Velocímetro Digital para Bicicletas

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1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Departamento de Engenharia Elétrica Velocímetro Digital para Bicicletas Gildenir Soares Batista da Silva Instrumentação Eletrônica, Luciano Fontes Cavalcanti Natal-RN, novembro de 2009

2 2 Sumário 1. ASPECTOS GERAIS Introdução (Definição) Estudo Físico Planejamento Estratégico MODELAGEM DO TEMPORIZADOR PROJETO DO CONTADOR (0 até 59) ESQUEMA DE MONTAGEM DO VD IMPLEMENTAÇÃO DO VD CONCLUSÃO REFERÊNCIAS...20 ANEXO - LISTA DE MATERIAL...21

3 3 1. ASPECTOS GERAIS 1.1 Introdução (Definição) Este trabalho tem por objetivo elaborar o projeto e realizar a montagem de um Velocímetro Digital que possa medir velocidades de até 59 km/h para uma bicicleta comum. Os pulsos digitais serão gerados pela passagem de um imã permanente em um sensor magnético, designado por Reed-Switch, que será acoplado ao garfo da bicicleta, conforme veremos em detalhes mais adiante. Entenda a designação VD, citado no texto, como sendo Velocímetro Digital. 1.2 Estudo Físico Inicialmente foi feito um estudo do ponto de vista físico, isto é, como modelar o cálculo da velocidade de uma bicicleta e do seu movimento linear a partir da informação disponível da roda, associando seu comprimento com a quantidade de pulsos gerados pela passagem do imã nas proximidades do sensor em um determinado período de tempo. Fig Roda dianteira de uma bicicleta. De posse do valor do diâmetro d da roda, que é de 0,64m e da equação do comprimento da circunferência,, foi possível calcular o seu comprimento.

4 4 0,64 2 De forma a facilitar o projeto, ao invés usarmos apenas um imã fixado na roda da bicicleta, que é o mais comum nos projetos desse tipo, foram adotados dois imãs, pois sendo assim, teremos a relação de 1 pulso para cada metro percorrido (razão de 1:1), evitando assim eventuais cálculos, o que implicaria no aumenta do número de componentes envolvidos no projeto. Observe no esquema da Fig que os imãs foram fixados em posições eqüidistantes em relação ao eixo da roda, justamente para se ter dois semicírculos de comprimentos iguais, cada um com 1m. Fig Posição dos imãs e do sensor na roda dianteira da bicicleta. Então, ficou assim: 1pulso digital 1metro percorrido pela bicicleta Sendo assim, a velocidade linear do pneu pode ser facilmente calculada se forem contabilizados a quantidade de pulsos gerados pelo sensor em um determinado período de tempo.

5 5 1, onde p é o número de pulsos ou múltiplos de 1 metro num intervalo de tempo t, em segundos. É importante lembrar que um dos objetivos desse projeto é obter a velocidade linear da bicicleta em km/h e não em m/s. Portanto, foi encontrada a relação entre km/h e m/s, ficando assim: , e simplificando o segundo membro da igualdade, encontra-se que: 1 1 3,6 Portanto, o valor de t deve ser igual 3,6 segundos para se ter, de forma direta, a velocidade em quilômetros por hora, conforme a expressão abaixo: 1 3,6 Note que a expressão acima fornece a velocidade em função de p, ou seja, p=1 significa que a bicicleta gerou 1 pulso digital (ou que percorreu 1metro) em um período de observação de 3,6 segundos e que ela, conseqüentemente estar a uma velocidade média de 1km/h. De forma análoga, se p assumir valor 2 a bicicleta estará a uma velocidade média de 2km/h; o mesmo ocorre para os demais valores inteiros de p. Lembrando que nesse projeto o p possuirá uma faixa de 0 (zero) até 59 (cinqüenta e nove quilômetros por hora). Em síntese, consideramos somente * *Válido apenas para 3,6s de observação.

6 6 1.3 Planejamento Estratégico Com base nas definições aqui apresentadas, já se torna possível o desenvolvimento de blocos que irão nos auxiliar no projeto do VD. Vejamos então, cada parte desse projeto. Projeto do VD Para o projeto do Velocímetro Digital, teremos a seguinte subdivisão em blocos: Fig Diagrama de blocos do Velocímetro Digital. VD: Vejamos agora a análise de cada um dos blocos funcionais do a) SINAL HABILITADOR DE PULSOS (sinalizado pelo LED VERDE): este sinal (ou gerador de CLOCK) deve ser projetado de forma a obter a configuração apresentada na Fig ; isso será possível através do temporizador NE555N, sendo usado como multivibrador astável:

7 7 Fig Sinal habilitador de pulsos. b) HABILITADOR DE PULSOS: este habilitador pode ser construído, simplesmente com uma porta AND de duas entradas (74ALS08N). Fig Esquema do CI 74ALS08N. c) SINAL DO SENSOR MAGNÉTICO: este sinal será obtido através do sensor magnético, denominado de Reed-Switch (sendo sinalizado pelo LED AMARELO). Sensor Reed-Switch Os reed-switchess ou interruptores de lâminas, são dispositivos formados por um bulbo de vidro no interior do qual existem lâminas

8 8 flexíveis feitas de materiais que podem sofrer a ação de campos magnéticos. O bulbo de vidro é cheio com um gás inerte de modo a evitar a ação corrosiva do ar sobre as lâminas, o que afetaria o contacto elétrico em pouco tempo. (Ver Fig ) Fig Configuração do Sensor Reed-Switch. Nas condições normais, as lâminas estão separadas e nenhuma corrente pode circular através do componente. Ele opera como uma chave aberta (NA - Normalmente Aberto). Aproximando-se um ímã permanente do dispositivo, veja a Fig , a ação do campo magnético faz com que as lâminas se magnetizem e com isso se atraiam, unindo-se. Nestas condições, o contato elétrico é fechado. Fig Sensor Reed-Switch com o contato fechado. Em outras palavras, o reed-switch abre e fecha seus contatos conforme a ação de um campo magnético externo. É importante observar que para termos uma ação apropriada das lâminas fechando os contatos, o campo magnético precisa ser corretamente orientado. Se o campo não magnetizar as lâminas de modo que elas se atraiam, não há a atuação da chave. Na Fig indicamos as posições corretas que devem ser usadas para que ímãs permanentes acionem um reed-switch.

9 9 Fig Posições do imã em relação ao sensor Reed-Switch. d) SINAL DE CLEAR (PULSO): este sinal tem a finalidade gerar um pulso em nível ALTO que irá zerar os contadores, possibilitando assim uma nova contagem para cada período de amostragem (sinalizado pelo LED VERMELHO). De forma estratégica, utilizaremos o mesmo sinal do HABILITADOR DE PULSOS, só que, com sinal invertido e defasado de algumas dezenas de nano segundos. Para isso utilizaremos portas INVERSORAS, tanto para inverter o sinal como para proporcionar a defasagem entre os sinais, já que essas possibilitam um atraso do sinal. Fig Esquema de ligação das portas inversoras. Utilizamos várias (5 portas) postas inversoras para o PULSO DE CLEAR DOS CONTADORES, apenas para ampliarmos um pouco mais o tempo de defasagem. Utilizamos uma porta inversora para o CLOCK DO REGISTRADOR, pois o CI que tínhamos em nosso laboratório era acionado à Clock de borda de subida ( ).

10 10 Fig Sinal de CLEAR. É importante observar que em cada ciclo de operação, os contadores são reinicializados; isso garante que, sempre teremos uma nova contagem sendo inicializada do zero. Como a defasagem do SINAL DE CLEAR possui uma duração da ordem nano segundos, não teremos perdas significativas do sinal de amostragem, que é de aproximadamente 3,6s. e) CONTADORES: neste caso utilizaremos o contador binário de 4 bits, de referência DM7493AN, disparável à CLOCK.

11 11 Fig Esquema e tabela verdade do DM7493AN. f) REGISTRADOR: aqui utilizaremos como um registrador, o CI SD74LS273, que é um Flip-Flop tipo D, com oito entradas e oito saídas. Fig Esquema e tabela verdade do SD74LS273. g) DECODIFICADOR BCD/7SEG: neste caso iremos utilizar o CI SN74LS47N. Fig (a) Esquema do CI SN74LS47N.

12 12 Fig (b) Tabela verdade do CI SN74LS47N. h) DISPLAYS: utilizaremos dois displays de 7 segmentos, semelhante ao da figura a seguir. Fig Dois displays de 7 segmentos. i) PORTA INVERSORA: utilizaremos portas inversoras (74HC04N), em nosso projeto, de forma a obter os sinais desejados (defasagem e SINAL DE CLEAR).

13 13 Fig Esquema do CI 74HC04N. j) PORTA OR : utilizaremos portas OU (SN74ALS32N) em nosso projeto, de forma a auxiliar na condição de reinicialização dos contadores. Sabendo que a porta OU realiza somas de sinais (Ex.: A + B = C), o uso dessas, evitará o conflito entre os sinais de entrada nos pinos MR 1 e MR 2 do CI contador, já que esses pinos precisarão ter, respectivamente, a palavra 11 (em binário) para zerar os contadores, tanto no momento do PULSO DE CLEAR DOS CONTADORES como para limitar a contagem da casa das unidades de 0 até 9, e na casa das dezenas de 0 até 5. Lembramos também, que teremos o momento da contagem, quando MR 1 e MR 2 forem as palavras 00, 01 ou 10, conforme a tabela verdade da Fig Fig Esquema do CI SN74ALS32N.

14 14 2. MODELAGEM DO TEMPORIZADOR Aqui, iremos modelar o projeto do nosso Clock; com o objetivo de gerar o SINAL HABILITADOR DE PULSOS, apresentado na Fig Conforme ilustrado na Fig. 2.1, projetamos um gerador de clock (astável) com instantes de tempo t 1 =0,2s e t 2 =3,6s. Para isso, calculamos os valores de R A e R B, e definimos o valor de C. Figura 2.1 Esquema do circuito gerador de Clock. Respeitando as condições descritas acima, adotamos C=100µF. Vejamos então, os cálculos. 0,693, substituindo os valores 0,2 0, , encontramos 2,886 Ω. Substituindo agora os valores em 0,693, encontramos 49,062 Ω

15 15 De forma a obter uma melhor precisão dos valores de R A e R B, utilizamos potenciômetros.

16 16 3. PROJETO DO CONTADOR (0 até 59) Agora projetamos um circuito contador, crescente, de 0 até 59. Analisando a folha de dados do circuito integrado DM7493AN, verificamos que para o DISPLAY DAS UNIDADES contasse de 0 até 9, o circuito integrado correspondente a essa marcação deveria reiniciar a contagem toda vez que surgisse a palavra 1010 (valor 10 em decimal) em Q 3, Q 2, Q 1 e Q 0, respectivamente, ou seja, o primeiro valor onde, ao mesmo tempo Q 3 = Q 1 = 1. Estas duas saídas (Q 3 e Q 1 ) foram conectadas nas entradas MR 1 e MR 2, por intermédio de portas OU, gerando uma nova contagem sempre que Q 3 = Q 1 = 1. Ver tabela verdade da Fig Já para que, o circuito integrado mostrasse no DISPLAY DAS DEZENAS uma contagem de 0 até 5, o circuito integrado correspondente a essa marcação, deveria reiniciar a contagem toda vez que surgisse a palavra 0110 (valor 6 em decimal) em Q 3, Q 2, Q 1 e Q 0, respectivamente, ou seja, o primeiro valor onde, ao mesmo tempo Q 1 = Q 2 = 1. Estas duas saídas (Q 1 e Q 2 ) foram conectadas nas entradas MR 1 e MR 2, que gera uma nova contagem sempre que Q 1 = Q 2 = 1. O CI correspondente a contagem das dezenas, deve receber um Clock (borda de descida), toda vez que o CI das unidades completar a contagem de 0 até 9; e é no exato momento da transição da palavra 1001 (valor 9 em decimal) para a palavra 0000 (valor nulo em decimal). Por isso interligamos a saída Q3, do CI correspondente a contagem das unidades, no Clock (pino 14) do CI das dezenas.

17 17 4. ESQUEMA DE MONTAGEM DO VD Figura 4.1 Esquema do circuito do VD.

18 18 5. IMPLEMENTAÇÃO DO VD Figura 5.1 Esquema no PROTO BOARD do VD.

19 19 6. CONCLUSÃO Este projeto teve como objetivo realizar a montagem de um instrumento de medição, fazendo uso de componentes eletrônicos; que no nosso caso, foi projetar um velocímetro digital para bicicletas, que atinjam velocidades de até 59 km/h. O perfeito funcionamento deste dispositivo, se deu graças a todo um planejamento estratégico, através do fracionamento dos circuitos em blocos funcionais menores e bem definidos, como geradores de sinais, contadores, registradores, etc. Também foi importante entender de modo completo o funcionamento de cada bloco funcional e conhecer a natureza dos sinais envolvidos em cada parte, de forma a obter os resultados desejados. Sabemos que em geral, o uso de chaves mecânicas ocasiona o fenômeno conhecido como trepidação do contanto (contact bounce), porém através de testes realizados em laboratório, foi possível detectar que o mesmo não ocorre para o sensor magnético (Reed-Switch), portanto, foi utilizado no projeto sem problemas. A adoção da taxa de amostragem de 3,6s no projeto do VD, foi de certa forma razoável, já que essa foi uma forma simples e direta para se obter a velocidade em km/h. Finalmente, uma sugestão para a extensão deste trabalho, é a sua implantação em chips. Dessa forma teremos uma redução significativa dos circuitos, sem contar a possibilidade de se reduzir a taxa de amostragem e de se realizar cálculos lógicos, já que esses não ocupariam muito espaço físico.

20 20 7. REFERÊNCIAS [1] Thomazella, Rogério, UNESP-FEB, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA, Laboratório de Circuitos Digitais I, Velocímetro Digital, 2009, [2] DIGITAL SPEEDO, [3] MEDER ELECTRONIC, [4] Reed-Switches, [5] Tocci, Ronald J., Sistemas digitais: princípios e aplicações, 10ª edição, Editora Pearson Prentice Hall, 2007.

21 21 ANEXO LISTA DE MATERIAL UNID. ESPECIFICAÇÕES REFERÊNCIAS 1 CI Temporizador (CLOCK) NE555N 1 CI Inversor 74HC04N 1 CI Porta AND DM74ALS08N 2 CI Decodificador BCD p/ 7 Seg. SN74LS47N 1 CI Flip-flop D c/ 8 entradas/saídas SD74LS273E 2 CI Contador Binário (4bits) DM7493AN 1 CI Porta OR SN74ALS32N 1 Capacitor 0.01µF 1 Capacitor 100µF 17 Resistor 330Ω 1 Potenciômetro 100kΩ 1 Potenciômetro 3kΩ 3 LED s -- 2 Displays de 7 Seg. Anodo comum 1 Proto Board -- 1 Sensor Magnético Reed-Switch 2 Imã Permanente Fios --