FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA ELETRÔNICA : DUAS DÉCADAS BUSCANDO EXCELÊNCIA

Transcrição

1 FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA ELETRÔNICA : DUAS DÉCADAS BUSCANDO EXCELÊNCIA TRABALHO TRIMESTRAL DE FÍSICA CONTADOR DE RPM CLEBER RODRIGO DE MORAES GABRIEL ANTONIO JAEGER NATANIEL SCHLING RAMON FRITSCH Novo Hamburgo, dezembro de 2005.

2 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 3 2 PROJETO: CONTADOR DE RPM RESUMO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Porta de Mouse Mouse e Sensores Foto-Diodo Informações Série/Paralela Porta Paralela Rotações por Minuto (RPM) MATERIAL UTILIZADO DESENVOLVIMENTO Justificativa Problema Hipótese Objetivo Metodologia Cronograma ETAPA EXPERIMENTAL Distribuição dos Componentes Controle do Motor Circuito Inversor Software 20 3 CONCLUSÃO 24 4 REFERÊNCIAS 25

3 3 1 INTRODUÇÃO A disciplina de Física da 3a série do Curso Técnico em Eletrônica da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha, tem como um de seus objetivos a confecção de um trabalho em grupo a cada trimestre. Este trabalho é denominado Trabalho Trimestral de Física. Ao nosso grupo foi designada a proposta de trabalho de desenvolver um sistema que interpreta dados a partir de uma porta de comunicação do computador. A aquisição automática de dados consiste na utilização de aparelhos específicos ou do computador para realizar medidas durante os experimentos. Ela apresenta enormes vantagens quando o experimento exige a realização de muitas medidas em um intervalo de tempo pequeno. Usando um computador pessoal e um recurso simples de eletrônica é possível realizar centenas de medidas por segundo, o que é impossível de ser feito manualmente. Com estes resultados, podemos ter uma melhor análise de alguns conteúdos básicos da Física, como o MRU, MRUV, MCU, entre outros. Sendo assim, ao mesmo tempo estamos verificando a funcionalidade e a capacidade que podemos obter em matéria de registro de dados, através da comunicação do PC com um meio externo. Com isso, relacionamos Eletrônica, Informática e Física, a fim de experimentos que abrangem conteúdos de Física, e

4 4 que poderão auxiliar principalmente alunos de primeiro e segundo ano do Ensino Médio. Entretanto, nosso objetivo consiste em desenvolver um sistema contador de RPM (rotações por minuto) de uma polia, que faça a leitura da porta paralela de um computador.

5 5 2 PROJETO: CONTADOR DE RPM 2.1 RESUMO O projeto consiste basicamente em contar as rotações de um motor elétrico DC, através da Porta Paralela (LPT1) de comunicação do computador. 2.2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A seguir, serão apresentados alguns conceitos e informações pesquisadas pelo grupo, e que foram de extrema importância para a realização do trabalho Porta de Mouse As portas para mouse mais conhecidas são PS/2, serial e USB. Já que no início do projeto apresentamos a utilização desta porta para leitura dos dados, demonstraremos seu principal funcionamento. Abaixo as portas e seus respectivos formatos: Figura 1: porta mouse PS/2.

6 6 Figura 2: porta mouse SERIAL. Figura 3: porta mouse USB Mouse e Sensores O movimento da mão do usuário é transmitido (através de uma esfera emborrachada) a dois eixos perpendiculares. Esses eixos possuem em uma de suas extremidades uma roda com cerca de 50 a 80 aberturas radiais que permitem a passagem de luz. Cada uma dessas rodas fica situada entre um emissor de luz infravermelha e um receptor. O emissor é um LED e o receptor é um foto-diodo de 2 ou 3 pinos. A roda, o LED e o diodo estão destacados nas fotos abaixo (o foto-diodo é a caixinha preta e o LED, a transparente). Figura 4: interior do mouse. Figura 5: interior do mouse.

7 7 Observe que a caixinha do emissor possui na verdade dois LEDs. Não é possível ver, mas tudo indica que o receptor também é composto por dois fotodiodos. Numa dada posição da roda, pode haver as três seguintes situações: os dois sensores recebem luz; um dos sensores recebe luz; nenhum dos sensores recebe luz. À medida que giramos a roda alteramos essas configurações, como sugere a figura abaixo. Figura 6: esquema de movimentação do mouse. A velocidade e a direção dos movimentos estão associadas, então, às mudanças da condição de luz/sombra no conjunto dos dois sensores. A idéia principal desse projeto é utilizar o foto-sensor do mouse, já que sua leitura é controlada pelo computador e possui boa precisão de leitura, por ser um componente utilizado com bastante freqüência e não apresenta falhas constantes Foto-Diodo É um diodo semicondutor em que a junção está exposta à luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa.

8 8 A corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de ma com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material. O foto-diodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, mouses, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade. Figura 7: esquema de utilização do foto-diodo Informações Série/Paralela No mundo dos equipamentos digitais, os bits e bytes precisam ser transmitidos de um lugar para outro, assim existindo diversas formas de transmissão. As mais utilizadas são a série e a paralela. Ao enviar uma informação em série, os bits são enviados um de cada vez, assim sendo necessário o uso de um fio apenas. Para transmitir aquele "V" por exemplo, primeiramente é enviado um 0, ao ser recebido, é enviado um 1, e assim respectivamente até que todos os bits sejam enviados.

9 9 Já na transmissão em paralelo, cada bit possui um fio próprio para ser enviado, sendo necessários diversos fios para o envio das informações. Enviando então o "V", por serem 8 bits, serão necessários 8 fios, e cada um transmitirá um bit. Bit: é a unidade fundamental de armazenamento em sistemas digitais (computadores principalmente). O bit armazena apenas duas informações, uma de cada vez. Sua forma de armazenar informação é a seguinte: 1 ou Hi - Significa que há tensão no fio. Esta tensão varia de 3 a 5 Volts. 0 ou Low - Significa que não há tensão no fio, ou uma tensão próxima a 0 V. Byte: Um byte, equivale a 8 bits. É decorrente disso, que ao se criar um arquivo no computador de 1 byte (1 caractere), ele será gravado em forma de bits - a língua do computador, assim ocupando 8 bits. Apenas a título de exemplo, crie um arquivo contendo uma letra "V", por exemplo. O computador dirá que ele possui 1 byte, e ele estará ocupando este byte em forma de bits conforme segue: " ".

10 Porta Paralela A porta paralela, mais conhecida como LPT, ou LPT1, tem esse nome, pois envia as informações de forma paralela, como já visto acima. Seu principal uso é na conexão de uma impressora a um computador. Apesar da conexão paralela ser a mais usada entre um computador e uma impressora, a conexão serial pode também ser estabelecida desde que tanto a impressora quanto o computador possuam interfaces seriais. Apesar da porta paralela ser na maioria das vezes usada na conexão com a impressora, ela também pode ser utilizada para se conectar outros acessórios à um computador (proteções contra pirataria de programas, drives externos, e outros). Portanto, usaremos a porta de impressora, que podemos facilmente acessar. Suas principais características são: Saída paralela de 1 byte, ou seja, ela possui 8 fios (8 bits) de saída. Entrada paralela de 5 bits (5 fios). - Embora sejam 8 bits, apenas 5 estão disponíveis. Para que possamos controlar tanto a entrada quanto a saída da porta paralela, são necessários dois endereços por onde os bits serão enviados e recebidos. Na maioria dos computadores, o endereço para envio de dados é , e para recepção é Aconselhamos o uso de um programa de diagnósticos, para identificação precisa dos endereços. O mais comum é o Microsoft Diagnostics (MSD.EXE), que acompanha o MS-DOS.

11 11 Basta digitar "msd", no prompt do MS-DOS, esperar alguns minutos até que o sistema seja analisado por completo, e então entrar na opção Portas paralelas ou Parallel ports, para a versão em inglês. Serão mostradas características de cada porta paralela que o computador possui (alguns computadores podem possuir diversas), e os respectivos endereços. Somente o primeiro endereço (envio) será mostrado na tela, portanto o segundo deverá ser calculado. Para tal, basta adicionar 1 em ao endereço da porta paralela, ambos no sistema decimal. Vale lembrar que a maioria dos programas de diagnóstico, inclusive o msd, mostram os endereços em hexadecimal, normalmente indicado com um "H" ao fim do número. Endereços da Porta Paralela: Para enviarmos ou recebermos dados da porta paralela precisamos saber o seu endereço base. Nome da Porta no SO Endereço LPT1 LPT2 378 hexadecimal / 888 decimal 278 hexadecimal / 632 decimal Abaixo encontramos o esquema de Pinagem da porta paralela DB-25.

12 12 Figura 8: pinagem LPT1 DB-25. A pinagem no conector DB25 é dividida em três grupos, são eles: 1. Pinos de Dados (Data Register) 2. Pinos de Controle (Control Register) 3. Pinos de Status (Status Register) Os conectores DB25, tanto macho quando fêmea, são facilmente encontrados a venda em lojas de componentes eletrônicos, porém aconselhamos o uso de um cabo de impressora fora de uso, dessa forma você não precisará se preocupar com soldagem de fios, e verificação de números de terminais, no nosso caso, usamos o método de soldagem. Para enviar dados digitais, basta enviar à porta paralela, o número indicado na tabela, e o respectivo pino receberá a informação. Para receber dados, basta subtrair 127 do numero presente na porta, e você obterá o dado - no caso de ser

13 13 negativo, o sinal deve ser ignorado. Tanto o envio, quanto a recepção, serão abordados a frente. Uma importante consideração a ser feita, é que a porta paralela, não fornece uma corrente elétrica suficiente para o acionamento de cargas, e sim para polarizar circuitos que farão o acionamento de cargas maiores. Portanto, deve-se tomar cuidado para não sobrecarregar a saída do computador ligando-se diretamente motores e dispositivos diversos, que, para isso, necessita de amplificadores ou outra fonte de alimentação Rotações por Minuto (RPM) Como o próprio nome já diz, RPM se tratam de rotações por minuto de um determinado movimento. Como nosso projeto se baseia na elaboração de um contador de RPM, o que faremos na verdade será a contagem do numero de voltas completas realizadas por um determinado meio girante no decorrer de um minuto, e enviar este sinal para a interface do programa. Rotações por minuto são muito utilizadas em automóveis, através do tacômetro existente no carro, onde pode ser visualizada através de um ponteiro. A relação entre período e RPM se dá através de que RPM corresponde a: RPM =( 1/T ) x MATERIAL UTILIZADO - Motor DC; - Foto-diodo;

14 14 - Foto Receptor; - Resistores; - BC 548; - BD 135; - BC 337; - Potenciômetro 4M7; - Computador com Porta Paralela. 2.4 DESENVOLVIMENTO A partir de agora é descrito todo o desenvolvimento do trabalho, relatando as dificuldades encontradas, problemas e conclusões referentes à elaboração do mesmo Justificativa O desenvolvimento desse projeto é muito importante para ampliar os nossos conhecimentos quanto a uma das principais áreas da Eletrônica: Programação. Na Terceira série do Curso Técnico em Eletrônica temos o primeiro contato com a programação, na disciplina de Elementos de Programação, desenvolvendo programas na linguagem C\C++. Nesse projeto visamos o desenvolvimento de um software também na linguagem C/C++ através do uso do compilador Borland C++ Builder 6. Outro aspecto importante no desenvolvimento do projeto, é verificar a funcionalidade e a capacidade que podemos obter em matéria de registro de dados através da comunicação do PC com um meio externo.

15 15 Trabalhando com uma IHM (Interface Homem-Maquina) hoje em dia é muito importante para adquirir experiência e conhecimento para futuros desafios Problema Como interpretar sinais provenientes de um circuito externo e ligado à porta paralela do computador e desenvolver um sistema contador de RPM? Hipótese Em um computador de uso doméstico, faremos um software na linguagem de programação C/C++, que interprete dados de um componente eletrônico acoplado na porta paralela de comunicação do computador (LPT1). Através de uma dll (Extensão de Aplicativo), conseguimos a função de leitura da porta de jogos. A leitura dessa porta através da dll nos informa um valor de 0 a 255 (ascii), ou um valor binário de 8 bits, então temos que resgatar os bits utilizados e fazer os cálculos necessários no programa Objetivo O objetivo principal do Terceiro Trabalho Trimestral do ano de 2005 é desenvolver um contador de RPM via Porta Paralela.

16 Metodologia Etapas do trabalho: - Pesquisa didática sobre Porta Paralela e interpretação; - Montagem do circuito eletrônico. - Desenvolvimento do Software Cronograma Atividade Setembro Outubro Novembro Dezembro Pesquisas e coleta de dados Estudo sobre linguagem C++ Projeto Diagrama de blocos Programação Testes Otimização Apresentação Relatório Caderno de Campo 2.5 ETAPA EXPERIMENTAL De maneira objetiva, o experimento foi organizado para seja de origem clara para os componentes do grupo de pesquisa, bem como relativos ao leitor.

17 Distribuição dos Componentes Abaixo encontramos uma ilustração que demonstra a distribuição dos componentes do experimento: Figura 9: distribuição dos componentes. Conforme descrito na imagem, o fio vermelho é a alimentação do motor, que é controlada através de um potenciômetro através de um circuito amplificador. São ligados 5v no diodo e no foto receptor, e na saída do foto diodo é ligado o circuito do sensor.

18 Controle do Motor A fim de variar a rotação do motor de teste para desenvolvermos o software de cálculo da RPM do mesmo, projetamos um circuito capaz de variar a velocidade de rotação do motor através de um potenciômetro, variando a corrente incidente sobre ele. Observando o circuito a seguir, notamos uma configuração de transistor em darlington com a intenção de controlar uma grande corrente a partir de uma corrente de menor valor. O cálculo do resistor Rb2 foi feito com a situação de corte dos dois transistores e com um potenciômetro com o valor de 4M7 ohms no lugar de Rb1, fazendo assim, um divisor de tensão na base. Figura 10: Circuito de controle do motor DC.

19 19 Considerando um Potenciômetro de 4M7 ohms em Rb1, o cálculo de Rb2 é expresso pela equação: Rb1 = Vbe1 + Vbe2 Icmin β1xβ2 Com isto, o valor encontrado foi próximo de 150k ohms. O controle da velocidade do motor resultou em um comando exponencial por conseqüência da curva de resposta do transistor e também pela variação de Vbe (tensão entre base e emissor do transistor) em relação a corrente de coletor (Ic) Circuito Inversor Pelo fato da porta paralela ser sensível a sinal 0 (borda de descida), ou seja, o estado do bit em questão só é modificado se colocarmos o pino correspondente no terra do circuito (correspondente a 0V). O sinal do sensor (conjunto emissor e receptor) envia um valor de 1 binário para o circuito. Com relação a esta contradição de sinal, necessitamos a criação de um circuito inversor binário, ou seja, ao entrar 5 Volts (1 binário) no circuito, a saída deverá ser o contrario deste sinal, 0V (0 binário). As duas figuras a seguir, demonstram o circuito em funcionamento, com a saída do sinal na parte de cima de Re.

20 20 Figura 11: Entrada = 5V(1), Saída = 0V(0). Figura 12: Entrada = 0V(0), Saída 5V(1) Software O software foi programado utilizando o compilador C++ Builder. Este foi o maior motivo que nos guiou para o uso da porta paralela ao invés do mouse. Analisando a interface do programa na figura 13, notamos que existe um tacômetro como principal componente do mesmo. Ele consiste em uma figura que representa um relógio medidor de RPM analógico. Utilizamos ele para dar um

21 21 aspecto mais profissional ao visual do software. Os dois valores de RPM desenhados logo abaixo do tacômetro acusam respectivamente o valor suavizado das rotações e o valor real das mesmas. Figura 13: Interface final do programa. Na parte esquerda do programa, é demonstrado o valor em decimal e binário da porta selecionada no Box Fonte do Sensor. O botão cinza acende(vermelho) quando o valor do bit em questão é modificado para 0, demonstrando assim, o envio do sinal para o programa. Um box de dados foi criado para uma melhor percepção das variáveis analisadas para o cálculo final das rotações por minuto. O campo amostras acusa quantas vezes o programa analisou a porta no intervalo de dois pulsos do sensor. Quando este valor se aproxima(ou se iguala) a zero, demonstra que o programa está medindo um valor equivocado, já que pode perder algumas medidas do sensor. Afim de não perder valores de pulsos, limitamos o valor máximo de RPM

22 22 demonstrado para 2000, porque quando aproximamos as RPMs deste valor, o programa já começa a medir equivocadamente as rotações por minuto porque a rotina de verificação do estado da porta não pode ter o intervalo de tempo menor do que 1mS. A constante variação de medidas de RPM no programa nos levou a criar um tipo de suavização para o ponteiro, a fim de fazer as médias das medidas em tempo real e mantendo o mais estável possível no Tacômetro. Quando a suavização se encontra em valor máximo, o ponteiro tem um grande retardo para modificar seu valor, ou seja, se estamos em 1000 RPM e desligarmos o motor, o ponteiro levará certo tempo para chegar no zero graças a sua suavização. Com isto, existe a opção Auto na box Opções para que a suavização se ajuste de acordo com a variação das RPMs calculadas pelo programa. Computadores de velocidades menores do que 1GHz podem ter problemas em atualizar a imagem do Tacômetro em períodos tão curtos como 1mS. Realizamos então a possibilidade de ajustar esta taxa de atualização da imagem no box Opções. Igualmente aos programas profissionais para o windows, este também possui uma tela informando ao usuário algumas informações sobre o software, a versão, os autores e o contexto do trabalho, são exibidas na janela Sobre, e se encontra no menu Arquivo>Sobre. Esta janela é mais conhecida como About entre os programadores.

23 23 Figura 14: Informações sobre o software.

24 24 3 CONCLUSÃO Concluímos primeiramente, que este trabalho foi de suma importância para todos integrantes do grupo. A utilização de recursos através da Eletrônica, juntamente com a Física, vem por abranger uma área de bastante relevância e que nos trouxe inúmeros conhecimentos. A aquisição de dados via computador vem auxiliado o estudo de fenômenos até então não desbravados. Assim, vimos que com a realização deste trabalho podemos ter uma maior precisão em medidas, além de auxiliar no aprendizado de algumas matérias, como MRU, MRUV, MCU, etc. Por fim, ficamos muito gratificados por saber que obtivemos sucesso com o funcionamento do projeto, e que adquirimos conhecimento em áreas até então desconhecidas por alguns integrantes do grupo.

25 25 4 REFERÊNCIAS exemplos de softwares - acessado em 28/09/ TelEduc ensino à distância Curso Física Mütza Orientações sobre o Trabalho Trimestral informações úteis sobre diversos sensores. acessado em 08/10/ porta de jogos - acessado em 23/09/ Site do professor Luiz André, Trabalhos Trimestrais/Modelos acessado em 17/10/ funcionamento do mouse, acessado em 02/10/ portas do mouse, acessado em 15/10/ Rafael Vidal Aroca. Porta Paralela, acessado em 08/12/2005.

26 Eric Cavalcanti. Pinagem da Porta da Paralela, acessado em 08/12/2005.