergio Carneiro Geisler, pela construção da esteira e por tudo mais em que me ajudou e minha mãe Nara Regina Machado Geisler por trabalhar mais para ajudar a pagar meus estudos e por suportar a desordem em casa; Ao meu professor orientador Alessandro Zimmer por sua indispensável orientação durante todo o desenvolvimento do projeto; A todos os meus professores e colegas que de alguma forma me agregaram conhecimento durante minha vida acadêmica, principalmente minha colega Vanessa Freire com a qual pude compartilhar muitos conhecimentos e que me apoiou em muitos momentos. 4

5 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÂO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Microcontrolador Características do microcontrolador Descrição dos pinos do microcontrolador Memória do microcontrolador Bancos de registradores do microcontrolador Registradores de funções especiais Clock e Reset Interrupção Propriedades da interrupção Interrupções no microcontrolador Programando as interrupções no microcontrolador Timer Canal Serial Motores DC Fototransistores Processamento digital de imagens Aquisição de imagens Armazenamento Pré processamento Segmentação Detecção de bordas

6 Limiarização Afinamento Perseguição de contorno ESPECIFICAÇÂO Descrição Hardware Construção da esteira Funções do hardware Componentes do hardware Firmware Diagrama em blocos do sistema Seqüência de funcionamento Especificação de Software Funções do software Ambiente de desenvolvimento Funcionamento do software Processamento digital de imagens Requisitos Mínimos PROJETO Hardware Sinais de interface Lista de componentes Lista de componentes da placa do microcontrolador Lista de componentes das placas de interface

7 4.2. Software Diagrama de contexto Diagrama de casos de uso Diagrama de classes Fluxograma Diagramas de seqüência Interface Firmware Diagrama de estados Fluxograma do firmware RESULTADOS CONCLUSÃO CRONOGRAMA LEVANTAMENTO DE CUSTOS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS Diagramas esquemáticos de Hardware Interface com os displays de 7 segmentos Circuito do microcontrolador Circuitos de interface dos motores DC com o microcontrolador Circuito de interface serial Circuito de interface com o sensor e os leds Indicativos Layouts

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1. Esteira Figura 1.2. Diagrama em blocos do sistema Figura 2.1. Pinagem nos microcontroladores da família 8051 Figura 2.2. Arquitetura básica do microcontrolador 8031 Figura 2.3. Disposição dos blocos de memória da RAM interna Figura 2.4. Disposição dos bancos registradores Figura 2.5. Circuito de clock do microcontrolador 8031 Figura 2.6. Circuito de reset do microcontrolador 8031 Figura 2.7. Ilustração do processo de interrupção não vetorada Figura 2.8. Processo de interrupção da /INT0 Figura 2.9. Motor DC utilizado em vidro elétrico de automóveis Figura Desenho esquemático representando o funcionamento de um motor elétrico Figura Ilustração do comutador e das escovas Figura Funcionamento do comutador Figura Circuito básico de utilização do fototransistor Figura Forma de representação em eixos de uma figura Figura Passos fundamentais em processamento de imagens Figura Detecção de bordas por operadores de derivação Figura 3.1. Desenho técnico da esteira Figura 3.2. Desenho técnico da lateral esquerda da esteira Figura 3.3. Desenho técnico das laterais superior e inferior da esteira Figura 3.4. Desenho técnico do suporte da câmera e da luminária Figura 3.5. Desenho técnico do suporte da câmera e da luminária vista de outro lado Figura 3.6. Desenho técnico da base de sustentação da câmera no suporte Figura 3.7. Desenho técnico do emissor de laser Figura 3.8. Desenho técnico do suporte do emissor de laser Figura 3.9. Desenho técnico do encaixe do fototransistor Figura Desenho técnico do suporte do fototransistor Figura Desenho técnico do separador Figura Desenho técnico do Painel de Controle Figura Diagrama em blocos do sistema Figura Processamento de Imagem utilizado no sistema Figura Imagem obtida após o pré-processamento Figura Imagem obtida após a limiarização 8

9 Figura Imagem obtida após a detecção de cantos Figura 4.1. Diagrama de contexto do sistema Figura 4.2. Diagrama de casos de uso Figura 4.3. Diagrama de classes Figura 4.4. Fluxograma do software Figura 4.5: Diagramas de seqüência de Inicio com o objeto Imagem Figura 4.6. Diagramas de seqüência de Inicio com o objeto Captura Figura 4.7. Diagramas de seqüência de ConfVideoSource com o objeto Captura Figura 4.8. Diagramas de seqüência de ConfFormatoDeVideo com o objeto Captura Figura 4.9. Diagramas de seqüência de Form1 com o objeto Captura Figura Diagrama de seqüência dos métodos de EnviarrByte(); Figura Diagrama de seqüência dos métodos de ReceberByte(); Figura Tela inicial do Software Figura Tela de configuração do formato de vídeo Figura Tela de configuração do Vídeo Source Figura Tela de configuração de caixa Figura Diagrama de estados Figura Fluxograma do firmware Figura 5.1. Situações em que o sistema apresentou sucesso Figura 5.2. Valores de sombra e cor para o sistema apresentar sucesso Figura 5.3. Valores comparativos Figura Diagrama esquemático da interface com os displays de 7 segmentos. Figura Diagrama esquemático do circuito do microcontrolador Figura Diagrama esquemático do primeiro circuito de interface dos Motores DC com o microcontrolador Figura Diagrama esquemático do segundo circuito de interface dos Motores DC com o microcontrolador Figura Diagrama esquemático da interface serial. Figura Diagrama esquemático da interface com o sensor e os leds indicativos Figura Layout da placa do microcontrolador. Figura Layout da placa de interface com os displays de 7 segmentos. Figura Layout da placa de interface serial. Figura Layout da primeira placa de interface com os motores DC. Figura Layout da segunda placa de interface com os motores DC. Figura Layout da segunda placa de interface com os leds indicativos e com o sensor. 9

10 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Seleção dos bancos de registradores Tabela 2.2: Disposição dos Registradores de Função Especial na memória. Tabela 2.3: Endereços de Interrupção Tabela 2.4: Registrador IE e seus endereços Tabela 2.5: Registrador IP e seus endereços Tabela 2.6: Registrador TCON e seus endereços Tabela 2.7: Registrador TMOD e seus endereços Tabela 2.8: A outra metade do registrador TCON e seus endereços Tabela 2.9: Registrador SCON Tabela 2.10: Programação dos modos de transmissão serial Tabela 2.11: Seqüência de ativação das bobinas no motor de passo unipolar Tabela 2.12: Seqüência de ativação das bobinas no motor de passo unipolar para se ter o aumento de torque Tabela 2.13: Seqüência de pulsos para o motor de passo bipolar Tabela 2.14: Estrutura de vizinhança de 8 Tabela 4.1: Sinais de interface Tabela 4.2. Lista de componentes da placa do microcontrolador 8051 Tabela 4.3. Lista de componentes da placa de interface serial Tabela 4.4. Lista de componentes das placas de interface 10

11 RESUMO Este documento descreve a construção detalhada de um sistema que separa objetos de acordo com suas dimensões através da sua imagem. O sistema conta com uma esteira pela qual os objetos passarão, uma câmera que irá realizar a captura de imagem e com um software integrado à esteira que tratará a imagem. O hardware do projeto consiste na esteira e na câmera. A esteira possui um microcontrolador que realizará através do seu firmware o controle sobre o motor DC que fará a esteira rodar, sobre o motor que atuará no dispositivo separador, sobre os displays de sete segmentos que contarão o número de caixas que passaram e sobre o fototransistor que detectará o momento em que a imagem deve ser capturada. A câmera será acionada pelo software que fará a interface com a esteira quando o fototransistor detectar a passagem de um objeto e estará conectada diretamente ao computador. A esteira também possuirá um sistema de iluminação simples para melhorar as condições de captura de imagem. Através da comunicação serial a esteira será controlada pelo software, que por sua vez fará a interface com o usuário. Além disso, o software realizará o tratamento da imagem capturada retirando as informações de algumas dimensões do objeto e apresentará os resultados. Para efeitos de validação do projeto serão utilizadas caixas de diversos tamanhos como objetos a serem analisados pelo sistema. 11

12 ABSTRACT This document describes the detailed construction of a system that separates objects in accordance with your dimensions through your image. The system counts on a mat for which the objects will pass, a camera that will go to carry through the capture of image and with a software integrated to the mat that will treat the image. The hardware of the project consists of the mat and the camera. The mat posses a microcontroller that will carry through its firmware the control on the DC engine that will make the mat to twirl, on the engine that will act in the separating device, on displays of seven segments that will count the number of boxes that had passed and on the phototransistor that the moment will detect where the image must be captured. The camera will be set in motion by the software that will make the interface with the mat when the phototransistor to detect the ticket of an object and will be connected directly to the computer. The mat also will possess a simple lighting system to improve the conditions of image capture. Through of the serial communication the mat will be controlled for software, that in turn will make the interface with the user. Moreover, software will carry through the treatment of the captured image removing the information of some dimensions of the object and will present the results. For the purpose of validation of the project boxes of diverse sizes will be used as objects to be analyzed for the system. 12

13 1. INTRODUÇÃO A rapidez nos procedimentos industriais é cada vez mais necessária para uma indústria estar bem colocada no mercado. Para obter essa rapidez as indústrias estão cada vez mais automatizando seus processos. Dessa forma, os sistemas mecânicos, elétricos e computacionais são de grande importância para essa automatização. A automatização dos processos industriais se torna mais eficaz com esses tipos de sistema porque sistemas não sofrem o desgaste físico e mental que um ser humano sofre ao realizar certos processos. Além disso, a capacidade de um sistema pode ir muito além da capacidade de um ser humano. Por exemplo, um sistema computacional pode realizar milhares de cálculos por segundo, coisa que é impossível para um homem. A automatização também pode trazer mais segurança aos processos industriais. Um ser humano após muitas horas de trabalho sofre um desgaste físico e mental de forma que poderia deixar passar algumas falhas em um determinado processo. Tendo isso em vista, automatizar um processo de separação de caixas pode ter muita utilidade numa indústria. Ao invés de se ter uma pessoa realizando esse processo, pode-se ter um sistema eletromecânico separando fisicamente as caixas, controlado por um sistema computacional. Dessa forma, evitam-se erros humanos, se tem um controle maior sobre a situação e um sistema pode estar trabalhando o tempo todo. Esse processo de separação das caixas é muito usado nas indústrias para a estocagem de materiais. A tecnologia usada neste projeto para alcançar esse fim, será a da visão computacional. A visão computacional consiste em fazer com que o computador retire informações de uma imagem. Isso se consegue com algoritmos de processamento de imagens. O interesse por esses algoritmos surgiu com a necessidade da melhoria da informação visual e com a necessidade de realizar a percepção de dados de imagens através das máquinas. Aproveitando que o sistema contará com um processamento de imagens, pode-se também monitorar melhor o sistema, sendo que, se ocorrer alguma 13

14 falha, o indivíduo que estiver controlando o sistema através do software poderá ver o problema através da imagem que estará sendo exibida no computador. O sistema tem como objetivo atender às características citadas anteriormente utilizando-se da tecnologia e ainda, com novas implementações, permitir outras aplicações na indústria. A primeira figura abaixo é uma foto tirada da esteira deste projeto e a segunda figura é um diagrama em blocos do sistema. Figura 1.1. Esteira Fonte: Geisler, 2006 Figura 1.2. Diagrama em blocos do sistema Fonte: Geisler,

15 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Microcontrolador 8051 Os microcontroladores são dispositivos que estão sendo cada vez mais usados em projetos de eletrônica digital. Isso se deve à sua grande compatibilidade de periféricos, a sua relativa facilidade de programação e ao seu baixo custo. As vantagens dos sistemas microcontrolados sobre os sistemas microprocessados, são que os microcontroladores possuem vários elementos internos como contadores, canal de comunicação serial, temporizadores e memórias. Esses elementos, no caso dos sistemas microprocessados, tinham suas funções desempenhadas por chips separadamente. Além do tamanho reduzido, os microcontroladores apresentam uma facilidade maior de programação tendo em vista que seus periféricos são considerados como memória pela CPU interna Características do microcontrolador 8051 Os microcontroladores são sistemas seqüenciais síncronos. Esses sistemas têm por característica executarem uma instrução a cada ciclo de clock ou a cada grupo de ciclos de clock (SILVA JÚNIOR, 1998). O microcontrolador 8051 pertence à família de microcontroladores 8051 e geralmente é utilizado com clock de 12MHz. Esse clock é dividido internamente pelo fator 12, o que significa que cada instrução será executada em 1µs (SILVA JÚNIOR, 1998). Isso também quer dizer que a cada 1µs um ciclo de clock é usado. Existem instruções que levam mais de um ciclo de máquina para serem executadas. Há instruções de 1 ciclo, 2 ciclos e 4 ciclos de máquina. O microcontrolador da família 8051 que será usado é uma versão um pouco diferente do microcontrolador 8051, pois o microcontrolador AT89S8252 não possui a memória ROM interna como os microcontroladores 8051 e sim uma memória flash de 4kbytes interna. 15

16 Em termos de memória o microcontrolador 8051 ainda conta com uma memória RAM interna de 128 bytes expansível para 64 kbytes externos. Essa memória RAM é a memória de dados. O hardware do microcontrolador também conta com quatro portas de I/O, sendo que cada uma possui 8 bits individualmente endereçáveis. Além disso, possui uma estrutura de interrupção com nesting (quando uma interrupção pode interromper uma outra que já está sendo atendida desde que tenha maior prioridade), dois contadores/temporizadores de 16 bits, um oscilador de clock interno (que requer apenas um cristal e mais dois capacitores) e por fim, um canal de comunicação serial full-duplex (SILVA JÚNIOR, 1998) Descrição dos pinos do microcontrolador 8031 A figura 2.1 mostra a pinagem da família de microcon-troladores 8051, nas duas formas de encapsulamento. A primeira forma de encapsulamento é a DIL e a segunda é a QUAD PACK. Figura 2.1. Pinagem nos microcontroladores da família 8051 Fonte: Silva Júnior, 1998 Do pino 1 ao pino 8 temos o port P1, que vai de P1.0 a P1.7. Estes pinos são bidirecionais, podendo ser endereçáveis individualmente ou como porta de 16

17 8 bits. Possuem resistores de pull-up internos, forçando assim nível lógico alto. Cada pino pode acionar até 4 portas TTL-LS. O ppino 9 (RST/VPD) é o pino do reset. Com a aplicação de um nível lógico alto, este pino reseta o sistema por, pelo menos, dois ciclos de máquina, tendo um resistor de pull-down interno permitindo que se use apenas um capacitor externo para obter o reset por power-on. Do pino 10 ao pino 17 temos o port P3, que vai de P3.0 a P3.7. Tem as mesmas características de funcionamento do port P1, tendo também outras funções especiais que estão descritas abaixo: - pino 10 = P3.0 RXD/ Data : entrada de dados serial. - pino 11 = P3.1 TXD/Clock: saída de dados serial. - pino 12 = P3.2 INT0: interrupção externa de número 0, ativo em nível lógico baixo. - pino 13 = P3.3 INT1: interrupção externa de número 1, ativo em nível lógico baixo. - pino 14 = P3.4 T/C0 : entrada externa para o temporizador/contador de eventos. - pino 15 = P3.5 T/C1: entrada externa para o temporizador/ contador de eventos. - pino 16 = P3.6 WR: strobe (sinalizador) de escrita de dados externo. - pino 17 = P3.7 RD : strobe (sinalizador) de leitura de dados externo O pino 18 é o XTAL 2 que é saída do amplificador inversor do oscilador e entrada para o clock interno ou externo. O pino 19 é o XTAL 1 que é a entrada do amplificador inversor do oscilador e deve ser conectado ao terra em caso de clock externo. O pino 20 é o VSS conectado ao terra do circuito. Do pino 21 ao pino 28 temos o port P2, que vai de P2.0 a P2.7 e possui as mesmas características de funcionamento do port P1, sendo estes pinos usados como pinos de endereçamento externo endereçando a parte mais significativa dos 16 bits (A8 a A15). O pino 29 é o PSEN (Program Store Enable) que é a saída para habilitação do programa externo. Também é um sinalizador de leitura da memória de programa externa e quando o microcontrolador busca instruções este pino vai ao nível lógico zero. 17

18 O pino 30 é o ALE (Address Latch Enable) que é uma saída habilitadora do latch de endereços, separando o barramento de dados da parte menos significativa do barramento de endereços que são multiplexados pelo port P0. O pino 31 é o EA (External Enable) que é uma entrada de seleção de memórias. Quando colocado em nível lógico baixo, a CPU executa somente as instruções da memória de programa externa; quando em nível lógico alto, a CPU executa as instruções da memória de programa interna (se existir). Do pino 32 ao pino 39 temos o Port P0 que vai de P0.0 a P0.7. Este é um port de 8 bits bidirecional com dreno aberto. Sem resistores de pull-up internos, funciona como um barramento de dados, e a parte menos significativa do barramento de endereços. No pino 40, encontramos o VCC que é o pino de Alimentação positiva Memória do microcontrolador 8051 O esquema da figura 2.2 representa a arquitetura básica para a utilização de um microcontrolador Figura 2.2. Arquitetura básica do microcontrolador 8051 Fonte: Mohr, 2004 A memória no microcontrolador 8051 está dividida em memória de programa e memória de dados. A memória de programa é uma ROM externa que pode ter até 64 kbytes. A memória de dados é uma RAM interna que também pode ter até 64 kbytes externos. Essa memória RAM está dividida em três blocos, dois de

19 bytes mapeados nos endereços 00H até 7FH e 80H até FFH e mais 20 registradores de funções especiais espelhados pelos endereços de 80H até FFH. Os acessos aos blocos são feitos através dos modos de endereçamento o que distingue dois blocos cujos endereços coincidam (MOHR, 2004). O esquema da Figura 2.3 mostra melhor a disposição dos blocos da memória RAM interna. Figura 2.3. Disposição dos blocos de memória da RAM interna Fonte: Mohr, 2004 A memória RAM do microcontrolador também pode ser estendida externamente. Nesse caso, há endereços coincidentes com toda faixa de endereços da memória de programa e com a faixa de endereços da memória de dados interna. A primeira distinção é feita pelo pino PSEN que habilita a memória correspondente. Esse pino é habilitado quando se realiza a leitura da instrução MOVC, que transfere dados entre a memória de programa e os registradores. Já na segunda distinção, o microcontrolador oferece o uso de duas instruções: a MOV para o acesso da memória interna e a MOVX para o acesso de dados externos (o X vem de external). Nesse caso é necessário o endereçamento indireto. 19

20 Bancos de registradores do microcontrolador 8051 Os bancos de registradores nada mais são do que posições na memória RAM que permitem seu endereçamento pelo nome de cada registro, além de seu endereçamento pela posição da memória. (NICOLOSI, 2001) Utilizar-se de bancos de registradores resulta em algumas vantagens. Estas vantagens estão relacionadas ao seu uso pelo sistema como índice para endereçamento e ao fato de ser mais fácil de lembra seu nome. Uma outra vantagem que pode ser levada em conta é a de que os registradores são amplamente usados pelos compiladores de linguagem de alto nível. Os registradores estão dispostos em 4 bancos de 8 registradores que correspondem aos primeiros 24 bytes da memória RAM interna. Em cada banco os registradores são nomeados como R0, R1, R2, R3... R7 e podem ser endereçados através de seus nomes. Essa nomenclatura é a mesma para todos os bancos de registradores e o que define qual banco vai ser usado, é a configuração do registrador PSW que possui dois bits o RS1 e o RS2 que permite o endereçamento dos 4 bancos de registradores. A figura 2.4 mostra como estão dispostos os bancos de registradores na memória. Figura 2.4. Disposição dos bancos registradores Fonte: Mohr, 2004 A tabela 2.1 descreve a lógica de controle aplicada aos pinos RS1 e RS0 para realizar o controle de qual banco de registradores será selecionado. 20

21 Tabela 2.1. Seleção dos bancos de registradores Fonte: Mohr, 2004 Acima dos bancos de registradores, nos endereços de 20H a 2FH, existe uma região de 16 bits que pode ser endereçada individualmente pelo programador. Para isso são usadas as instruções SETB (set bit), CLR (clear) e CPL (complemento). A diferença é que estes não podem ser acessados pelo nome. (MOHR, 2004) Registradores de funções especiais São como os registradores dos bancos de registradores, podem ser acessados pelo seu nome, porém eles têm uma função já determinada dentro do microcontrolador. Dentre eles estão as posições de acesso aos ports, registradores de interrupção, registradores de porta serial, temporizadores e registradores aritméticos. Podem ser acessados individualmente ou pelo endereço do primeiro bit no caso de registradores situados em endereços múltiplos de 8. Abaixo estará uma breve descrição desses registradores e em seguida uma tabela com seus nomes e endereços. ACC (E0) Acumulador: Apesar de se ter o costume de chamá-lo de ACC, o seu nome para ser acessado no programa é A. Como seu próprio nome já diz, ele é usado para guardar um valor. P0 (80H), P1 (90H), P2 (A0H) e P3 (B0H): Registradores especiais dos ports de comunicação. O port P0 multiplexa endereços/dados no caso em que se utiliza memória externas, como no caso do microcontrolador No P1 ficam os pinos de propósito geral, onde costuma-se acoplar os periféricos. O P2 é o port dedicado exclusivamente ao gerenciamento de endereços quando se usa memória externa. O port P3 possui os pinos compromissáveis com algum periférico ou comunicação externa. 21

22 B (F0): É um registrador usado para se guardar um valor para se realizar uma operação de multiplicar ou dividir (MUL AB e DIV AB), tirando esses casos é usado como um registrador comum. PSW (D0H) Program Status Word: Este registrador indica o status da última operação realizada no acumulador. O PSW.7 corresponde ao flag de carry, o vai um das operações aritméticas. É usado em várias instruções booleanas como operando. O PSW.6 é o flag de carry auxiliar, ou seja, é o vai um dos primeiros 4 bits do acumulador. O PSW.5 é um bit registrador de uso geral, sem função específica. O PSW.4 e o PSW.3 correspondem ao RS1 e ao RS2 citados anteriormente e servem para fazer a seleção do banco de registradores a ser utilizado, conforme a tabela 1. O PSW.2 é um bit de overflow flag que vai para 1 quando, após uma adição ou subtração, acontece um estouro da conta. O PSW.1 é um bit não disponível ao usuário. O PSW.0 é um bit que é setado se a paridade do acumulador for ímpar. IE (A8H - Interrupt Enable) e IP(B8H -Interrupt Priority): Permitem programar as prioridades, o modo e a liberação de interrupções internas e externas. DPTR - DPH e DPL (83H e 82H): Correspondem a dois registradores, que juntos possuem 16 bits, usados como ponteiros em algumas instruções de acesso a memória. SP (81H - Stack Pointer): Registrador 8 bits usado para armazenar o endereço para o topo de uma pilha. As instruções PUSH (insere um elemento na pilha) e POP (remove um elemento da pilha) incrementam e decrementam o SP. PCON (87H Power Control Register): Permite adaptar o chip a uma situação na qual não há processamento, onde se querem manter os conteúdos das memórias internas. TCON (88H Timer Control Register) e TMOD (89H): São os registradores que permitem o controle e modo de operação dos Timers/contadores. SCON (98H Serial Port Control Register) e SBUF (99H Serial Buffer): Permitem respectivamente, programar a porta de comunicação serial e armazenamento do dado recebido ou a ser transmitido. 22

23 TH1 (8DH), TH0 (8CH), TL1 (8BH), TL0 (8AH): contêm os valores de contagem dos timers/counters. Abaixo, na Tabela 2.2, encontra-se a disposição dos registradores de função especial na memória e os endereços dos mesmos. Tabela 2.2. Disposição dos Registradores de Função Especial na memória. Fonte: Nicolosi,

24 Clock e Reset Pode - se definir clock como relógio interno do microprocessador para a execução seqüencial de qualquer atividade interna ou externa à máquina. (NICOLOSI, 2001). Como já foi mencionado o microcontrolador utiliza um clock de 12MHz e o seu circuito é constituído de um cristal e dois capacitores, como pode ser visto na figura abaixo. C3 33p C2 33p X1 11,0592MHz 8031 Xtal 2 Xtal 1 Figura 2.5. Circuito de clock do microcontrolador 8051 O reset consiste em um pino do microcontrolador que deve ter um circuito capaz de deixar o pino RST por dois ciclos de máquina no estado 1 no ligamento do chip. O pino de reset é responsável por forçar os registradores a irem para estados definidos. Além disso, o circuito deve forçar o reset por uma chave. O circuito do RESET está na Figura 2.6. VCC 8031 SW1 C1 10u RST R1 10k Figura 2.6. Circuito de reset do microcontrolador

25 Interrupção A Interrupção consiste em um sinal enviado ao microcontrolador que o leva a suspender as tarefas em execução para atender ao evento que gerou o sinal de interrupção. Após o término do serviço de interrupção o microcontrolador retorna à execução da tarefa que estava executando antes Propriedades da interrupção A interrupção pode ser vetorada ou não vetorada. No caso da não vetorada, o microprocessador tem um endereço fixo de desvio. E no caso da vetorada, o microprocessador permite o envio de um endereço de desvio. O microcontrolador também possui uma propriedade chamada de mascaramento que consiste em permitir ou não, que certo dispositivo interrompa sua tarefa em execução. Pode ser implementada via hardware ou via software. A prioridade é uma propriedade na qual o microcontrolador permite o atendimento de mais de uma interrupção. A prioridade indica qual interrupção será atendida antes. As interrupções de maior prioridade são atendidas antes. Outra propriedade importante é a origem da interrupção. A origem pode ser interna ou externa e ser tratada por dispositivos internos ou externos. E por fim, tem-se a propriedade do tipo de disparo das interrupções externas ao chip. De acordo com a sua programação o microcontrolador permite ser interrompido externamente por nível (0 ou 1), por borda (subida ou descida) ou pela combinação de ambos Interrupções no microcontrolador 8051 O microcontrolador 8031 possui cinco fontes de interrupção: - Interrupção externa /INT0 (B2H): pino físico de interrupção que deve ser ativado via software, juntamente com sua prioridade de atuação. - Interrupção externa /INT1 (B3H): é semelhante ao /INT0. 25

26 - Interrupção gerada pelo TIMER/COUNTER 0: interrupção interna gerada pelo pino TIMER_0. - Interrupção gerada pelo TIMER/COUNTER 1: interrupção interna gerada pelo pino TIMER_1. - Interrupção pela serial: é uma interrupção interna gerada pelo periférico SERIAL. Tabela 2.3. Endereços de Interrupção Fonte: Nicolosi, 2001 O processo de interrupção na família 8051 é não vetorada. Segue abaixo uma ilustração desse processo. Figura 2.7. Ilustração do processo de interrupção não vetorada Fonte: Nicolosi,

27 Figura 2.8. Processo de interrupção da /INT0 Fonte: Nicolosi,

28 Programando as Interrupções no microcontrolador 8051 Para se programar utilizando interrupções, levam-se em conta os dois registradores de interrupção, o IE e o IP. O IE é o responsável por determinar qual tipo de interrupção será usada. O bit EA é um bit que aciona as outras chaves. O ES é habilitado quando há uma interrupção por parte do periférico da serial. O EX0 e o EX1 são usados para as interrupções internas /INT0 e /INT1 respectivamente. Assim como, o ET0 e o ET1 são usados para as interrupções dos TIMERS/COUNTERS 0 e1. Todos esses bits fazem parte do registrador IE, conforme a tabela abaixo: IE EA - - ES ET1 EX1 ET0 EX0 A8H AF - - AC AB AA A9 A8 Tabela 2.4. Registrador IE e seus endereços Fonte: Adaptada de Nicolosi, 2001 Tem-se ainda o IP que é o registrador que define a prioridade das interrupções. O bit PS serve para definir a prioridade da serial. O PT0 e o PT1 servem para definir a prioridade dos TIMERS/COUNTERS 0 e1. O PX0 e o PX1 servem para definir a prioridade das interrupções internas /INT0 e /INT1. Isso sendo que, setar um determinado bit com 1 significa colocar o dispositivo no grupo de alta prioridade e setar com 0 significa colocar o dispositivo no grupo de baixa prioridade. IP PS PT1 PX1 PT0 PX0 B8H BC BB BA B9 B8 Tabela 2.5. Registrador IP e seus endereços Fonte: Adaptada de Nicolosi, 2001 Ainda se pode definir o modo de acionamento das interrupções que pode ser por borda ou pro nível. O registrador TCON possui 4 bits que podem se usados para esse fim. Para acionar as interrupções internas por nível deve-se 28

29 setar em 0 os bits IT1 e/ou IT0. Para acionar por borda deve-se setar com 1. O IE0 e o IE1 servem para verificar se o pino físico realmente disparou a interrupção. A Tabela abaixo mostra os endereços do registrador TCON. TCON IE1 IT1 IE0 IT0 88H B 8A Tabela 2.6. Registrador TCON e seus endereços Fonte: Adaptada de Nicolosi, Timer O microcontrolador 8051 possui dois timers/counters internos programáveis. Um timer é um grupo de flip-flops em arranjo de divisor por 2 acionado pelo mesmo clock do microcontrolador. Esse clock é dividido por 12 antes de entrar nos timers. Para se programar os timers, usam-se dois Registradores de Função especial que são o TMOD e o TCON. Podem-se programar os dois timers em quatro modos de operação: - Modo 0: Contador com capacidade máxima de 13 bits. - Modo 1: Contador com capacidade máxima de 16 bits. - Modo 2: Contador com capacidade máxima de 6 bits e auto-reload. - Modo 3: Contador misto usado em aplicações especiais. Existe um registrador que seleciona o modo de operação dos timers que é o TMOD. Isso é feito pelos bits M1 e M0 de cada timer. A disposição dos bits M0 e M1 no registrador TMOD pode ser vista na seguinte tabela. TMOD GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 89H * * * * * * * * TIMER1 TIMER0 Tabela 2.7. Registrador TMOD e seus endereços Fonte: Adaptada de Nicolosi,

30 O registrador TCON possui uma outra metade relativa aos timers. Nele se tem os bits TR1 e TR0 que ligam uma contagem com 1 ou desligam com 0. Os bits TF1 e TF0 são flags que indicam estouro de contagem (overflow). A outra metade não mencionada do TCON segue na tabela 2.8 TCON TF1 TR1 TF0 TR H 8F 8E 8D 8C Tabela 2.8. A outra metade do registrador TCON e seus endereços Fonte: Adaptada de Nicolosi, Canal Serial O canal de comunicação serial do microcontrolador 8051 possui dois registradores o SCON que realiza o controle da serial e o SBUF que é responsável pela transmissão e recepção (NICOLOSI, 2001). A transmissão serial pode ser síncrona ou assíncrona. A transmissão serial síncrona usa uma saída para envio ou recepção e outra para levar um sinal de sincronismo, para o receptor saber quem é o bit 0 e o bit 1 na transmissão. Além disso, é necessário enviar um byte inicial de geração do sincronismo e um byte no fim da transmissão para indicar que a mesma acabou. O modo assíncrono não depende de sinal de sincronismo, pois cada byte transmitido possui um padrão de transmissão. Todo byte possui um bit de inicio e um de fim. O controle da serial é realizado pelo registrador SCON, que é responsável pelo status e pelo modo de transmissão do periférico serial. SCON SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI 98H 9F 9E 9D 9C 9B 9A Tabela 2.9. Registrador SCON Fonte: Adaptada de Nicolosi,

31 Os bits SM0 e SM1, em parceria, são responsáveis por dizer qual dos quatro modos de trabalho da serial está sendo usado, conforme a tabela abaixo: MODO SM0 SM1 COMUNICAÇÂO TAMANHO BAUD-RATE Síncrona 8 bits f clk / Assíncrona 8 bits Dado por Timer Assíncrona 9 bits f clk /32 ou f clk / Assíncrona 9 bits Dado por Timer 1 Tabela Programação dos modos de transmissão serial Fonte: Adaptada de Nicolosi, 2001 O bit SM2 é usado para multiprocessamento. O bit REN permite iniciar uma recepção. Os bits TB8 e RB8 servem para enviar um nono bit com cada byte. Os bits TI e RI são flags de interrupção para a transmissão e recepção. O registrador PCON também é usado para programar a serial, porém é só o bit de SMOD que é de interesse. Esse bit dobra a divisão de freqüência da SERIAL Motores DC A rotação dos motores elétricos é a base do funcionamento de muitos equipamentos amplamente usados pelo ser humano, como é o caso dos eletrodomésticos, equipamentos de informática, robôs, etc. Os motores DC em especial, são usados quando a alimentação disponível é de corrente contínua. A alimentação desses motores geralmente varia de 3V a 12V, o que permite seu amplo uso em equipamentos digitais como computadores por exemplo e em equipamentos cuja alimentação elétrica se dá por baterias como é o caso dos automóveis, câmeras filmadoras, etc. A figura a seguir mostra um motor DC utilizado em vidros elétricos de automóveis. 31

32 Figura 2.9. Motor DC utilizado em vidro elétrico de automóveis Fonte: Geisler, 2006 O giro do rotor de um motor elétrico é causado por um torque, que é produzido por forças eletromagnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e os do estator. Essas forças podem ser de atração ou de repulsão e elas empurram ou puxam os pólos móveis do rotor. Isso faz o motor girar cada vez mais rápido até que o torque resultante seja zero e consequentemente a velocidade angular se torne constante. Figura Desenho esquemático representando o funcionamento de um motor elétrico Fonte: Ferraz Neto, 2003 Em (a) os pólos magnéticos da bobina são atraídos pelos pólos magnéticos opostos dos ímãs fixos. Depois, como se pode ver em (b), a bobina gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro mas, 32

33 (c) ao chegar nessa posição o sentido da corrente é invertido e (d) agora os pólos que se defrontam se repelem, continuando a impulsionar o rotor Entretanto, por ser movido a pilhas ou baterias, o funcionamento de um motor DC é um pouco mais complexo. Não basta apenas colocar ímãs permanentes fixos e uma bobina, pela qual circule corrente elétrica, de modo que possa girar entre os pólos desses ímãs. Uma corrente contínua, como é a fornecida por pilhas ou baterias, é muito boa para fazer eletroímãs com pólos imutáveis mas, como para o funcionamento do motor é preciso periódicas mudanças de polaridade, algo tem que ser feito para inverter o sentido da corrente nos momentos apropriados Na maioria dos motores elétricos DC, o rotor é um eletroímã que gira entre os pólos de ímãs permanentes estacionários. Para tornar esse eletroímã mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro, que o torna fortemente magnetizado, quando a corrente flui pela bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido de percurso cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos do estator. O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um comutador (FERRAZ NETO, 2003). Figura Ilustração do comutador e das escovas Fonte: Ferraz Neto, 2003 A corrente flui ora num sentido ora no outro, no rotor desse motor CC, graças às escovas de metal (esquerda da ilustração). Essas escovas tocam o comutador do rotor de forma que a corrente inverte seu sentido a cada meia volta do rotor (FERRAZ NETO, 2003). Em sua forma mais simples, um comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas isoladamente no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente elétrica chega por uma das escovas, entra pela placa do comutador, passa pela bobina do 33

34 rotor, 'sai' pela outra placa do comutador e 'retorna' á fonte pela outra escova. Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. A figura a seguir ilustra o processo (FERRAZ NETO, 2003). Figura Funcionamento do comutador Fonte: Ferraz Neto, 2003 Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotação. Mas, o motor CC acima descrito tem seus problemas. Primeiro não há nada que determine qual será o sentido de sua rotação na partida, tanto poderá iniciar girando para a 'esquerda' como para a 'direita'. Segundo, é que por vezes, as escovas podem iniciar tocando ambas as placas ou eventualmente nenhuma; o motor 'não dá partida'! Para que a partida se dê com total confiança e no sentido certo é preciso que as escovas sempre enviem correntes para o rotor e que não ocorra nenhum curto circuito entre as placas devido às escovas (FERRAZ NETO, 2003). Na maioria dos motores CC consegue-se tais exigências colocando-se várias bobinas no rotor, cada uma com seu par de placas no comutador. Conforme o rotor gira, as escovas suprem a corrente para as bobinas, uma de cada vez, uma após a outra. A 'largura' das escovas também deve ser bem planejada (FERRAZ NETO, 2003). O rotor de um motor CC gira com velocidade angular que é proporcional à tensão aplicada em suas bobinas. Tais bobinas têm pequena resistência elétrica e conseqüentemente seriam percorridas por intensas correntes elétricas se o rotor permanecesse em repouso. Todavia, uma vez em 34

35 movimento, as alterações do fluxo magnético sobre tais bobinas, geram uma força contra-eletromotriz extra em energia daquela corrente e baixa as tensões elétricas sobre tais bobinas. O torque resultante se anulará quando essa f.c.e.m. se igualar á tensão elétrica aplicada; a velocidade angular passa a ser constante (FERRAZ NETO, 2003). Em geral, carregando-se o motor, sua rotação não varia acentuadamente, mas, uma maior potência será solicitada da fonte de alimentação. Para alterar a velocidade angular devemos alterar a tensão aplicada ao motor (FERRAZ NETO, 2003). O sentido de rotação do rotor depende das assimetrias do motor e também do sentido da corrente elétrica, invertendo-se o sentido da corrente o motor começará a girar para trás. (FERRAZ NETO, 2003) Fototransistores Todos os transistores são componentes sensíveis à luz. Os fototransistores são os transistores que são projetados para fornecer alguma maneira de se explorar essa característica dos transistores. Um transistor comum apresenta três terminais: base, coletor e emissor. Já um fototransistor pode apresentar somente dois: o coletor e o emissor. Nesse caso a base é que é sensível à luz. O princípio de funcionamento de um fototransistor é bem simples. Quando a base do fototransistor for sensibilizada a luz, o transistor estará em estado de condução. Caso contrário estará no estado de corte. VCC FT R1 470 U1 L14G1/TO D1 LED Figura Circuito básico de utilização do fototransistor Fonte: Adaptado de 35

36 2.4. Processamento digital de imagens O processamento digital de imagens nasceu da necessidade de se realizar a transmissão e impressão de imagens (GONZALES, 2000). Um dos problemas a serem resolvidos é a melhoria da qualidade visual dessas imagens digitais. Processar uma imagem significa aplicar métodos nas imagens visando à melhora de sua qualidade em uma transmissão ou para se retirar alguma informação de uma figura. Uma imagem pode ser representada como uma função bidimensional de intensidade da luz f (x, y), onde x e y são componentes espaciais e f (x, y) o brilho da imagem naquele ponto. Uma imagem digital, conseqüentemente, pode ser representada por uma função f (x, y) discretizada, em coordenadas espaciais e em brilho. Outra forma de representar uma imagem é uma matriz de pixels. (GONZALES, 2000). Figura Forma de representação em eixos de uma figura Fonte: Bastos, 2002 Figura Passos fundamentais em processamento de imagens Fonte: Adaptado de Gonzales,

37 Aquisição de imagens O primeiro passo é a aquisição da imagem, para isso, é necessário um elemento sensor que capture a imagem e um elemento capaz de digitalizar o sinal do sensor. Esse sensor pode ser uma câmera e o sinal pode ser digitalizado por um conversor analógico digital, caso a câmera não realize a conversão. Dentre as categorias de sensores é válido citar os sistemas imageamento de raios X, luz visível e infravermelha. No caso dos raios-x, a imagem é adquirida através da diferença de absorção dos raios X pelo objeto. Nos outros casos, utilizam-se microdensitrômetros, analisadores de imagem, câmeras vidicon e matrizes de estado sólido fotossensíveis. Os microdensitrômetros exigem que a imagem a ser digitalizada esteja na forma de filme negativo ou positivo ou fotografia. As câmeras vidicon e as matrizes de estado sólido fotossensíveis aceitam imagens nessa forma e ainda podem digitalizar imagens naturais de intensidade luminosa suficiente para excitar o detector Armazenamento O armazenamento digital de imagens é dividido em três categorias principais: - Armazenamento por curto tempo: Usada durante o processamento e é provido pela memória computacional. - Armazenamento On-line: Seu acesso é relativamente rápido e ocorre nos discos magnéticos. - Armazenamento em arquivos: Usado quando o armazenamento não requer acessos freqüentes. 37

38 Pré - Processamento O processamento envolve procedimentos algorítmicos e a maioria de suas funções costumam ser implementadas em software. O hardware especializado é usado quando há a necessidade de velocidade. As técnicas de processamento servem para melhorar a qualidade da imagem digitalizada para que se obtenham mais chances de sucesso nas etapas seguintes. O pré-processamento tipicamente envolve técnicas para o realce de contrastes, remoção de ruído e isolamento de regiões cuja textura indique a probabilidade de informação alfanumérica (BASTOS, 2002) Segmentação Segmentar consiste em dividir a imagem em diferentes regiões, que serão posteriormente analisadas por algoritmos especializados em busca de informações ditas de "alto-nível" (ALBUQUERQUE, 2000). Costuma - se usar as técnicas de segmentação para separar duas ou mais áreas em uma imagem digital. Uma situação em que isso é bastante importante é quando se quer separar um objeto do fundo na imagem. Isso resulta em uma imagem binária com apenas 2 tons de cinza, um para o fundo que costuma ser branco e outro para o objeto que costuma ser preto Detecção de bordas Uma borda é o limite entre duas regiões com propriedades relativamente distintas de nível de cinza (GONZALES, 2000). Essa técnica consiste em obter a derivada primeira e a derivada segunda de um ponto da imagem a partir de um operador diferencial. A derivada primeira é usada para detectar a presença de borda e a derivada segunda é usada para determinar em qual parte o pixel está. Conforme a figura 2.15: 38

39 Figura Detecção de bordas por operadores de derivação Fonte: Gonzales, Limiarização A limiarização é uma técnica de segmentação em que há um determinado limiar T que separa o objeto do fundo. Esse limiar é um valor de níveis de cinza. Se o pixel tiver seus níveis de cinza maior que o limiar T ele pertence a um dos grupos, se for menor ou igual pertence a outro. 39

40 Afinamento A técnica de afinamento que costuma ser usada é a de regiões binárias. O método consiste em aplicar sucessivamente de dois passos aos pontos de contorno da região. Um ponto de contorno é um pixel de valor 1 que possua pelo menos 1 vizinho de 8 com valor 0 (GONZALES, 2000). p9 p2 p3 p8 p1 p4 p7 p6 p5 Tabela estrutura de vizinhança de 8 Fonte: Gonzales, 2000 O primeiro passo determina que um ponto deve ser eliminado se: a) 2 = N(p1) = 6; b) S(p1) =1; c) p2*p4*p6 = 0; d) p4*p6*p8 = 0; Onde N(p1) é o numero de vizinhos não nulos de p1. No segundo passo, as condições c e d são alteradas para: c ) p2*p4*p8 = 0; d ) p2*p6*p8 = 0; Dessa forma, para uma iteração tem-se: 1) Aplicação do primeiro passo para marcar os pontos de borda a serem apagados. 2) Eliminação dos pontos marcados. 3) Aplicação do segundo passo para marcar os ponto de borda a serem apagados. 4) Eliminação dos pontos marcados As iterações se repetem até que não se tenham mais pontos que possam ser eliminados, ou seja, quando todas as condições dos dois passos forem violadas em uma só iteração. 40

41 Perseguição de contorno Para se perseguir um contorno basta se saber a direção dos pixels e ir analisando um por um. Se isso for feito contando os pixels que já foram analisados é possível se ter o tamanho de uma linha em pixels. Assim, usandose uma pequena associação de escalas, é possível se ter o tamanho de uma dimensão de um objeto real, a partir da imagem. 41

42 3.ESPECIFICAÇÂO 3.1 Descrição O projeto consiste no desenvolvimento de um sistema que permita separar certos objetos definidos (caixas), distinguindo os através de sua área ou através de suas dimensões. Para tal fim, o projeto possui uma esteira na qual os objetos passam e uma câmera (webcam ou câmera digital) que captura a imagem do objeto. A esteira conta com um controle de velocidade do motor DC que rotaciona a esteira (aumentar ou diminuir a velocidade de rotação da esteira), com um sensor que detecte o momento no qual a imagem pode ser capturada, um sistema de iluminação para ter-se a melhor condição para realizar a captura da imagem, displays de 7 segmentos indicando o numero de objetos que passaram, dois leds sinalizando visualmente o tipo do objeto e um dispositivo que separe os objetos de acordo com o seu tipo (um motor conectado a uma haste que mudará o destino do objeto). Tudo isso pode ser controlado e analisado por um painel de controle em conjunto com um software. Além disso, o software realiza a captura da imagem e após processála apresenta as medidas, a quantidade de objetos verificados, quantidade e porcentagem de objetos de cada tipo. O software conta com uma interface mais simples e amigável o possível e que permite um amplo controle da situação. A câmera fica conectada ao microcomputador e tem sua interface com a esteira através do software e da comunicação serial Hardware Construção da Esteira A construção da esteira foi baseada nos desenhos técnicos seguintes, sendo que a lateral direita segue as mesmas medidas da lateral esquerda. A esteira foi construída utilizando madeira na base e em alguns suportes. 42

43 Figura 3.1. Desenho técnico da esteira Figura 3.2. Desenho técnico da lateral esquerda da esteira Figura 3.3. Desenho técnico das laterais superior e inferior da esteira 43

44 O metalon perfilado foi utilizado na confecção do suporte da câmera e da luminária, que foi construído conforme os dois desenhos técnicos seguintes. Figura 3.4. Desenho técnico do suporte da câmera e da luminária 44

45 Figura 3.5. Desenho técnico do suporte da câmera e da luminária vista de outro lado Chapas de PVC foram usadas para fazer o acabamento da esteira e para construir o separador, o painel de controle, as peças e suportes do emissor de laser e do receptor de luz e ainda, no suporte da câmera e da luminária. As figuras a seguir mostram os desenhos técnicos desses elementos. 45

46 Figura 3.6. Desenho técnico da base de sustentação da câmera no suporte Figura 3.7. Desenho técnico do emissor de laser 46

47 Figura 3.8. Desenho técnico do suporte do emissor de laser Figura 3.9. Desenho técnico do encaixe do fototransistor 47

48 Figura Desenho técnico do suporte do fototransistor Figura Desenho técnico do separador Os eixos foram construídos com tubos de PVC, sendo que o eixo principal foi acoplado ao motor DC de vidro elétrico de automóvel. 48

49 O material sobre qual vão passar os objetos é o courino. Um motor DC de vidro elétrico de automóvel rotaciona a esteira e um motor DC de limpador de pára-brisas rotaciona o dispositivo separador. É no painel de controle localizado na esteira que estão as placas de circuitos elétricos, o sensor, os leds e os displays. A figura seguinte mostra o desenho técnico do painel de controle. Figura Desenho técnico do Painel de Controle Funções do Hardware As principais funções do Hardware são: - Fazer a esteira girar através do motor DC de vidro elétrico de automóvel. - Determinar a hora em que a imagem deve ser capturada através do fototransistor. - Controlar o acionamento do motor DC realizando a separação dos objetos. - Controlar o acionamento dos displays e leds. 49

50 - Realizar a comunicação serial com o computador, através do microcontrolador Componentes do Hardware Os principais componentes utilizados serão descritos abaixo: - Uma webcam com driver para Windows. - Motor DC retirado de um limpador de pára-brisas de automóvel, acoplado em um dos eixos da esteira. - Interface para os dispositivos - Fototransistor L14G1. - Motor DC modelomdn3jl4dsf. - Interface com o fototransistor, o motor DC e os leds - Displays de 7 segmentos e interface - Microcontrolador AT89S8252 da família 8051 e interface de uso - Iluminação feita através de uma luminária construída com leds brancos de alta luminosidade. - Fonte de computador que será responsável pela alimentação (5V e 12V) Firmware As linguagens de programação usadas para desenvolver o fimware, são a linguagem C e a linguagem assembly. O ambiente de desenvolvimento é o Keil da microvision, utilizando o sistema operacional Windows 2000/XP. 50

51 Diagrama em blocos do sistema Figura Diagrama em blocos do sistema Seqüência de Funcionamento Quando o sistema é ligado deve-se colocar a caixa na frente do sensor da esteira que começará a girar. O sensor da esteira (fototransistor) estará esperando que um objeto passe por ele para que ele possa mandar um sinal para o microcontrolador de que a imagem já pode ser capturada. Cada vez que esse sensor for acionado, o contador visualizado nos displays de 7 segmentos será incrementado. Esse sinal do fototransistor é transmitido do microcontrolador para o software, através da comunicação serial, e acionará a captura de imagem pela webcam. Com a imagem capturada, o software trata a imagem e manda uma resposta para o microcontrolador que dirá se o dispositivo separador deve ser acionado ou não. Se o dispositivo for acionado o microcontrolador acenderá um 51

52 led indicando que o objeto vai ser separado. Caso contrário, um outro led será aceso indicando que não foi necessária a separação. O software também pode mudar a velocidade da esteira. Se isso ocorrer, a velocidade irá mudar instantaneamente, pois o firmware vai ler a velocidade da esteira a cada ciclo de programa. Esse processo se repete até que se desligue o sistema Especificação de Software Funções do Software O software tem como principais funções: - Controle da velocidade de rotação da esteira. - Receber o sinal de ativação da captura da imagem. - Acionar a câmera para que ela realize a aquisição da imagem. - Realizar o processamento digital de imagem na foto do objeto. - Acionar o dispositivo separador caso necessário. - Mostrar os resultados da analise da foto Ambiente de desenvolvimento O software foi desenvolvido em linguagem C/C++, no ambiente de desenvolvimento Borland C++Builder 6.0, utilizando o sistema operacional Windows 2000/XP Funcionamento do software O software é o responsável por dizer em qual velocidade a esteira deve rodar. Então, ele deve enviar para o microcontrolador um sinal indicando essa velocidade de acionamento do motor. Com o motor rodando na velocidade indicada, o software espera o sensor ser acionado. Quando isso ocorre, o software ativa a captura da imagem através da câmera. Após a aquisição da imagem ela deve ser processada. Essa parte será melhor explicada separadamente após esse item. 52

53 Depois de processada a imagem, o programa envia um sinal ao microcontrolador dizendo se o dispositivo separador deve ou não ser ativado. Em seguida, apresentará os resultados na tela. Esses resultados são as dimensões do objeto, quantos objetos já foram analisados e a porcentagem de cada tipo de objeto. O usuário terá ainda a opção de salvar os resultados apresentados Processamento digital de imagens Figura Processamento de Imagem utilizado no sistema O primeiro passo para se realizar um processamento de imagem é a aquisição da imagem. Essa aquisição é realizada pela câmera acoplada à esteira. Para se obter uma imagem mais fácil de ser processada, o ambiente não deve possuir mais de uma fonte de luz incidindo na esteira. Essa situação causa sombras escuras demais e reflexos que atrapalham o processamento. O software é o responsável por acionar a câmera no momento da aquisição após os 2 ou 3 segundos que é o tempo levado pela caixa para chegar até a câmera. 53

54 Depois de capturada, a imagem deve passar por um pré-processamento, que irá prepará-la para receber o processamento propriamente dito. Os métodos utilizados serão, o filtro de média móvel e a transformação da imagem RGB24 para tons de cinza. O filtro de média móvel é o responsável por tirar ruídos da imagem. Em processamento de imagens, ruídos são regiões muito pequenas com intensidade de cor muito diferente da dos seus vizinhos. O filtro implementado, percorre toda a matriz de dados de imagem, tirando a média dos do ponto da vez e de seus vizinhos e colocando o valor da média neste ponto. Neste caso foi usada a vizinhança de 2, ou seja, participam da média 2 vizinhos em cada direção, cima, baixo, direita e esquerda, formando uma matriz 5X5 pixels. Essa quantidade foi escolhida para não se apresentar muita intensidade de efeito de borda, o que diminui a precisão das medidas. Também como parte do pré-processamento tem-se um algoritmo para converter uma imagem RGB24 em uma imagem em tons de cinza. Esse algoritmo consiste em percorrer a matriz de dados da imagem tirando a média dos valores de R, G, e B atribuindo a todos estes, o valor da média. A figura seguinte mostra o resultado do pré-processamento. Figura Imagem obtida após o pré-processamento 54

55 Em seguida aplica-se a segmentação. A segmentação é um processo que consiste em separar um objeto do fundo da imagem. O método de segmentação utilizado foi de limiarização que consiste em binarizar os pixels de uma imagem. Na limiarização, é feito um histograma da imagem em tons de cinza, para se poder definir um limiar T. Pixels de intensidade menor que T recebem 0 e os de intensidade maior que T recebem 255. Por esse motivo é que a sombra não pode ser muito escura. Caso a sombra seja muito escura, os pixels correspondentes a ela podem estar abaixo do limiar sendo confundidos com os pixels da caixa. A figura que segue apresenta o resultado desta etapa. Figura Imagem obtida após a limiarização Para se retirar as medidas das caixas, o algoritmo implementado foi um detector de cantos. Um detector de cantos percorre a matriz procurando por cantos nos pixels pretos. Levando-se em conta que um dos cantos possui as coordenadas XY mínimas e que outro possui as coordenadas XY máximas, já se tem dois cantos. Os outros dois possuem as coordenadas (X máximo, Y mínimo) e (X mínimo, Y máximo) respectivamente. Encontrando-se estes pontos basta, aplicar a conhecida fórmula da geometria analítica que calcula a distância entre dois pontos em um plano: D²=(X-Xo)²+(Y-Yo)² E assim têm-se as medidas dos quatro lados de um retângulo, como mostra a figura seguinte. 55

56 Figura Imagem obtida após a detecção de cantos 3.4. Requisitos Mínimos O sistema de Visão Computacional necessita dos seguintes requisitos mínimos de Hardware e Software. Requisitos de Hardware:?? Processador 600 MHZ ou superior;?? 128 MB de memória RAM;?? 20 MB de espaço livre no disco rígido;?? Porta Serial que suporte a velocidade de 9600 bps;?? Porta USB;?? CD-ROM;?? Usar o sistema em ambientes de iluminação semelhante à dos testes realizados apresentados na seção de Resultados deste documento. Requisitos de Software:?? Sistema Operacional Windows 2000/XP;?? Driver de webcam (presente no CD-ROM deste projeto). 56

57 4. PROJETO 4.1. Hardware Sinais de interface Rótulo do Tipo do Lógica de Função Sinal Barramento Operação ME Controle 0/1 Saída do microcontrolador para a placa de interface com os motores para o acionamento do.motor da esteira M1 Controle 0/1 Saída do microcontrolador para a placa de interface com os motores para o acionamento do motor do separador. M2 Controle 0/1 Saída do microcontrolador para a placa de interface com os motores para o acionamento do motor do separador. M Controle 0/1 Saída do microcontrolador para a placa de interface como motor de passo para o acionamento deste. ME Controle 0/1 Saída da placa de interface para o motor da esteira para o acionamento deste. M1 Controle 0/1 Saída da placa de interface para o motor do separador para o acionamento deste. M2 Controle 0/1 Saída da placa de interface para o motor do separador para o acionamento deste. EFT Controle 0/1 Entrada do microcontrolador e saída do circuito do fototransistor que aciona a interrupção 0 indicando que um objeto passou. L1 Controle 0/1 Saída do microcontrolador para a placa de interface que aciona o led 1 de sinalização do tipo do objeto L2 Controle 0/1 Saída do microcontrolador para a placa de interface que 57

58 aciona o led 2 de sinalização do tipo do objeto. AD0 AD3 Dados 0/1 Saídas do barramento de dados do microcontrolador que mostram a contagem no display 1 de 7 segmentos AD3 AD7 0/1 Saídas do barramento de dados do microcontrolador que mostram a contagem no display 2 de 7 segmentos Tabela 4.1. Sinais de interface Lista de componentes Lista de componentes da placa do microcontrolador Microcontrolador AT89S Capacitores de 33pF 3 1 Cristal de clock de 11,059MHZ 4 1 Soquete de 40 pinos 5 Barras de pinos com conexões para 40 pinos 6 1 Push-Button NF 7 1 Capacitor de 10uF 8 1 Resistor de 100Ohms 9 1 Resistor de 8k2 Tabela 4.2. Lista de componentes da placa do microcontrolador Conversor MAX Conector DB9 fêmea 3 4 Capacitores de 10uF 4 1 Soquete de 16 pinos Tabela 4.3. Lista de componentes da placa de interface serial Lista de componentes das placas de interface 1 9 Resistores de 10k 2 2 TIP TIP TIP

59 5 4 transistores BC Resistores de 1k LS Led verde 10 2 Leds vermelhos 11 1 Fotransistor 12 1 Capacitor de 150p LS Resistores de 470 Ohms 15 2 BC Displays de 7 segmentos vermelhos Tabela 4.4. Lista de componentes das placas de interface 4.2. Software Diagrama de Contexto Figura 4.1. Diagrama de contexto do sistema 59

60 Diagrama de casos de uso Figura 4.2. Diagrama de casos de uso Diagrama de classes cimagem ccaptura + novonome: String + capdriver: CAPDRIVERCAPS + capstatus: CAPSTATUS + janela: HWND VFWAPI - TirarFoto(String nome): void - FormatoDeVideo(): void - VideoSource(): void - Preview(): void - Driver(): void cserial + dcb:dcb + handle:handle - Serial(AnsiString,int,int,int,int): void - Enviar(char*,int): void - Receber(int &): unsigned char 1 1 Coleta de dados 1 1 Recepção/envio de dados + *BitmapImage: char + fileptr: File + bitmapfileheader: BFH + bitmapinfoheader: BITMAPINFOHEADER + altura: int + largura: int + altura_caixa: float + largura_caixa: float + area_caixa: float + A1max: float + A1min: float + Alt1max: float + Alt1min: float + Lar1max: float + Lar1max: float - CarregaBMP (String nomebmp): bool - NiveisdeCinza(): void - MediaMovel(int n): void - Binariza(int valor): void - Medidas(): void - Compara(): int 60

61 Figura 4.3. Diagrama de classes Fluxograma Figura 4.4. Fluxograma do software 61

62 Diagramas de seqüência Figura 4.5: Diagramas de seqüência de Inicio com o objeto Imagem Figura 4.6. Diagramas de seqüência de Inicio com o objeto Captura 62

63 Figura 4.7. Diagramas de seqüência de ConfVideoSource com o objeto Captura Figura 4.8. Diagramas de seqüência de ConfFormatoDeVideo com o objeto Captura 63

64 Figura 4.9. Diagramas de seqüência de Form1 com o objeto Captura Figura Diagrama de seqüência dos métodos de EnviarrByte(); Figura Diagrama de seqüência dos métodos de ReceberByte(); 64

65 Interface Figura Tela inicial do Software Figura Tela de configuração do formato de vídeo 65

66 Figura Tela de configuração do Vídeo Source Figura Tela de configuração de caixa 66