ALLAN PATRICK ENGEL GUILHERME CAVALOTTI CARVALHO PROPOSTA DO PROJETO INTEGRADO

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1 ALLAN PATRICK ENGEL GUILHERME CAVALOTTI CARVALHO PROPOSTA DO PROJETO INTEGRADO Trabalho de graduação apresentado às disciplinas de Arquitetura de Computadores e Teoria da Comunicação III do Curso de Engenharia Elétrica Telecomunicações da Pontifícia Universidade Católica do Paraná. Orientadores: Prof. Dr. Altair Olivo Santin Prof. Dr. Eduardo Marcelo Pellenz. CURITIBA 2005

2 SUMÁRIO 1. Introdução Contextualização Do Projeto Detalhamento Da Proposta Hardware Mecânico Hardware Eletrônico Software Detalhamento Dos Blocos Trabalhos Relacionados Cronograma Material Utilizado Diversos Interface De Potência Placa Interface Kit8051/Potência Placa H-Bridge Placa KIT Infra-Estrutura Referências...14 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Diagrama de Blocos do Sistema a ser implementado....6 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Cronograma de atividades proposto....9 Tabela 2 Componentes Diversos utilizados no Projetos Tabela 3 Lista de Componentes Utilizados na Interface de Potência...10 Tabela 4 Lista de Componentes Utilizados na Placa Interface Kit8051/Potência Tabela 5 Lista de Componentes Utilizados na Placa H-Bridge...11 Tabela 6 Lista de Componentes do KIT i

3 1. INTRODUÇÃO O presente documento tem por objetivo, descrever a proposta do Projeto Integrado realizado em conjunto com os programas de aprendizagem de Arquitetura dos Computadores e Teoria da Comunicação III do Curso de Engenharia Elétrica Telecomunicações da Pontifícia Universidade Católica do Paraná. A proposta apresentada a seguir tem como função formalizar o projeto e descrever todos os processos envolvidos, assim como detectar possíveis erros e ou receber sugestões dos orientadores para que o mesmo possa ser concluído com sucesso, e em tempo hábil para ser apresentando na 7ª Feira de Cursos da PUC-PR que ocorrerá no mês de Outubro de

4 2. CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROJETO Na indústria moderna observa-se uma grande quantidade de sistemas que utilizam no seu projeto a interconexão entre eletrônica e mecânica, a fim de realizar posicionamento de precisão para a execução de tarefas definidas, como robôs montadores, posicionamento de antenas, máquinas de comando numérico, entre outros. Não somente no ambiente industrial o posicionamento de precisão está presente sendo encontrado também dentro dos leitores de CD/DVD, máquinas fotográficas, filmadoras e nos carros modernos até no acompanhamento da trajetória das curvas pelos faróis. Partindo dessa necessidade, o projeto proposto é um sistema de posicionamento de precisão com dois graus de liberdades (azimute e elevação), onde o usuário pode controlar o posicionamento através de um software específico, executado em plataforma Windows, que envia os comandos de controle através de um protocolo de comunicação via canal serial, interpretados por um microcontrolador, e que tem a função de executar o posicionamento. Para fins demonstrativos e de fácil compreensão será utilizado como dispositivo a ser posicionado uma câmera de vídeo, onde o foco ou zoom da mesma também será controlado. A interface com o usuário conterá a imagem com a qual a câmera foi posicionada (azimute e elevação), juntamente com os controles de posicionamento, onde o usuário poderá atuar de forma a posicionar a câmera na posição desejada e também efetuar o controle sobre o foco ou zoom. Este controle de posicionamento tem como proposta ser flexível para poder ser adaptado em diversas aplicações, como por exemplo: Posicionamento de Antenas, a fim de se obter o maior ganho do sinal recebido; Posicionamento de Corte a laser para a indústria metalúrgica; 2

5 Monitoramento de variáveis Climáticas, como a medição da luminosidade solar em determinada região seguindo a trajetória solar; Monitoramento por inspeção visual, envolvendo desde a área de vigilância eletrônica até o processamento de imagem para controle de qualidade em setores de produção de uma empresa. Especificamente, no programa de aprendizagem de Arquitetura de Computadores, que é uma continuação de Microprocessadores, serão utilizados os conhecimentos referentes à programação em microcontroladores da família 8051, utilizando a Linguagem C, além da utilização do computador pessoal (baseado na família 80x86) para o desenvolvimento da interface com o usuário. Do programa de aprendizagem de Teoria das Comunicações III, será utilizado o conhecimento de transmissão digital em banda base, que engloba os conceitos de transmissão serial, padrões de interfaces seriais e códigos de linha, além do conceito do protocolo de comunicação, que será desenvolvido para o sistema. Outro tópico relacionado com este programa de aprendizagem é a modulação por largura de pulsos ou PWM, utilizada no controle do motor de corrente contínua. Além dos programas de aprendizagem citados acima, estão inseridos os conhecimentos de circuitos elétricos, eletrônica, algoritmos e mecânica, compondo assim um projeto que envolve diversas áreas de conhecimento dentro da engenharia elétrica. 3

6 3. DETALHAMENTO DA PROPOSTA O sistema de posicionamento proposto pode ser divido em três partes: Hardware Mecânico; Hardware Eletrônico; Software Hardware Mecânico O sistema mecânico será composto basicamente por: Três eixos sem fim: Dois para o conjunto azimute e elevação e um para o sistema de foco/zoom; Quatro Engrenagens: Duas para o conjunto azimute e elevação e duas para o controle de foco/zoom; Suportes: Suporte para o motor de elevação, para a câmera e suporte para o conjunto foco/zoom Hardware Eletrônico O sistema eletrônico será composto basicamente por: Kit 8051 com interface RS232 desenvolvido pelo Laboratório de Engenharia Elétrica Telecomunicações da PUC-PR, utilizando o microcontrolador AT89S52; Câmera WEBCAM GENIUS modelo NB-100 USB com ajuste de foco; Microcomputador Pessoal (AMD/Pentium 550 Mhz +, 256 Mb Ram); Dois Motores de passo (azimute e elevação); Um motor de corrente contínua (foco); Placa de Interface de Potência; Placa de Interface entre o kit 8051 e a Interface de Potência; 4

7 Placa de Controle Motor CC (H-Bridge); Cabos; Fonte de Alimentação Software O Software do microcontrolador será escrito em linguagem C para a família 8051, utilizando o IDE µvision da KEIL SOFTWARE. No software do microcontrolador estarão embutidas as funções de interpretação do protocolo, controle dos motores de passo, um para azimute e outro para elevação, função para geração de sinal PWM para controle do motor CC (responsável pelo ajuste de foco da câmera) e monitoração da posição da câmera através de opto-switches. O software que fará a interface com o usuário e será responsável pela envio de comandos ao microcontrolador, será desenvolvido em plataforma Windows utilizando o Microsoft Visual Basic 6. Nessa interface além do usuário ter o controle sobre os três motores do sistema o mesmo poderá observar a imagem capturada pela câmera em tempo real. O projeto está representado no diagrama de blocos (Figura 1), onde podem ser visualizadas as interconexões das partes que o compõe Detalhamento dos Blocos O Computador utilizado para enviar os comandos do usuário para o sistema de posicionamento constitui-se de um PC, equipado com sistema operacional Windows 98, com entrada USB para ligação da WebCam e uma porta serial padrão, por onde trafegarão os comandos entre a interface de comando e o microcontrolador. O microcontrolador utilizado será o Atmel 89S52, inserido dentro de um kit de desenvolvimento cujo projeto foi fornecido e elaborado pelo Laboratório de Engenharia Elétrica da PUC-PR. Esse kit possui conexões de entrada e saída de propósito geral, gravação com chip no circuito e conversor TTL-RS232 (com o auxílio do integrado MAX232). 5

8 Figura 1 Diagrama de Blocos do Sistema a ser implementado. Entre a etapa de potência e o microcontrolador, existe uma interface intermediária, cuja função principal é aumentar a capacidade de fornecimento de corrente dos pinos do microcontrolador. As funções secundárias dessa placa são a de implementar o circuito para o funcionamento dos opto-switches, conector USB para ligação da câmera, ligação do display de cristal líquido (LCD) e pushbottons para uso geral. Essa interface intermediária poderia ser implementada juntamente com a etapa de potência, porém, visando reduzir a complexidade do roteamento da placa assim como sua confecção artesanal, torna-se necessário o desmembramento das duas etapas. 6

9 A interface de potência principal é responsável por fornecer a energia necessária para o funcionamento dos motores de passo. As suas entradas possuem optoacopladores, que visam proteger opticamente a etapa anterior e o microprocessador de algum possível surto de tensão proveniente dos dois motores de passo. Ela apresentará leds indicativos para informar quais enrolamentos do motor estarão energizados. A interface de potência secundária, formada por um circuito denominado H- Bridge, é responsável por fazer a interface entre o motor de corrente contínua e o microcontrolador. O microcontrolador fornece o sinal PWM que irá controlar a velocidade do motor. Esse sinal pode ser aplicado em umas das duas entradas da ponte, que fará o motor girar em um sentido ou em outro. Uma terceira entrada é utilizada para freiar o motor, colocando o nível lógico em 0. Tanto os motores de passo como o motor de corrente contínua são aproveitamentos de sucatas de informática, retirados de drivers de disquetes antigos. O protocolo de dados que trafegará no link de comunicações ainda não está definido, porém sua descrição detalhada constará no relatório final do projeto, assim como todos os diagramas esquemáticos dos circuitos utilizados. 7

10 4. TRABALHOS RELACIONADOS O Projeto de controle proposto baseia-se na dissertação de Mestrado : Um controlador de múltiplos motores de passo por nível de corrente, de Carlos Raimundo Erig Lima [1]. Esta tese de Mestrado foi responsável pela idéia inicial deste projeto, sendo útil tanto no fornecimento de idéias quanto como fonte de consulta sobre eventuais dúvidas de implementação, características técnicas e de funcionamento dos motores de passo, elaboração de protocolo de comunicação e controle eficiente de velocidade, torque e aceleração de motores de passo. Para apresentar uma aplicação mais prática do sistema de posicionamento, a idéia de elaborar um sistema de controle de motores de passo para controlar a posição de uma câmera foi retirado do website de Ian Harries [2], que elaborou um sistema semelhante utilizando peças do brinquedo LEGO específica para montagens robóticas, porém a implementação do sistema mecânico que irá ser utilizado foi totalmente projetado. A captura de vídeo utilizando Visual Basic irá ser realizada utilizando a biblioteca de funções desenvolvida por E J. Bantz [3], disponibilizado gratuitamente pelo autor em seu website. 8

11 5. CRONOGRAMA 1). Abaixo segue um cronograma das atividades a serem desenvolvidas (Tabela Elaboração da Proposta do Projeto Tabela 1 Cronograma de atividades proposto. Atividade Data de Início Data de Entrega Responsável Observações Allan P. Engel/ 22/08/05 02/09/05 Guilherme C. Caravalho Ajuste de Hardware Desenvolvido Desenvolvimento da parte mecânica do controle do Foco Desenvolvimento de Hardware da Placa h-bridge e teste. Desenvolvimento da função de geração de Sinal PWM Desenvolvimento do Protocolo de Comunicação e Controle dos Motores de Passo União das etapas anteriores (PWM funcionado com o protocolo) Elaboração da Interface com o Usuário (Visual Basic) 22/08/05 26/08/05 Guilherme C.Carvalho 22/08/05 26/08/05 Allan P. Engel 29/08/05 02/09/05 05/09/05 11/09/05 Guilherme C. Carvalho Guilherme C. Carvalho 05/09/05 11/09/05 Allan P. Engel 12/09/05 19/09/05 22/09/05 31/09/05 Ajuste e Testes Finais e possíveis 01/10/05 10/10/05 aprimoramentos 1 Allan P. Engel/ Guilherme C. Caravalho Allan P. Engel/ Guilherme C. Caravalho Allan P. Engel/ Guilherme C. Caravalho Ajuste de defeitos e troca de componentes nas placas já desenvolvidas Ajuste de engrenagem e melhoramento do posicionamento do foco Compra de Componentes, confecção e teste da placa Desenvolvimento da função para geração de PWM utilizando a ling. C. Definição do protocolo e implementação. Teste dos controles do motor de passo e PWM utilizando o Hyper terminal. Ajuste de Falhas. Elaboração da Interface, captura de vídeo e funções para acessar a porta serial pelo VB. Ajustes e Testes Gerais em software. 1 Os aprimoramentos que podem vir a ser implantados são: Utilização de um display LCD para verificar as informações provenientes enviadas através do protocolo e detecção de imagem através do Visual Basic. 9

12 6. MATERIAL UTILIZADO Nas tabelas abaixo, segue a listagem do material a ser utilizado no projeto Diversos Tabela 2 Componentes Diversos utilizados no Projetos. Componente Valor/Modelo Quantidade Preço Unitário (R$) Total (R$) Câmera Genius USB 1 80,00 Doação LCD 1 x ,00 42,00 Sistema Mecânico - 1 R$ 1000,00 Doação Total 42, Interface de Potência Tabela 3 Lista de Componentes Utilizados na Interface de Potência. Componente Valor/Modelo Quantidade Preço Unitário (R$) Total (R$) Barra de Pinos - 4 0,50 2,00 Bornes - 2 1,00 2,00 Cabo Flat 0,5 m 1 2,00 2,00 Conector DB25 PCI/90º 1 1,00 1,00 Conector DB25 FLAT 1 4,50 4,50 Conector Modu - 2 0,20 0,40 Conector RCA Jack - 2 1,25 2,50 Diodo 1N ,25 2,00 LED - 8 0,10 0,80 Motor de Passo Unipolar 2 10,00 20,00 Optoacoplador 4N25 8 0,54 4,32 Placa Fenolite 15x15 1 3,50 3,50 Regulador de Tensão ,70 1,40 Resistor 1 kω 8 0,10 0,80 Resistor 4,7 kω 8 0,10 0,80 Resistor 390 Ω 8 0,10 0,80 Resistor 47 kω 8 0,10 0,80 Soquete DIP 8 8 0,40 3,20 Transistor TIP ,20 9,60 Total 62,42 10

13 6.3. Placa Interface Kit8051/Potência Tabela 4 Lista de Componentes Utilizados na Placa Interface Kit8051/Potência. Componente Valor/Modelo Quantidade Preço Unitário (R$) Total (R$) Barra de Pinos - 2 0,50 1,00 Borne KR 1 0,45 0,45 Buffer Octal 3-State 74LS ,00 1,00 Cabo USB Macho/Macho 1 10,00 10,00 Conector DB25 Fêmea/PCI 1 1,00 1,00 Conector USB Tipo A/ 90º- 1 4,00 4,00 Hex Inverter 74LS14 1 0,65 0,65 LED Verde/Vermelho 2 0,10 0,20 Placa Fenolite 10 x ,00 2,00 Regulador de Tensão ,70 0,70 Resistor 4,7 kω 2 0,10 0,20 Resistor 1 kω 1 0,10 0,10 Resistor 390 Ω 2 0,10 0,20 Resistor 680 Ω 2 0,10 0,20 Resistor 10 kω 3 0,10 0,30 Resistor 68 kω 2 0,10 0,20 Resistor 180 Ω 1 0,10 0,10 Soquete 14 pinos 2 0,73 1,46 Tact Switch NA 2 0,20 0,40 Transistor NPN BC ,10 0,30 Trimpot 1 kω 1 0,60 0,60 Total 25, Placa H-Bridge Tabela 5 Lista de Componentes Utilizados na Placa H-Bridge. Componente Valor/tipo Quantidade Preço Unitário (R$) Preço (R$) Transistor TIP ,20 2,40 Transistor TIP ,20 2,40 Transistor PN ,20 0,80 Resistor 470 Ω 2 0,10 0,20 Resistor 47 Ω 2 0,10 0,20 Resistor 3,3 kω 2 0,10 0,20 Resistor 10 Ω 2 0,10 0,20 Capacitor 470 µf 1 0,15 0,15 Placa Fenolite 5 x 5 1 1,00 1,00 Total R$ 7,55 11

14 6.5. Placa KIT 8051 Tabela 6 Lista de Componentes do KIT8051. Componente Valor/tipo Quantidade Preço Unitário (R$) Preço (R$) AT89S52-1 8,58 8,58 Cabo Serial DB9 + capa + cabo 1 3,00 3,00 Capacitor 470 F/35V 1 0,15 0,15 Capacitor 22 pf 2 0,15 0,30 Capacitor 100 nf 2 0,15 0,30 Capacitor 10 µf/63v 6 0,15 0,90 Chave H 3 0,25 0,75 Conector DB9 fêmea PCI 1 1,20 1,20 Conector DB9 macho PCI 1 1,20 1,20 Conector Mini Modu 1 0,50 0,50 Conector RCA Jack - 1 1,25 1,25 Cristal 11,0592 MHz 1 1,00 1,00 Diodo 1N ,15 0,15 Led - 3 0,15 0,45 MAX ,00 6,00 Placa Fenolite 10x15 1 3,00 3,00 Regulador ,50 0,50 Resistor ,10 0,20 Resistor 4,7 1 0,10 0,10 Resistor 47 k 1 0,10 0,10 Resistor 1 k 1 0,10 0,10 Soquete 40 Pinos 1 2,03 2,03 Soquete 8 pino 1 0,40 0,40 Tact Switch NA 1 0,25 0,25 Transistor BC ,25 0,25 Total R$ 32,36 12

15 7. INFRA-ESTRUTURA Abaixo, segue a lista de itens que necessitam ser fornecidos pela PUC-PR para a realização do projeto assim como sua apresentação na feira de cursos. 1. Computador Pessoal: Computador com configuração mínima: Pentium III 700 MHz, 256 MB RAM, HD 10 GB, Windows 98, com mouse, teclado, monitor colorido, porta serial e USB. 2. Osciloscópio digital com dois canais para verificação, teste e medição dos sinais digitais. 3. Placa do novo circuito impresso do Kit 8051, de preferência montado, a fim de ser divulgado na feira de cursos. 4. Prensa térmica para confecção dos circuitos impressos descritos. 13

16 8. REFERÊNCIAS [1] LIMA, Carlos Raimundo Erig. Um controlador de múltiplos motores de passo por nível de corrente fl. [2] HARRIES, Ian. A Pan-and-Tilt Mount for a Camera. Web Site: [3] BANTZ, Ej. Getting Started with Video for Windows and Visual Basic Web Site: [4] BOB, Blick. H-BRIDGE. Web Site: [5] NICOLOSI, Denys Emílio Campion. Microcontrolador 8051 detalhado. São Paulo: Érica, [10] p. [6] AXELSON, Jan; EBRARY, Inc. Serial port complete programming and circuits for RS-232 and RS-485 links and networks. Madison, WI: Lakeview Research, c p. [7] CORNELL, Gary. Visual Basic 5: completo e total. São Paulo: Makron Books, p. 14