Projectar, Empreender e Saber Concretizar Modelos Telecomandados 2004/2005 Alunos Luís Carlos Moura Pena João Pedro Loureiro Sousa Pedro Artur Valadares de Pinho Sérgio Pedro de Ribeiro Louro Tiago Faustino Andrade em98103@fe.up.pt em03062@fe.up.pt em02119@fe.up.pt em00030@fe.up.pt em02142@fe.up.pt Docentes Prof. Francisco Freitas Eng. Jorge Reis Eng. Luís Rocha
Porto, 2007 2
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Resumo O propósito central deste projecto é o controlo de um carro telecomandado através de tecnologia electrónico digital bem como a implementação de diversos tipos de sensores. 4
Pensamento A imaginação é mais importante que o saber. Albert Einstein 5
Índice de Figuras Figura 1 Carro telecomandado inicial.... 12 Figura 2 Servomotor desmontado (fonte: www.seattlerobotics.org).... 13 Figura 3 Diagrama com diferentes tipos de ligações de fabricantes de servos. (fonte: redstickrc.org)... 14 Figura 4 Controlo de posição do servo.... 15 Figura 5 Pormenor do batente mecânico. (fonte: http://feh.eng.ohio state.edu)... 16 Figura 6 Modelação por largura de impulso (fonte: Wikipédia).... 16 Figura 7 Relação entre a largura de impulso e a posição angular.... 18 Figura 8 Placa de controlo de potência.... 19 Figura 9 Pormenor da ventoinha em funcionamento.... 20 Figura 10 Esquema do circuito de potência desenhado no software EAGLE.... 21 Figura 11 Pormenor do botão de configuração do telecomando.... 22 Figura 12 Circuito gerador de sinais de controlo + ponte H de potência (réplica).... 22 Figura 13 Carro telecomandado após blindagem dos cabos.... 23 Figura 14 Largura de impulso mínima (1.0ms). Base de tempo em 0.5ms/div.... 24 Figura 15 Largura de impulso média (1.4ms). Base de tempo em 0.5ms/div.... 24 Figura 16 Largura de impulso máxima (1.9ms). Base de tempo em 0.5ms/div.... 24 Figura 17 Estudo do controlo linear de potência.... 25 Figura 18 Placa de programação Willem.... 27 Figura 19 Processo de programação genérico de um microcontrolador.... 28 Figura 20 Ambiente de desenvolvimento MicroCode Studio.... 29 Figura 21 Fluxograma do programa final.... 30 Figura 22 Ecrã inicial do software Virtual Breadboard.... 31 Figura 23 Software PIC Simulator IDE em modo de simulação.... 31 Figura 24 Selecção do microcontrolador PIC16F877.... 32 Figura 25 Simulação com recurso ao PIC16F877.... 32 Figura 26 Simulação de um circuito astável (1 LED).... 33 Figura 27 Simulação de um circuito astável (2 LEDs).... 33 Figura 28 Circuito combinacional (fonte: apontamentos de Computação Industrial).... 34 Figura 29 Simulação de um circuito combinacional (Estado 1).... 34 Figura 30 Simulação de um circuito combinacional (Estado 2).... 35 Figura 31 Simulação de um circuito combinacional (Estado 3).... 35 6
Figura 32 Simulação de um circuito combinacional (Estado 4).... 35 Figura 33 Simulação de um circuito combinacional (Estado 1).... 36 Figura 34 Simulação de um circuito combinacional (Estado 2).... 37 Figura 35 Simulação de um circuito combinacional (Estado 3).... 37 Figura 36 Simulação de um circuito combinacional (Estado 4).... 37 Figura 37 Simulação do comportamento do carro telecomandado (1ª aproximação).... 38 Figura 38 Simulação do comportamento do carro telecomandado (final).... 38 Figura 39 Gama audível do ser humano (fonte: )... 40 Figura 40 Princípio de funcionamento do SONAR (fonte: Wikipédia).... 41 Figura 41 Circuito dos sensores de ultra som.... 42 Figura 42 Placas de ultra som.... 42 Figura 43 Espectro electromagnético (fonte: www.fisica.net).... 43 Figura 44 Princípio de funcionamento de sensores de infravermelhos. (fonte: www.rentron.com)... 44 Figura 45 Termografia de uma cobra a ingerir um rato. (fonte: Wikipédia)... 44 Figura 46 Termografia do disparo de uma arma de fogo. (fonte: www.flirthermography.com)... 45 Figura 47 Sensor de infravermelhos montado no carro telecomandado.... 45 Figura 48 Pormenor da localização do LDR.... 46 Figura 49 Circuito de controlo da intensidade dos faróis.... 46 Figura 50 Versão inicial versus versão final.... 47 Figura 51 Resultado final do carro telecomandado.... 47 Figura 52 Ecrã inicial do software MicroCode Studio.... 51 Figura 53 Acesso à janela que contém a localização do compilador.... 52 Figura 54 Localização do compilador.... 52 Figura 55 Seleccionar a opção Editor Options... no menu View.... 53 Figura 56 Seleccionar a opção Show line numbers in left gutter.... 53 Figura 57 Selecção do microcontrolador PIC16F84A.... 54 Figura 58 Seleccionar a opção Compile Only.... 54 Figura 59 Ecrã inicial do software Willem Eprom (0.97ja)... 55 Figura 60 Verificar se a placa Willem está seleccionada... 55 Figura 61 Configuração do microcontrolador.... 56 Figura 62 Leitura do microcontrolador.... 56 Figura 63 Apagar o conteúdo do microcontrolador.... 57 Figura 64 Seleccionar a opção Blank Check do menu Action.... 57 Figura 65 Carregamento do ficheiro.... 58 7
Figura 66 Selecção do ficheiro hexadecimal (final.hex)... 58 Figura 67 Configuração dos fuses.... 59 Figura 68 Programação do microcontrolador.... 59 Figura 69 Programação do microcontrolador (a decorrer).... 60 Figura 70 Verificação do microcontrolador.... 60 Figura 71 Verificação do controlador (com sucesso).... 61 Índice de Tabelas Tabela 1 Tabela de verdade.... 34 Tabela 2 Tabela de verdade (PWM).... 36 8
Índice 1. Introdução... 10 2. Objectivos... 11 3. Procedimentos... 12 3.1. Introdução... 12 3.2. Montagem... 12 3.3. Estudo dos servomotores... 13 3.3.1. Introdução... 13 3.3.2. Sistema de controlo... 15 3.4. Sistema de controlo de potência... 19 3.4.1. Introdução... 19 3.4.2. Implementação... 20 3.4.3. Ensaio do telecomando... 23 3.4.4. Algoritmo de controlo... 25 3.5. Microcontrolador... 27 3.5.1. Introdução... 27 3.5.2. Compilador... 29 3.5.3. Fluxograma... 30 3.5.4. Simulação... 31 3.5.5. Limitações do software... 39 3.6. Sensores de ultra som... 40 3.6.1. Introdução... 40 3.6.2. Princípio de funcionamento... 41 3.1.1. Implementação... 42 3.7. Sensores de infravermelhos... 43 3.7.1. Introdução... 43 3.7.2. Princípio de funcionamento... 44 3.7.3. Implementação... 45 3.8. Faróis inteligentes... 46 4. Comparação Final... 47 5. Conclusão... 48 6. Bibliografia... 49 7. Anexos... 50 9
1. Introdução O projecto Modelos Telecomandados 2004/2005 foi um dos projectos propostos pela iniciativa PESC (Projectar, Empreender, Saber e Concretizar) que decorreu pela primeira vez no ano lectivo 2004/2005 na Faculdade Engenharia da Universidade do Porto. Todos os alunos do segundo ao quinto ano de todas as licenciaturas da FEUP, assim como de outras Escolas quando considerado pertinente, foram convidados a participar. Este projecto em concreto foi proposto pela Secção de Automação, Instrumentação e Controlo (SAIC) do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (DEMEGI). O projecto consistiu em estudar e colocar em funcionamento viaturas móveis sob comando automático. Este texto pretende documentar o trabalho realizado ao longo deste projecto. 10
2. Objectivos Em todos os projectos devem ser sempre especificados os objectivos uma vez que estes assumem o papel de fio condutor ao longo de todo o projecto. Deste modo são transcritos de seguida os objectivos definidos para este projecto: Substituição do controlo de potência electromecânico por um sistema equivalente electrónico digital; Implementação de diversos tipos de sensores. Com a substituição do sistema de controlo de potência esperava se obter um controlo de velocidade linear, suave, isento de patamares de velocidade. Por outro lado, com a instalação de sensores pretendia se obter alguma interacção com o meio exterior. 11
3. Procedimentos 3.1. Introdução De forma a cumprir os objectivos definidos foram adquiridos dois exemplares do carro telecomandado TEAM ACADEMY Beta STR 4, tendo sido apenas um deles alterado. Com este procedimento pretendia se que no final do projecto fosse possível efectuar uma comparação com o modelo inicial inalterado. 3.2. Montagem A montagem dos carros telecomandados foi, naturalmente, a primeira tarefa deste projecto. Esta etapa revelou se muito interessante uma vez que foi possível analisar alguns dos sistemas mecânicos elementares. É importante destacar o seu carácter didáctico pois permitiu observar como os sistemas de direcção, transmissão e diferencial funcionam na prática (consultar Figura 1). 5 3 4 2 1 6 7 8 9 10 11 12 Figura 1 Carro telecomandado inicial. Legenda: 1. Tomada para o pack de pilhas do receptor 2. Reóstato 3. Tomada da bateria 4. Interruptor do receptor 5. Apoio da carroçaria 6. Transmissão 7. Suspensão 8. Pneu 9. Cristal do receptor 10. Receptor 11. Servo do reóstato 12. Motor eléctrico DC 12
3.3. Estudo dos servomotores 3.3.1. Introdução Um servomotor, ou simplesmente servo, é um motor com características especiais, que o torna extremamente recomendado para aplicações com elevada precisão no controlo de posição. Este tipo de motor tem um excelente desempenho dinâmico uma vez que possui um sistema interno de feedback que fecha a malha de controlo. Os servomotores podem ser de corrente contínua ou corrente alternada, e possuir ou não escovas sendo classificados em motores brush ou brushless respectivamente. O servo presente no carro telecomandado era do tipo DC brush. 2 3 1 4 Figura 2 Servomotor desmontado. (fonte: www.seattlerobotics.org) Legenda: 1. Caixa 2. Motor DC 3. Potenciómetro 4. Sistema de engrenagens 13
Este tipo de motor é constituído por um motor de corrente contínua, um sistema de engrenagens, um circuito de controlo de posição (incluindo potenciómetro solidário com o eixo de saída) e três cabos que estabelecem a ligação ao exterior (ver Figura 2 e Figura 3). Estes cabos correspondem à alimentação (geralmente tensões entre 4 e 6 V), terra e uma linha de controlo que é utilizada para os sinais de posicionamento angular do servo. Existem ainda versões direccionadas para o controlo de velocidade e binário. Figura 3 Diagrama com diferentes tipos de ligações de fabricantes de servos. (fonte: redstickrc.org) 14
3.3.2. Sistema de controlo O potenciómetro incluído no servomotor é o elemento que efectua o controlo de posição. O motor, com uma série de engrenagens, roda o eixo de saída e simultaneamente o potenciómetro, uma vez que este está rigidamente ligado ao eixo. O potenciómetro é alimentado pelo circuito de controlo, e quando o erro de posição é nulo (a posição medida coincide com a posição pretendida) o motor é imobilizado. Contudo se o circuito de controlo detectar que existe um erro de posição, o motor rodará para que o ângulo pretendido seja alcançado. O conceito do controlo de posição pode ser apreciado na Figura 4. + Figura 4 Controlo de posição do servo. Normalmente, um servo tem um grau de liberdade de 0 a 180º, uma vez que não é mecanicamente possível rodar mais ou menos graus, devido à existência de um batente mecânico na engrenagem principal de saída. Na Figura 5 é possível verificar a existência do batente mecânico. Se a aplicação o exigir, a rotação total de 360º poderá ser obtida removendo o batente mecânico. 15
Figura 5 Pormenor do batente mecânico. (fonte: http://feh.eng.ohio state.edu) Os servos são controlados através de modelação por largura de impulso (MLI). Os parâmetros de controlo são o duty cycle e a frequência (Figura 6). O duty cycle é definido da seguinte forma: Figura 6 Modelação por largura de impulso. (fonte: Wikipédia) A posição central do servo é definida como sendo a localização geométrica central da gama de rotação total. Servos diferentes terão graus de liberdade diferentes. Contudo todos possuem uma posição neutra (central) que corresponde a uma largura de impulso, do sinal de comando, de aproximadamente 1.5ms. Apenas sinais com uma frequência de 50Hz serão reconhecidos pela electrónica do servo, isto é, o servo estará à espera de receber um impulso a cada 20ms. A largura de impulso determinará como o motor rodará. Por exemplo, um impulso de 1.5ms fará com que o motor rode para a posição neutra (90º). 16
Quando um impulso é inferior a 1.5ms o servo roda no sentido retrógrado até atingir a posição angular correspondente. Por seu lado, para um impulso superior a 1.5ms ocorre uma rotação no sentido dos ponteiros do relógio. A gama de largura de impulso válida para o comando é função de cada servo. Geralmente a largura de impulso mínima é de aproximadamente 1ms e a máxima cerca de 2ms. Considerando esta gama de largura de impulsos, se o servo receber impulsos de 1.5ms a sua engrenagem de saída rodará até à posição central (90º). Se receber impulsos de 1ms rodará no sentido horário até atingir o limite do intervalo de rotação correspondente a 0º. Se receber impulsos de 2ms rodará no sentido retrógrado até atingir o outro limite correspondente a 180º. Impulsos ente 1ms e 1.5ms farão com que o servo rode no sentido horário para posições intermédias entre 0º e 90º. Por seu lado, impulsos entre 1.5ms e 2ms farão com que o servo rode no sentido retrógrado para posições intermédias entre 90º e 180º. Este comportamento pode ser observado na Figura 7. 17
Figura 7 Relação entre a largura de impulso e a posição angular. 18
3.4. Sistema de controlo de potência 3.4.1. Introdução No carro telecomandado inicial o controlo de potência era realizado por um variador mecânico (reóstato interligado a um servo receptor). Este tipo de sistema é uma solução economicamente vantajosa e permite obter elevadas velocidades. No entanto, o controlo através do comando remoto é manifestamente pouco sensível e regular. Como era pretendido obter uma condução mais suave, com velocidade linear e isenta de patamares, a solução com base em tecnologia electrónico digital surgiu com toda a naturalidade. O esquema do circuito electrónico de controlo de potência foi retirado da edição Nº 264 da revista ELECTRONIQUE PRATIQUE. Este variador electrónico digital é constituído por um circuito de potência em configuração de ponte H. Para controlar a ponte foi utilizado o microcontrolador PIC16F84A com uma velocidade de relógio de 20MHz. A placa geradora de sinais de controlo de potência final pode ser visualizada na Figura 8. Figura 8 Placa de controlo de potência. 19
3.4.2. Implementação A ponte H é uma arquitectura que possibilita o controlo dos motores a partir de sinais gerados, normalmente por um microcontrolador. Como os sinais gerados pelos microcontroladores não têm os níveis de tensão adequados nem a capacidade de fornecer a corrente necessária para excitar um motor que esteja ligado directamente aos seus terminais é necessário incluir uma unidade de potência. A inversão do sentido de rotação dos motores é conseguida invertendo a polaridade da tensão aplicada ao motor, sendo normalmente associado a cada sentido de rotação do motor um pino do microcontrolador. Os níveis lógicos destes pinos devem ser sempre mutuamente exclusivos, isto é, nunca podem estar activos ao mesmo tempo uma vez que provocariam, além de um comportamento instável, a possível queima dos componentes electrónicos de potência. Para se obter um controlo de velocidade com binário de aceleração constante, tanto a baixa rotação como a elevada rotação onde já se venceu a inércia, utiliza se um sinal modelado por largura de impulso (MLI ou PWM Pulse Width Modulation), em vez de um sinal contínuo. A redução do aquecimento é justificada pelo facto de nem sempre existir tensão aplicada quando se utiliza um sinal em PWM. Com vista a minimizar o problema de sobreaquecimento foi ainda introduzida uma ventoinha como se pode verificar na Figura 9. Este componente foi montado no circuito de modo a funcionar com uma velocidade angular proporcional à tensão fornecida ao motor, maximizando o rendimento do sistema, baixando o consumo eléctrico requerido às baterias. Figura 9 Pormenor da ventoinha em funcionamento. 20
Na Figura 10 é apresentado o esquema do circuito de potência controlado pelo microcontrolador PIC16F84A. De notar que neste esquema os pinos do microcontrolador, relativos aos sensores a implementar, já se encontram identificados. Figura 10 Esquema do circuito de potência desenhado no software EAGLE. Uma característica deveras interessante neste circuito é a possibilidade de configurar o microcontrolador para funcionar com qualquer telecomando. Para isso basta apenas pressionar o botão de configuração e varrer toda a gama de impulsos que o comando consegue gerar. Desta forma o microcontrolador poderá adaptar o seu algoritmo de controlo ao novo telecomando. O botão de configuração pode ser observado na Figura 11. 21
Figura 11 Pormenor do botão de configuração do telecomando. Sendo este circuito o cerne deste projecto foi construída uma cópia da placa de controlo de potência de modo a obter uma rápida substituição, caso algum componente fosse danificado no decorrer do projecto. Na Figura 12 encontra se a réplica do conjunto circuito gerador de sinais de controlo + ponte H de potência. Figura 12 Circuito gerador de sinais de controlo + ponte H de potência (réplica). Após a substituição do sistema de controlo de potência mecânico pelo seu homólogo electrónico digital verificou se a existência de bastante ruído eléctrico. Este teve como origem os campos magnéticos gerados pela enorme quantidade de fios presentes no carro. O ruído condicionou principalmente o desempenho do servo da direcção. De forma a minimizar este problema procedeu se à blindagem de todos os cabos e à instalação de um pequeno circuito de filtragem (ver Figura 13). 22
Figura 13 Carro telecomandado após blindagem dos cabos. 3.4.3. Ensaio do telecomando Para conhecer a característica do comando telecomandado recorreu se ao osciloscópio. Desta forma, ligaram se os terminais do osciloscópio ao receptor e observou se a forma dos sinais recebidos. Confirmou se que o telecomando gerava sinais com a largura de impulso dentro da gama esperada. De forma a quantificar o desvio relativamente aos valores teóricos efectuaram se alguns cálculos, determinando o erro absoluto máximo. ó á á á 0, 0.05, 0.07 7% ó Nas Figura 14, Figura 15 e Figura 16 pode ser observada a forma de onda dos sinais que caracterizam o telecomando. A base de tempo é 0.5ms/div e a base de tensão é 2V/div. 23
Figura 14 Largura de impulso mínima (1.0ms). Figura 15 Largura de impulso média (1.4ms). Figura 16 Largura de impulso máxima (1.9ms). 24
3.4.4. Algoritmo de controlo Findo o processo de validação experimental, os esforços centraram se na implementação do controlo linear do motor. A potência eléctrica aplicada ao motor é proporcional à largura de impulso. Para materializar este controlo proporcional, foi necessário obter as expressões que traduzem essa relação. A Figura 17 clarifica essa relação. PWM = 255 Tolerância ±5% PWM = 255 Parar Avançar Recuar PWM = 0 PWM = 0 L min L ref L máx Figura 17 Estudo do controlo linear de potência. Na lógica de programação fez se corresponder à instrução Parar valores de largura de impulso entre L min e L ref. A instrução Avançar foi codificada por um valor pertencente ao intervalo entre L ref e L máx. Tomando como referência os valores do telecomando de 50Hz testado no osciloscópio, obtém se portanto: L min = 1.0ms L ref = 1.4ms L máx = 1.9ms 25
No caso de um telecomando genérico temos apenas que conhecer L min e L máx, sendo L ref calculado através da média aritmética dos valores conhecidos: á 2 De forma a introduzir uma transição suave entre as instruções Avançar e Recuar foi adicionada uma tolerância de ±5%. A expressão correspondente à instrução Avançar é a seguinte: 255 á A expressão correspondente à instrução Recuar é: 255 26
3.5. Microcontrolador 3.5.1. Introdução Microcontroladores são circuitos integrados ditos inteligentes, que possuem um processador, pinos de entrada/saída, relógio e memória. O que distingue os vários tipos de microcontroladores são as quantidades de memória interna (ROM/RAM), velocidade de processamento, número de entradas/saídas, tipo de alimentação, periféricos, arquitectura e número de instruções disponíveis. Neste projecto o microcontrolador escolhido foi o PIC16F84A de 20MHz. A escolha deste microcontrolador justifica se pelo facto de existir bastante documentação sobre este modelo. Este microcontrolador respeita completamente os requisitos do projecto (memória, pinos E/S, temporizadores, ). Apresenta se de seguida um breve resumo das suas características: Memória FLASH avançada 1.75 KBytes / 1 KWord disponíveis 13 pinos de E/S Temporizadores / WatchDog Velocidade de relógio máxima de 20MHz Um resumo mais detalhado das suas características pode ser consultado em anexo. Para que o microcontrolador consiga controlar o circuito onde está inserido é necessário que a lógica de controlo seja implementada sob a forma de um programa (Assembly, C, Pascal, Basic, ), compilado e posteriormente programado no microcontrolador (ver Figura 18 efigura 19). Figura 18 Placa de programação Willem. 27
Figura 19 Processo de programação genérico de um microcontrolador. 28
3.5.2. Compilador Dada a natureza do projecto, optou se pela linguagem/compilador PICBasic Pro. Esta linguagem é bastante simples e possui poderosas rotinas relacionadas com a aquisição, processamento e envio de sinais digitais. O PICBasic Pro possui uma boa gama de funções sendo possível implementar por software o comportamentoo PWM inexistente no hardware do PIC16F84A. Para o desenvolvimento do código fonte foi utilizado o software MicroCode Studio (Figura 20). Nos anexos podem ser consultadas algumas informações sobre a configuração deste software. Figura 20 Ambiente de desenvolvimento MicroCode Studio. 29
3.5.3. Fluxograma Apresenta se de seguida o fluxograma correspondente ao programa desenvolvido. O objectivo do fluxograma é proporcionar de uma forma simples e expedita a compreensão sobre o seu funcionamento (Figura 21). O código fonte do programa final pode ser consultado em anexo. Figura 21 Fluxograma do programa final. 30
3.5.4. Simulação Para verificar se o programa tinha o comportamento desejado recorreu se a software de simulação. Desta forma, houve a necessidade e de construir um ambiente virtual que se aproximasse, tanto quanto possível, da realidade. Os pacotes de software Virtual Breadboard e PIC Simulator IDE (Figura 22 e Figura 23) surgiram naturalmente nesta linha de pensamento. Seguiu se uma etapa de aprendizagem do funcionamento do software. Por conseguinte foram realizadas simulações de diversos circuitos. Inicialmente os circuitos eram bastante simples tendo evoluído para exemplos cada vez mais complexos. Figura 22 Ecrã inicial do software Virtual Breadboard. Figura 23 Software PIC Simulator IDE em modo de simulação. 31
Circuito astável 2 LEDs (PIC16F877A) A primeira simulação consistiu na construção de um circuito que fosse capaz de colocar dois LEDs em funcionamento astável. Os LEDs deveriam permanecer sempre em estados complementares sendo o intervalo de permanência em cada estado definido no programa desenvolvido. De notar que apesar de o microcontrolador utilizado ter sido efectivamente o PIC16F84A foi também simulado o PIC16F877A (ver Figura 24 e Figura 25). Figura 24 Selecção do microcontrolador PIC16F877. Figura 25 Simulação com recurso ao PIC16F877. 32
Circuito astável 1 e 2 LEDs (PIC16F84A) Nas Figura 26 e Figura 27 pode ser observado o mesmo circuito mas agora implementado com microcontrolador PIC16F84A. Figura 26 Simulação de um circuito astável (1 LED). Figura 27 Simulação de um circuito astável (2 LEDs). 33
Circuito combinacional Na fase seguinte procedeu se à concepção de um circuito combinacional (consultar Figura 28). Figura 28 Circuito combinacional. (fonte: apontamentos de Computação Industrial) A tabela de verdade que traduz o comportamento do circuito é apresentada de seguida (Tabela 1 Tabela de verdade.). Tabela 1 Tabela de verdade. LEDs Interruptor 1 Interruptor 2 0000 0000 0 0 0000 1111 1 0 0011 1100 0 1 1111 0000 1 1 Nas figuras subsequentes (Figura 29, Figura 30, Figura 31 e Figura 32) são apresentados os quatro estados possíveis deste circuito. Figura 29 Simulação de um circuito combinacional (Estado 1). 34
Figura 30 Simulação de um circuito combinacional (Estado 2). Figura 31 Simulação de um circuito combinacional (Estado 3). Figura 32 Simulação de um circuito combinacional (Estado 4). 35
Circuito combinacional PWM O passo seguinte foi bastante mais ambicioso. Pretendia se a implementação de um circuito combinacional cuja entrada fosse um sinal em PWM. O estado dos LEDs dependeria do sinal em PWM (ver Tabela 2 Tabela de verdade (PWM).). Tabela 2 Tabela de verdade (PWM). LEDs Largura de impulso [ms] 0000 0000 0 0000 1111 2 0011 1100 1.5 1111 0000 1 Os respectivos estados do circuito são apresentados de seguida (consultar Figura 33, Figura 34, Figura 35 e Figura 36). Figura 33 Simulação de um circuito combinacional (Estado 1). 36
Figura 34 Simulação de um circuito combinacional (Estado 2). Figura 35 Simulação de um circuito combinacional (Estado 3). Figura 36 Simulação de um circuito combinacional (Estado 4). 37
Simulação final Uma vez dominadas as ferramentas de programação e simulação foi possível avançar para a simulação do sistema a implementar: Controlo de um motor por modelação de largura de impulso. A primeira aproximação encontra se evidenciada na Figura 37. De notar que esta simulação já possui a lógica dos sensores que será abordada numa secção posterior deste documento. Na Figura 38 pode ser apreciada a versão final da simulação. Figura 37 Simulação do comportamento do carro telecomandado (1ª aproximação). Figura 38 Simulação do comportamento do carro telecomandado (final). 38
3.5.5. Limitações do software O software Virtual Breadboard 1.2.1 tem como grande limitação a impossibilidade de ajuste do tempo de simulação. O facto de este software não possuir a opção de velocidade de relógio de 20MHz fez com que o programa final implementado no sistema real não pudesse ser efectivamente testado em simulação. Por seu lado, o PicBasic Pro aquando do processo de compilação altera e elimina ficheiros que tenham o mesmo nome que o ficheiro de extensão.bas. Exemplo: Ficheiro de código fonte: pesc_2004_05.bas Ficheiros a eliminar: pesc_2004_05.??? (??? correspondem a 3 caracteres) pesc_2004_05* ( * não contém. ) Ficheiros a alterar o nome: pesc_2004_05.*.* (remove todos caracteres *. ) Este é um bug bastante grave pois se tivermos um ficheiro criado no Virtual Breadboard com o nome pesc_2004_05.vbb (na mesma pasta que o ficheiro.bas) este será eliminado. Por esta razão deverá ser atribuído um nome diferente ao ficheiro de simulação de forma a evitar esta situação de conflito (ex: simulacao_pesc.vbb). Apesar das limitações encontradas o software utilizado revelou se bastante importante para o sucesso deste projecto. 39
3.6. Sensores de ultra som 3.6.1. Introdução O som é uma onda mecânica, isto é, uma vibração que se propaga em meios físicos (sólidos, líquidos e gases). O ser humano tem a capacidade de percepcionar sons na gama de 20Hz a 20kHz. Figura 39 Gama audível do ser humano. (fonte: 1 ) Citando 1, Os factores que determinam a capacidade de ouvir um som são tão complexos que ainda muita pesquisa continua a ser feita sobre o assunto. Um desses factores é o facto de o ouvido humano não ser igualmente sensível a todas as frequências de 20Hz a 20.000Hz, sendo mais sensível na faixa entre 2kHz e 5kHz devido a ressonâncias acústicas no canal do ouvido externo. Nesta faixa de frequência as dimensões do ouvido externo são compatíveis com os comprimentos de ondas acústicas. O ouvido humano é menos sensível para frequências extremamente pequenas e elevadas (verificar a atenuação na Figura 39). As ondas acústicas com frequência inferior a 20Hz designam se de infra sónicas e as superiores a 20kHz denominam se ultra sónicas. O infra som pode ser gerado por processos naturais, tais como 1 Infrasom e Ultrasom; Prof. Samir N. Y. Gerges, Ph.D. 40
terramotos, ventos, grandes ondas oceânicas, cataratas, explosões, ondas sónicas e equipamentos de refrigeração e aquecimento. O ultra som pode ser gerado por processos industriais tais como limpeza, soldadura de plástico, entre outros. 3.6.2. Princípio de funcionamento Os sensores de ultra som baseiam se no princípio de funcionamento do SONAR (SOund NAvigation and Ranging). O SONAR emite ondas de ultra som. Quando as ondas atingem o objecto parte delas são reflectidas, voltando ao receptor. Com base no tempo entre a emissão e a recepção do som é calculada a distância entre o emissor e o objecto. O seu princípio de funcionamento pode ser melhor compreendido após a visualização da Figura 40. Ondas reflectidas Emissor Objecto Ondas emitidas Figura 40 Princípio de funcionamento do SONAR. (fonte: Wikipédia) 41
3.1.1. Implementação De forma a incluir sensorização baseada em ultra som foi projectado um circuito com um emissor e receptor de ultra som, que pode ser apreciado na Figura 41. Figura 41 Circuito dos sensores de ultra som. Na Figura 42 apresentam se as placas de ultra som montadas no carro telecomandado. Figura 42 Placas de ultra som. 42
3.7. Sensores de infravermelhos 3.7.1. Introdução A radiação infravermelha é uma parte da radiação electromagnética cujo comprimento de onda é maior que o da luz visível, porém menor que o comprimento das microondas (ver Figura 43). Figura 43 Espectro electromagnético. (fonte: www.fisica.net) Os infravermelhos podem ser divididos em infravermelhos curtos (0,7 5µm), infravermelhos médios (5 30µm) e infravermelhos longos (30 1000µm). Esta classificação depende da área de utilização, pelo que estes limites podem variar. Os infravermelhos estão associados ao calor, uma vez os corpos emitem radiação térmica no campo dos infravermelhos. 43
3.7.2. Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento de sensores de infravermelhos enquadra se na lógica do SONAR. Existe um emissor que emite radiação no espectro do infravermelho e um receptor que detecta a radiação infravermelha reflectida (ver Figura 44). Figura 44 Princípio de funcionamento de sensores de infravermelhos. (fonte: www.rentron.com) Os sensores de infravermelhos deixam de funcionar de forma eficiente quando existem fontes de radiação infravermelha externas. Nas figuras Figura 45 e Figura 46 podem ser observados dois exemplos de aplicação de visão com recurso à tecnologia dos infravermelhos. Figura 45 Termografia de uma cobra a ingerir um rato. (fonte: Wikipédia) 44