UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA WALDEREZ DINIZ VIEIRA NETO DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS FORTALEZA 2016 WALDEREZ DINIZ VIEIRA NETO SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS. Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para a obtenção de Graduação em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr - Ing. Tobias Rafael Fernandes Neto . FORTALEZA 2016 WALDEREZ DINIZ VIEIRA NETO SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS. Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará através, como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica. Aprovado em _____/_____/________. ________________________________________ Walderez Diniz Vieira Neto BANCA EXAMINADORA ________________________________________ Prof. Tobias Rafael Fernandes Neto, Dr.–Ing. Universidade Federal do Ceará (UFC) _________________________________________ Prof. Paulo Peixoto Praça, Dr. Universidade Federal do Ceará (UFC) _________________________________________ Prof. Kleymilson do Nascimento Souza, M.Sc. Universidade Federal do Ceará (UFC) AGRADECIMENTOS À minha família em especial e em primeiro lugar. Meus pais Gerson e Valéria e minhas irmãs Bárbara e Géssica que proporcionaram minha caminhada possível com amor, apoio, dedicação, esforço e perseverança. Agradeço a oportunidade única. Aos meus colegas e amigos, que durante minha caminhada estavam ao meu lado. À todos os professores que contribuíram com a minha formação. “Você tem que encontrar o que você ama!” Steve Jobs RESUMO O desenvolvimento do sensor de obstáculos tem como objetivo proporcionar maior referência espacial ao deficiente visual. Este sensor possibilita a indicação de obstáculos como paredes, moveis, árvores, lixeiras e hastes de sinalização. O sensor emite uma onda sonora ultrassônica de 42Khz e o tempo decorrente entre emissão e recepção do sinal permite a indicação tanto do obstáculo como da distância do mesmo por meio de uma cápsula piezoelétrica com atuação modulada. O atuador emite um estímulo sonoro e vibratório. O sensor de obstáculos é composto por um circuito eletrônico compacto e leve devido sua montagem com componentes Surface Mounting Devices (SMD), sendo o microcontrolador responsável tanto por gerar o sinal que será transmitido através do transdutor ultrassônico, como receber o sinal amplificado e, determinada a distância, faz a modulação do sinal a ser aplicado no atuador piezoelétrico. O protótipo é um dispositivo móvel com baterias de lítio acopladas a uma estrutura compacta que permite a utilização desse dispositivo em uma das mãos ou fixo a bengala, auxiliando a locomoção das pessoas com deficiência visual. Palavra-chave: Bengala eletrônica, Sensor ultrassônico, Sensor para deficientes visuais. ABSTRACT The development of the obstacle sensor aims to provide further spatial reference to the visually impaired. This sensor provides an indication of obstacles such as walls, furniture, trees, trash cans and signs. The sensor emits an ultrasonic sound wave with 42Khz and the time between signal transmission and reception allows both the indication of the obstacle and the distance thereof by means of a piezoelectric capsulemodulated actuation. The actuator provides an audible and vibratory stimulus. The obstacle sensor consists of a compact, lightweight electronic circuit due to its assembly with components Surface Mounting Devices (SMD), the microcontroller responsible both for generating the signal to be transmitted through the ultrasonic transducer, such as receiving the amplified signal and determined the distance, is the signal modulation to be applied to the piezoelectric actuator. The prototype is a mobile device with lithium batteries made in a compact structure that allows the use of this device in one hand or fixed in a cane, assisting the mobility of people with visual impairment. Keyword: electronic Bengal, ultrasonic sensor, Sensor for the visually impaired LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Resistores e capacitores ............................................................................................. 38 Tabela 2 – Outros componentes .................................................................................................. 38 Tabela 3 – Circuitos integrados ................................................................................................... 39 LISTA DE FIGURAS Figura 1– Obstáculos................................................................................................................... 12 Figura 2 – Bengala eletrônica (ultracane) ................................................................................... 13 Figura 3 – Sensor ultrassônico .................................................................................................... 15 Figura 4 – Transdutor ultrassônico.............................................................................................. 16 Figura 5 – Microcontrolador PIC12F675 .................................................................................... 16 Figura 6 – Estrutura cristalina de um material piezoelétrico....................................................... 17 Figura 7 – Circuito de amplificação ............................................................................................ 19 Figura 8 – Primeiro estágio amplificação.................................................................................... 20 Figura 9 – Análise CA................................................................................................................. 21 Figura 10 – Segundo estágio amplificação.................................................................................. 22 Figura 11 – Analise CA............................................................................................................... 24 Figura 12 – Amplificador inversor .............................................................................................. 24 Figura 13 – LM393 ..................................................................................................................... 25 Figura 14 – Circuito do comparador ........................................................................................... 25 Figura 15 – Sinais de entrada do comparador ............................................................................. 26 Figura 16 – Circuito transmissor ................................................................................................. 27 Figura 17 – Tensão no transmissor ............................................................................................. 28 Figura 18 – Comando transmissor a 30cm .................................................................................. 29 Figura 19 – Comando transmissor para distâncias maiores que 30cm ........................................ 29 Figura 20 – Cápsula piezoelétrica ............................................................................................... 30 Figura 21 – Esquemático do sensor de obstáculos ...................................................................... 31 Figura 22 – Microcontrolador ..................................................................................................... 32 Figura 23 – Configuração das portas do CI................................................................................. 32 Figura 24 – Circuito do microcontrolador................................................................................... 33 Figura 25 –Taxa de verificação mínima ...................................................................................... 34 Figura 26 –Taxa máxima de verificação máxima ....................................................................... 34 Figura 27 – Fluxograma de operação simplificado ..................................................................... 35 Figura 28 – Circuito impresso(Altium) Face A........................................................................... 36 Figura 29 – Circuito impresso(Altium) Face B ........................................................................... 37 Figura 30 – Circuito PCB do protótipo, face A ........................................................................... 37 Figura 31– Circuito PCB do protótipo, face B ............................................................................ 37 Figura 32 – Características do circuito impresso (Fabricante) .................................................... 38 Figura 33 – Formas de utilização do sensor ................................................................................ 39 LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS CA Corrente alternada CC Corrente contínua CI Circuito integrado PCI Placa de circuito impresso SMD Surface Mounting Devices SMT Surface Mounting technology s ms Segundo Milissegundo Hz Hertz m cm m/s V W A mA Metro Centímetro Metro por segundo Volt Watts Ampere Miliampére SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 12 1.1. Objetivo geral ................................................................................................................. 13 2. CONCEITOS TEÓRICOS ................................................................................................... 15 2.1. Efeito piezoelétrico ......................................................................................................... 17 2.2. Princípio de funcionamento........................................................................................... 17 2.3. Aplicações........................................................................................................................ 18 3. AMPLIFICADOR ................................................................................................................. 19 3.1. Primeiro estágio de amplificação, circuito com polarização do estável emissor ...... 20 3.1.1. Analise CC primeiro estágio. ...................................................................................... 20 3.1.2. Analise CA primeiro estágio. ..................................................................................... 21 3.2. Segundo estágio de amplificação ................................................................................... 22 3.2.1. Análise CC segundo estágio. ...................................................................................... 22 3.2.2. Análise CA segundo estágio. ..................................................................................... 23 3.3. Terceiro estágio de amplificação ................................................................................... 24 3.4. Comparador.................................................................................................................... 25 4. TRANSMISSÃO ................................................................................................................... 27 4.1. Controle do circuito de transmissão ............................................................................. 28 4.2. Modulação dos atuadores .............................................................................................. 30 4.3. Utilização de cápsula piezoelétrica como atuador ....................................................... 30 4.4. Esquemático geral .......................................................................................................... 31 5. MICROCONTROLADOR ................................................................................................... 32 5.1. Fluxograma de funcionamento ..................................................................................... 35 5.2. Softwares utilizados ........................................................................................................ 35 5.3. Componentes eletrônicos ............................................................................................... 38 5.4. Formas de utilização ...................................................................................................... 39 6. CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 40 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 41 ANEXO A: Transistor BC846 .............................................................................................. 43 ANEXO B: Comparador LM393 ......................................................................................... 46 ANEXO C: Amplificador operacional LM741 ................................................................... 51 ANEXO D: Código MPLAB IDE ........................................................................................ 59 ANEXO E: Orçamento circuito impresso ........................................................................... 62 12 1. INTRODUÇÃO A inclusão social é um dever que a sociedade tem com pessoas que apresentam algum tipo de deficiência, proporcionando uma melhor qualidade de vida e atenuação das suas dificuldades. No Brasil, segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010), mais de 6,5 milhões de pessoas apresentam alguma deficiência visual e desse total 528.624 são cegas (incapazes de enxergar) de acordo com a Organização mundial de saúde (OMS, 2010) no mundo mais de 40 milhões de pessoas são cegas e 135 milhões apresentam baixa visão. A OMS afirma que 80% dos casos de cegueira poderiam ser evitados caso fossem realizados a prevenção e o tratamento. A falta da visão coloca essas pessoas com deficiência visual em dificuldade para realizar tarefas simples do dia-dia como alimentação, atravessar a rua, trocar de roupa e se deslocar em locais desconhecidos. Os riscos de transitar nas cidades são grandes, pois muitos projetos de acessibilidade não são implementados e com frequência são encontradas calçadas irregulares, semáforo sem aviso sonoro, falta de piso tátil ou mesmo a colocação de obstáculos no caminho tátil. Alguns dos obstáculos mais frequentes encontrados estão expostos na figura 1. Figura 1– Obstáculos Fonte: Diversos 13 Dificuldades com obstáculos e reconhecimento de novas áreas é um dos problemas enfrentados por deficientes visuais. A bengala é o principal utensílio para verificação espacial, mas permite um reconhecimento de área muito limitado e seu raio de verificação dificulta e retarda a caminhada. O sensor de obstáculos facilita essa tarefa auxiliando a bengala e oferecendo mais uma referência durante a caminhada. O sensor tem versatilidade na utilização, podendo ser utilizado fixo à bengala, pulso ou no braço. Uma boa autonomia de uso devido ao baixo consumo de energia é outro fator positivo do sensor de obstáculos, sendo utilizado por um longo período sem recarga. A verificação a qualquer direção e ângulo e sua forma compacta permite determinar a distância das paredes, moveis, placas de sinalização, lixeiras e pessoas. Essa referência possibilita uma maior segurança e confiança durante o deslocamento do deficiente visual. Os sensores eletrônicos existentes para essa aplicação, em grande parte, são acoplados a uma bengala e sua região de verificação fica limitada a varredura do mesmo. Um dos modelos está exposto na figura 2. Com objetivo de aumentar a versatilidade com menor custo o dispositivo não é acoplado exclusivamente a uma bengala, mas permite sua fixação através de um encaixe simples, permitindo assim ao usuário a escolha de onde utilizar. Figura 2 – Bengala eletrônica (ultracane) 0,8 m 4m 1,6 m 2,1 m 4m Fonte: Ultracane 1.1. Objetivo geral Desenvolvimento de um projeto voltado a acessibilidade de pessoas com deficiência visual, tornando mais segura sua locomoção, auxiliando a bengala e cão guia. 14 Um protótipo compacto, baixo custo, e com boa autonomia de uso, permite assim uma maior noção espacial facilitando o reconhecimento de novas áreas, objetos e pessoas no caminho a ser percorrido. 15 2. CONCEITOS TEÓRICOS O som é uma onda mecânica que se propaga a uma velocidade de 340 m/s no ar. A distância do obstáculo é obtida através do tempo decorrido entre transmissão e recepção. A onda sonora é refletida, conforme figura 3, e a distância é determinada através da equação (1). Figura 3 – Sensor ultrassônico Fonte: Portal do arduino â /. 340. 2 2 (1) A faixa de frequência sonora perceptível ao ouvido humano está entre as frequências de 20Hz a 20kHz (Resnick, 2009), sons fora dessa faixa de frequência, por exemplo ultrassônicos, sons acima de 20kHz, não são perceptíveis, logo a sua utilização não provoca incomodo ao ouvido humano. A frequência de transmissão utilizada nesse sensor é de 40kHz, pois está é a frequência padrão dos transdutores comerciais aplicados. Transdutores são dispositivos que recebem uma determinada energia e transformam em outro tipo de energia. Os transdutores ultrassônicos utilizados têm uma faixa central, com maior ganho a uma frequência de 40kHz, conforme informado pelo fabricante (Kobitone, 2006), o sensor utilizado é ilustrado na figura 4. O princípio desse transdutor é o efeito piezoelétrico, uma vibração sonora provoca tensão elétrica, no caso utilizado como receptor ultrassônico e uma variação de tensão provoca uma vibração responsável por emitir o sinal de transmissão. 16 Figura 4 – Transdutor ultrassônico. Fonte: agelectronica O amplificador é responsável por receber um sinal de pequena amplitude e assim ampliar sua magnitude para uma determinada aplicação, podendo ser implementado com transistores ou amplificadores operacionais. O sinal identificado no transdutor ultrassônico de recepção tem que ser amplificado devido à sua pequena amplitude, permitindo verificar o sinal que foi transmitido. O microcontrolador ilustrado na figura 5 é um dispositivo que apresenta processador, memória e periféricos. Podendo ser programado para atuar com uma função específica. No sensor de obstáculos o microcontrolador é o responsável por emitir o sinal de transmissão, verificação do tempo decorrido até a recepção do sinal e controlar o atuador piezoelétrico. Figura 5 – Microcontrolador PIC12F675 Fonte: Microchip 17 2.1. Efeito piezoelétrico A palavra piezoelétrico vem do grego e significa “eletricidade por pressão” (Margraf). Através de um estímulo elétrico é possível gerar um estímulo mecânico e o inverso também é possível, e certos cristais apresentam essas características de interação eletromecânica. Uma das características dos cristais piezoelétrico é sua estrutura anisotrópica, não possuindo centro de simetria. São usados materiais como quartzo, titanato de bário e PZT (titanato zirconato de chumbo). As aplicações desse efeito são diversas como geração de som, detecção de som, sensores de pressão e nebulizadores. Ilustrado na figura 6 temos um cristal de quartzo e a polarização do material piezoelétrico diante da força aplicada sobre o mesmo. Figura 6 – Estrutura cristalina de um material piezoelétrico. Fonte: UFPR 2.2. Princípio de funcionamento O circuito eletrônico foi desenvolvido para verificar obstáculos e suas distâncias. A verificação é realizada por meio de dois transdutores ultrassônicos de 16mm e 42kHz de frequência de atuação, um sendo responsável por emitir o sinal e outro por receber, em seguida é contabilizado o tempo entre transmissão e recepção. Essa contagem é realizada no microcontrolador com o incremento do registrador TMR1H. O transdutor ultrassônico responsável por transmitir o sinal de verificação é comandado através do microcontrolador que emite um sinal com 15 pulsos a uma frequência próxima a 40 kHz. O transdutor responsável por receber o sinal está conectado com um amplificador que 18 apresenta três estágios de amplificação e um comparador que tem como funções o ajuste de tensão e filtro contra ruído. Para indicar os obstáculos o circuito conta com um atuador piezoelétrico que emite som e vibração de acordo com seu sinal de controle. Essas diferenças de frequência e largura no circuito de controle tem a função de oferecer uma indicação de obstáculos por meio da cápsula piezoelétrica. O som emitido na transmissão 42kHz não é audível, logo não gera conflito com o som emitido no atuador. 2.3. Aplicações A utilização do sensor de obstáculos fixo no pulso, braço ou na bengala permite uma versatilidade na utilização. Em conjunto com a bengala auxilia o usuário a identificar obstáculos corriqueiros como postes, lixeiras e paredes. Permite também o reconhecimento de novas áreas e localização de móveis. Um problema comum em andar em casas e apartamentos é a presença de alguns objetos fora do local ou mudança dos mesmos. Esse dispositivo auxilia o usuário na locomoção neste novo ambiente até a memorização da configuração do local. Em ambientes fechados saber qual a distância entre paredes laterais e frontais é interessante durante a locomoção. A bengala permite apenas a verificação tátil a pequenas distâncias numa área limitada ao alcance da bengala. O sensor possibilita uma maior área de verificação com menor esforço físico. O objetivo não é substituir a verificação tátil da bengala e sim auxiliar a locomoção com menor esforço. 19 3. AMPLIFICADOR O amplificador no circuito tem como objetivo a amplificação do sinal captado pelo transdutor ultrassônico de recepção, este possui pequena amplitude de tensão para ser identificado, sendo necessário uma amplitude adequada para ser identificada pelo microcontrolador. O circuito de amplificação apresenta 3 estágios, cada estágio com sua configuração e característica. Este circuito de amplificação está integrado a um CI comparador LM393 que permite um filtro contra ruídos para tensões inferiores a tensão de referência do comparador e tensão adequada ao microcontrolador. A amplificação de pequenos sinais envolve, uma análise CA e CC ambas são acopladas uma influenciando sobre a outra. O circuito de amplificação, ilustrado na figura 7 é o responsável por amplificar o sinal captado pelo transdutor e garantir que o sinal esteja condicionado para o microcontrolador. Alguns obstáculos apresentam atenuação significativa do sinal devido a pequenas áreas ou irregularidades, portanto o ganho do sinal deve ser suficiente para amplificar essas atenuações do sinal sonoro. A ligação Darlington é a associação de dois ou mais transistores tendo como objetivo aumentar o ganho do circuito garantindo uma maior amplitude do sinal. Essa conexão garante o ganho necessário ao correto funcionamento do amplificador nas piores condições. O cálculo dos parâmetros do amplificador permite a verificação das características e uma análise prévia de seu funcionamento. A impedância de entrada, impedância de saída e ganho de tensão são alguns desses parâmetros a serem calculados e analisados para o desenvolvimento do projeto de um amplificador. Figura 7 – Circuito de amplificação Fonte: Próprio autor 20 3.1. Primeiro estágio de amplificação, circuito com polarização do estável emissor A configuração apresentada na figura 8b com resistor no emissor aumenta a estabilidade do amplificador (Boylestad, 2004). A colocação de um capacitor no emissor, exposto na figura 8a permite a passagem de corrente do sinal CA gerado no transdutor de recepção. O transistor BC846B foi utilizado no circuito devido a suas dimensões reduzidas, facilidade na sua compra e por ser um transistor NPN, portanto adequado à aplicação. Ele possui corrente máxima do emissor de 100mA e corrente de base saturação de 5mA. Os limites de operação impostos pelo fabricante não devem ser ultrapassados, pois podem causar a danos ao semicondutor. Figura 8 – Primeiro estágio amplificação. a) Fonte: Próprio autor b) Fonte: Boylestad. 3.1.1. Analise CC primeiro estágio. O ganho do transistor com a associação dos transistores (conexão Darlington) é o produto dos ganhos dos respectivos transistores, portanto β1.β2=βtotal. O transistor apresenta ganho mínimo segundo o fabricante de BC846B deβ=110, logo 21 um ganho final de βtotal=12100. São importantes na análise CC do amplificador o cálculo da corrente de base no transistor na equação (2) e corrente no emissor equação (3). Variáveis utilizadas nas equações abaixo: Vcc - Tensão fonte (2s) Vbe- Tensão base e emissor Rb - Resistor de base Re - Resistor emissor Rc - Tensão coletor β - Ganho transistor Ib - Corrente de base ZI - Impedância de entrada Zo - Impedância de saída Av - Ganho de tensão ro - Resistencia Ib Vcc − Vbe 7,8 − 0,7 2,67nA !" + β + 1. Re 2,2.10) + 12100 + 1. 220.10) ( 2) Ie β + 1. -" 12100.2,67.10./ 32,3μ1 ( 3) 3.1.2. Analise CA primeiro estágio. A análise CA é iniciada retirando os efeitos da tensão CC e substituindo os capacitores em altas frequências e portanto uma baixa impedância, logo considerando um curto-circuito. O modelo de análise CA é apresentado na figura 9. Essa análise verifica apenas o sinal CA que se pretende amplificar. Através das equações (4) e (5) obtemos a impedância de entrada e a equação (6) a impedância de saída do amplificador. O ganho de tensão é obtido através da equação (7). Figura 9 – Análise CA re Fonte: Boylestad 22 2 26.10.) 26.10.) 804Ω - 32,3.10.3 RB. β. re 2,2.10) . 10) . 804 ZI RB//β. re 2199Ω RB + β. re 2,2.10) + 12100.804 (4) (5) Considerando ro>>Rc, Zo RC=10 kΩ (6) !< 10.10) 1; − −12,43 2 804 (7) 3.2. Segundo estágio de amplificação O amplificador com polarização por divisor de tensão tem como principal vantagem em relação a outras configurações um amplificador menos dependente do ganho, pois o mesmo pode variar com a temperatura e diferentes lotes do fabricante. A figura 10 apresenta o circuito de amplificação com polarização por divisor de tensão. Figura 10 – Segundo estágio amplificação Fonte: Próprio autor (a) Fonte: Boylestad(b). 3.2.1. Análise CC segundo estágio. A análise CC do amplificador por divisão de tensão envolve uma quantidade maior de cálculos, pois é preciso considerar a tensão (Vth) e resistência (Rth) equivalentes 23 na base do transistor. A tensão na base do transistor é obtida na equação (8) e a resistência equivalente obtida na equação (9). A corrente de base, equação (10), é um dos principais valores a ser calculado e utiliza como variáveis a tensão e resistência equivalentes Vth e Rth, em seguida determina a corrente do emissor conforme a equação (11). Os valores calculados na análise CC em seguida são utilizados para análise CA do amplificador ℎ !2 10.10) . << ) . 4 0,833 !1 + !2 10 + 47.10) (8) !1. !2 10.10) . 47.10) 9791,6Ω !1 + !2 10) + 47.10) (9) !ℎ Ib Vth − Vbe 0,833 − 0,7 5nA !ℎ + β + 1. Re 9791,6 + 12100.2,2.10) ( 10 ) Ie β + 1. -" 12100.5.10./ 60,5μ1 ( 11 ) 3.2.2. Análise CA segundo estágio. O circuito para análise CA é ilustrado na figura 11 (Boylestad,2004). A determinação do ganho de tensão é apresentada na equação (15) e obtida através de simplificações. O cálculo da impedância de entrada e saída é detalhado nas equações (13) e (14). 26.10.) 26.10.) 2 429,75Ω - 60,5.10.3 ( 12 ) Zi R1//R2//β. rπ ( 13 ) Considerando ro>>Rc, Zo RC ( 14 ) Av − Vo ! 2200 − − −5,11 2D 429,75 ( 15 ) 24 Figura 11 – Analise CA Fonte: Boylestad 3.3. Terceiro estágio de amplificação Os amplificadores são muito utilizados por sua facilidade de implementação e sua alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Suas aplicações são diversas como controle de sistemas, filtragem, amplificação, operações lineares e não lineares(Boylestad, 2004). Nesse estágio foi utilizado um amplificador operacional LM741 com configuração inversora conforme a figura 12. O ganho de tensão do amplificador é obtido nas equações (16) e (17). Como a diferença de tensão entre os terminais de entrada máxima não supera 30 V, pois a tensão máxima da fonte é de 8 V, a proteção nos terminais de entrada pode ser dispensada. E !1 200.10) 1− −2000 FG !2 100 ( 16 ) !1 200.10) E − . . FG !2 FG 1000 ( 17 ) Figura 12 – Amplificador inversor Vin Vout Fonte: Próprio autor 25 3.4. Comparador A utilização do comparador possibilita um filtro através do ajuste da tensão de referência, interessante por tornar a saída do sinal amplificado nos estágios anteriores mais estável e com menor ruído. O circuito integrado comparador LM393 ilustrado na figura 13 apresenta sua saída binaria adequada para o microcontrolador, a figura 14 apresenta a configuração implementada no projeto. Para determinar referência utilizamos a equação (18). Figura 13 – LM393 Fonte: learningaboutelectronics Figura 14 – Circuito do comparador V Ref Vin Fonte: Próprio autor a tensão de 26 Variáveis utilizadas: Vcc -Tensão RF1-Resistor 15k RF2-Resistor 22k HIJ KK . !LM 22 3,7. 2,2 !LN + !LM 22 + 15 ( 18 ) O sinal de entrada Vin que apresentar tensão superior a 2,2 V, ou seja superior a tensão de referência aplicada no comparador Vref, portanto a saída do comparador vai para nível alto Vcc. Os sinais verificados experimentalmente utilizando o osciloscópio são apresentados na figura 15. Os sinais apresentados correspondem ao sinal de referência e o sinal de recepção amplificado por três estágios de amplificação. Figura 15 – Sinais de entrada do comparador Sinal do amplificado Tensão referência Fonte: Próprio autor 27 4. TRANSMISSÃO A transmissão do sinal para verificação da distância é realizada através do transdutor ultrassônico, sendo o circuito dedicado a transmissão, apresentado na figura 16, composto por um transistor BC846, resistores e o microcontrolador. A tensão correspondente aos terminais do transdutor é ilustrada na figura 17 apresentando uma frequência próximo a 40 kHz e ao final da transmissão é seguido de um ruído que pode ser identificado através do transdutor de recepção, portanto não verificando um obstáculo, mas apenas o ruído do sinal de transmissão devido ao amortecimento do sensor após o envio do sinal. Esse problema é solucionado no software através de um loop de espera realizado no microcontrolador para a verificação da leitura correta. As especificações do fabricante devem ser seguidas para não ocorrer danos aos resistores utilizados, sendo verificada nas equações (19) e (20). Figura 16 – Circuito transmissor Fonte: Próprio autor Variáveis utilizadas: Vcc1-Tensão RT-Resistor 1k 28 -PQ RRN − RI 8 − 0,7 7,31 !O 1000 SPQ !O . - M 1000.7,3M 0,053T ( 19 ) ( 20 ) O resistor !O suporta uma potência máxima de 1/8 W, portanto o resistor está com dimensionamento adequando para a aplicação. Como esse resistor é o que apresenta maior corrente, os outros semelhantes também atendem a potência exigida com uma boa margem de segurança. Figura 17 – Tensão no transmissor Ruído Fonte: Próprio autor 4.1. Controle do circuito de transmissão O sinal de transmissão apresenta um número de pulsos que possibilita a recepção do sinal transmitido, nesse caso 15 pulsos foram utilizados como sinal de transmissão. Como mostrado na figura 17 Após a transmissão é preciso um loop de espera para garantir que o sinal de transmissão não interfira na identificação do sinal refletido. A interrupção no microcontrolador é responsável por emitir o sinal de transmissão. Após a transmissão o microcontrolador fica em espera do sinal transmitido, sendo incrementado o registrador TMR1H do TIMER1 até o sinal do transdutor de recepção devidamente amplificado ser identificado no microcontrolador, sendo o registrador TMR1H do 29 microcontrolador responsável por determinar a largura do pulso no atuador piezoelétrico. Com larguras diferentes produzem diferentes sons e vibrações, possibilitando diferenciar distâncias distintas. Para uma maior taxa de verificação foi implementada uma variação dessa taxa, após a verificação do sinal de recepção é executada a atuação sendo seguido outro sinal de transmissão. As taxas de amostragens distintas podem ser verificadas nas figuras 18 e 19. Figura 18 – Comando transmissor a 30cm Pulsos de transmissão Fonte: Próprio autor Figura 19 – Comando transmissor para distâncias maiores que 30cm Pulsos de transmissão Fonte: Próprio autor 30 4.2. Modulação dos atuadores A modulação da largura dos pulsos somada a diferentes frequências indicam ao usuário a distância de um determinado obstáculo. Utilizando um gerador de frequência, foram realizados testes para verificar quais os melhores resultados nos atuadores, assim as frequências entre 1Hz a 1000Hz apresentam uma indicação sonora e vibratória interessante a aplicação. As frequências muito baixas foram descartadas por limitar a taxa de amostragens por segundo. A cápsula piezoelétrica utilizada e sua configuração construtiva estão ilustradas na figura 20. Os testes com cápsulas menores que 20 mm apresentaram um estímulo muito discreto para a aplicação. Figura 20 – Cápsula piezoelétrica Fonte: sabereletronica 4.3. Utilização de cápsula piezoelétrica como atuador Esse componente apresenta algumas vantagens em comparação com outras formas de estímulo. Podemos citar como vantagens seu baixo custo, pequeno consumo de energia, peso e formas mais compactas que outros atuadores. Essas características são importantes para um dispositivo portátil e que utiliza como fonte de energia duas baterias de 3,7 V, assim permite o aumento de autonomia com baixo custo. Uma proteção a cápsula é necessária por não apresentar grande resistência mecânica. 31 4.4. Esquemático geral O circuito geral apresentado na figura 21 foi dimensionado respeitando as características de cada componente e o melhor desempenho para a aplicação. Composto por amplificador, transdutores de transmissão e recepção, microcontrolador, atuador piezoelétrico entre outros componentes. Figura 21 – Esquemático do sensor de obstáculos Fonte: Próprio autor 32 5. MICROCONTROLADOR Esse componente é de grande utilidade na eletrônica por apresentar grande versatilidade, baixo custo e implementação cada vez mais acessível. É composto por memória, periféricos e pinos de entradas/saídas. Sua programação pode ser implementada em diferentes linguagens e por diversos softwares de programação. Foi utilizada a linguagem assembly por possibilitar uma maior autonomia sobre a programação. A figura 22 apresenta os componentes do microcontrolador que possibilitam sua versatilidade e a figura 24 sua utilização no sensor de obstáculo. A figura 23 mostra a configuração dos pinos do microcontrolador utilizado, o PIC12F675 da Microchip. O código em assembly desenvolvido está no anexo D. Figura 22 – Microcontrolador Fonte: Antônio Sergio Sena Figura 23 – Configuração das portas do CI Fonte: Microchip 33 Figura 24 – Circuito do microcontrolador Fonte: Próprio autor A utilização do circuito integrado da Microchip PIC12F675 parte de algumas vantagens como baixo custo, compacto, fácil acesso e com os recursos necessários. Em anexo estão outras características importantes. A corrente máxima nas portas de saída é de 25 mA, logo o cálculo da corrente máxima determinado na equação (21) é indispensável. -UVW RRM − XI 4 − 0,7 3,31 ! 1000 ( 21 ) Um recurso do microcontrolador utilizado foi a interrupção com TIMER1 que conta com dois registradores de 8 bits o TMR1H e TMR1L. A interrupção é controlada através do terminal T1G ou gate, que está conectado a saída do amplificador. A contagem é incrementada enquanto o sinal gate está em nível baixo. Este recurso garante que o circuito não fique no loop de espera indefinidamente. Com o “Estouro” do TIMER1 a cada 60ms é direcionado para a função de interrupção que envia outros pulsos de transmissão. O registrador TMR1H é o responsável pela largura do pulso no atuador, portanto quanto maior o tempo, maior a largura do pulso de comando. A distância equivalente a um estouro é 10,2 metros como está na equação (22), logo não ocorre risco de uma transmissão anterior interferir na atual. A taxa mínima de verificação que é quando não existe obstáculos a frente, portanto quando ocorre o “estouro” do timer1 é 34 mostrado na figura 26 e verificada na equação (23). A taxa máxima de verificação foi obtida no osciloscópio como 918 amostras por segundo. . 340.60.10.) â 10,22 2 2 YZ 1 16[\ 60 Figura 25 –Taxa de verificação mínima “Estouro” TIMER1 60ms Fonte: Próprio autor Figura 26 –Taxa máxima de verificação máxima Fonte: Próprio autor ( 22 ) ( 23 ) 35 5.1. Fluxograma de funcionamento O microcontrolador utiliza uma interrupção através do TIMER 1 garantindo no “estouro”, o envio de outros pulsos de transmissão, assim a ausência de um obstáculo não trava o funcionamento do sensor. A interrupção gera 15 pulsos no transdutor de transmissão e em seguida retorna ao loop de espera, aguardando o som refletido pelo obstáculo. O fluxograma de funcionamento é mostrado na figura 27. Figura 27 – Fluxograma de operação simplificada Fonte: Próprio autor 5.2. Softwares utilizados O desenvolvimento do projeto envolveu o conhecimento em eletrônica e softwares específicos para cada etapa. A programação foi realizada através do software do próprio fabricante do circuito integrado, o MPLAB IDE da Microchip, utilizando a 36 linguagem em assembly, essa linguagem proporciona maior autonomia sobre a execução do programa no microcontrolador, pois se aproxima mais das instruções executadas no processador. O software utilizado para simulação do circuito foi o PROTEUS que possibilita montar o circuito e verificar seu funcionamento. Outro software utilizado foi o Altium, esse software é especifico para o desenvolvimento de circuitos impressos. 5.4. Placa de circuito impresso O circuito foi projetado para a função especifica de detectar um obstáculo e sua distância, indicando-o ao usuário. Outro objetivo é reduzir as dimensões do circuito tanto quanto possível, por isso foi então desenvolvida uma placa de circuito impresso com duas faces que possibilita também a fabricação em maior escala. As figuras 28 e 29 são simulações do circuito no software de desenvolvimento Altium, e são apresentados nas figuras 30 e 31 o circuito finalizado. O protótipo foi desenvolvido com software Altium sendo gerado arquivos de fabricação, assim realizando o pedido das placas de circuito impresso de uma empresa especializada devido à sua complexidade de fabricação. Dificuldades tais como apresentar duas faces e trilhas muito próximas e de pequena espessura. As características de fabricação da placa estão apresentadas na figura 32. O protótipo foi soldado a manualmente com auxílio de uma pinça. Figura 28 – Circuito impresso(Altium) Face A Fonte Chave 1ºEstágio de amp. 2º Estágio de amp. LM741 Transmissor 2 Fonte: Próprio autor 37 Figura 29 – Circuito impresso(Altium) Face B Microcontrolador 12F675 Comparador LM393 Atuador Fonte: Próprio autor Figura 30 – Circuito PCB do protótipo, face A Fonte: Próprio autor Figura 31– Circuito PCB do protótipo, face B Fonte: Próprio autor 38 Figura 32 – Características do circuito impresso (Fabricante) Fonte: TEC-CI 5.3. Componentes eletrônicos O dispositivo é composto por vários componentes, cada um com suas características e funções no circuito. Para o correto funcionamento todos os componentes devem operar dentro dos parâmetros especificados pelos fabricantes. Os componentes utilizados são apresentados nas tabelas 1,2 e 3. Tabela 1 – Resistores e capacitores Componente Especificação Resistor 2,2 kΩ 2 unidades Resistor 10 kΩ 6 unidades Resistor 220 kΩ 2 unidades Resistor 47 kΩ 1 unidade Resistor 1kΩ 4 unidades Capacitor 100nF 4 unidades Fonte: Próprio autor Tabela 2 – Outros componentes Componentes BC846 Especificação Transistor Fusível Proteção Chave com trava Liga/Desliga Bateria lítio Duas unidades (Fonte) Transdutores Transmissão e recepção Cápsula piezoelétrica Atuador Placa (PCI) Circuito impresso Fonte: Próprio autor 39 Tabela 3 – Circuitos integrados Componente Especificação 12F675 Microcontrolador LM741 Amplificador LM393 Comparador Fonte: Próprio autor 5.4. Formas de utilização O projeto foi desenvolvido visando uma melhor interação e resultados na utilização do sensor. Dentre as possibilidades de utilizar o equipamento, podemos destacar a sua utilização acoplando o sensor a bengala ou ao braço conforme a figura 33. O sensor de obstáculos possui um velcro na sua estrutura que permite tanto encaixe como a retirada do mesmo com facilidade. Figura 33 – Formas de utilização do sensor Fonte:próprio autor 40 6. CONCLUSÃO O projeto visa a confeccionar um equipamento para auxiliar a locomoção de pessoas com deficiência visual, possibilitando a atenuação da dificuldade de deslocamento que essas pessoas têm de lidar durante sua vida. O desenvolvimento de um projeto direcionado a acessibilidade, buscando a sua produção em escala, é um diferencial do sensor de obstáculos desenvolvido apresentando uma taxa de amostragem variável, a verificação dos obstáculos, proporciona uma indicação da distância mais próxima da realidade com uma variação de 16 a 918 verificações por segundo. A placa de circuito impresso apresenta dimensões reduzidas com 2,4 x 4,5 cm, a forma compacta, leve e independente do sensor possibilita uma versatilidade na utilização. A cápsula piezoelétrica é responsável por indicar a distância dos obstáculos e permite uma maior autonomia de uso por ter um pequeno consumo de energia. Na sua estrutura foi fixada um velcro para possíveis variações na utilização, portanto o sensor de obstáculos pode ser acoplado a uma bengala ou no braço de acordo com a necessidade e escolha do usuário. Os testes permitiram verificar que quanto maiores as dimensões da cápsula piezoelétrica, melhor o estímulo sonoro e vibratório gerado. Em caso de ambiente com poluição sonora elevada o som gerado no atuador pode ser suprimido conforme verificado experimentalmente, assim o estímulo vibratório se torna a única forma de indicação de obstáculos. O primeiro protótipo apresentou o um bom desempenho, mas um aprimoramento e estudo é necessário para que se possa chegar a um projeto final de forma que atenda a necessidade das pessoas com deficiência visual e possa ser fabricado em maior escala a um custo acessível. Ao analisar o projeto e verificar possíveis melhorias foi constatado que o incremento de um motor vibrador opcional que será somado ao estímulo vibratório existente, acionado através de um botão já configurado no microcontrolador permite um estímulo mais intenso. Outro ajuste importante é adicionar outra região de verificação, assim o sensor possibilita dobrar a área verificada durante a caminhada. Mesmo com alterações a maior parte do circuito é preservada para possíveis melhorias. Para trabalhos futuros, pode ser sugerido o desenvolvimento de um sensor com duas regiões de verificação e o estudo do melhor estímulo ao usuário. Melhores formas de utilização do sensor de obstáculos e estudo do processo de fabricação industrial. 41 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGELECTRONICA, Sensor ultrassônico Disponível em: < http://www.agspecinfo.com/notas/Nota1/MDUAG_files/Medidorultrasonico.pdf> Acesso em: 1 jan. 2016. ALEXANDER, Charles K.; SADIKU, Matthew N.O. FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ELÉTRICOS. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2003 (reimpressão 2008). Boylestad, Robert L; Nashelesky, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª. Edição. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 2004. FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, Datasheet: Switching and Amplifier Applications. Electronic Publication 2002. HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol. 2. 8 ed. Editora LTC, 2009. HALLIDAY, RESNICK, WALKER. IGBE, Censo 2010 Disponível em: < http://www.pessoacomdeficiencia.gov.br/app/indicadores/censo-2010 > Acesso em: 12 Fev. 2016. KOBITONE, Transdutor ultrassônico, Disponível em:<http://www.mouser.com/catalog/specsheets/KT-400242.pdf > Acesso em: 12 jan. 2016. MARGRAF, Piezoelétricidade, Disponível em:< http://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_UFSC/Materiais_EEL_7051 /7_Materiais_Piezoeletricos.pdf > Acesso em: 9 jan. 2016. MICROCHIP, Datasheet: pic12f629/675. Electronic Publication, 2003. NATIONAL SEMICONDUCTOR, Datasheet: Operational Amplifier LM741. Electronic Publication 1998. PHILIPS SEMICONDUCTORS, Datasheet: comparator LM393. Electronic Publication 1995. PORTAL DO ARDUINO, Sensor ultrassônico Disponível em: < http://www2.joinville.udesc.br/~i9/2014/08/22/hands-arduino-lcdsensor-de-distancia/> Acesso em: 12 jan. 2016. SENA, Sérgio. Microcontroladores PIC. Publicação eletrônica. ULTRACANE, bengala eletrônica. Disponível em: < https://www.ultracane.com> Acesso em: 1 jan. 2016. 42 UFPR, Estrutura cristalina de um material piezoelétrico Disponível em:<http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/20061/Echotrekd606628a.htm l > Acesso em: 10 jan. 2016. 43 ANEXO A: Transistor BC846 44 45 46 ANEXO B: Comparador LM393 47 48 49 50 51 ANEXO C: Amplificador operacional LM741 52 53 54 ANEXO D: DATASHEET PIC12F675 55 56 57 58 59 ANEXO D: Código MPLAB IDE #INCLUDE<P12F675.INC> __config _INTRC_OSC_NOCLKOUT & _WDT_OFF & _PWRTE_OFF & _MCLRE_ON & _CP_OFF REF_L REF_H DEC DEC_8 EQU EQU EQU EQU 20h 21H 22H 23H ORG 0x00 GOTO INICIO ORG 0x04 TIGGER2 MOVLW D'15' MOVWF DEC_8 ; INTERRUPÇÃO ; ;Pulsos 15 ciclos BANKSEL GPIO BCF GPIO,GP0 BCF GPIO,GP1 ;Desligar atuadores TIGGER ;TRANSMISSÃO GP5 BANKSEL GPIO BSF GPIO,GP5 ;DUTY CICLE_H MOVLW D'3' MOVWF DEC NP2 DECFSZ DEC GOTO NP2 BANKSEL GPIO BCF GPIO,GP5 MOVLW D'3' MOVWF DEC NP3 DECFSZ DEC GOTO NP3 ;DUTY CICLE_L NOP NOP DECFSZ DEC_8 GOTO TIGGER ;15 Pulsos BANKSEL TMR1H CLRF TMR1H CLRF TMR1L ;Limpar registradores TIMER1 ESP_RUID MOVLW D'100' MOVWF DEC MOVWF DEC_8 ;LOOP Espera(ruÍdo da transmissão). ESP_RUID1 DECFSZ DEC GOTO ESP_RUID1 ESP_RUID2 DECFSZ DEC_8 GOTO ESP_RUID2 BANKSEL PIR1 MOVLW B'00000000' ;TMR1IF(0) Limpar em software 60 MOVWF PIR1 RETFIE INICIO ;GIE MOVLW B'11000000' MOVWF INTCON PEIE BANKSEL PIE1 MOVLW B'00000001' MOVWF PIE1 ;TMR1IE BANKSEL PIR1 MOVLW B'00000000' MOVWF PIR1 ;TMR1IF(0) Limpar em software BANKSEL T1CON MOVLW B'01000001' MOVWF T1CON ;TMR1GE BANKSEL OPTION_REG BCF OPTION_REG,7 BANKSEL WPU CLRF WPU BSF WPU,WPU2 TMR1ON ;LIGAR PULL-UP GP2 bcf STATUS,RP0 ;Bank 0 clrf GPIO ;Init GPIO movlw 07h ;Set GP<2:0> to movwf CMCON ;digital IO bsf STATUS,RP0 ;Bank 1 clrf ANSEL ;Digital I/O BANKSEL TRISIO MOVLW B'00011100' ;Definindo porta T1G COMO ENTRADA MOVWF TRISIO MAIN ESP_ECHO BTFSS GPIO,GP4 GOTO ESP_ECHO ;LOOP Espera sinal amplificado. MAIN1 BANKSEL GPIO BCF GPIO,GP0 BCF GPIO,GP1 COMPARACAO MOVF TMR1H,W MOVWF REF_H BANKSEL STATUS CLRF STATUS MOVF TMR1H,W SUBLW D'18' ;SE TMR_H>TIMER_H OU MENOR ;MOVER TMR1H PARA REF_H ;TMR1H COM REF=18 BTFSC STATUS,C GOTO MENOR GOTO MAIOR MAIOR ;1) Executar a ação ;1)Subtrair da referência 2)ligar timer01 e ir para tigger TMR1H-REF_H 61 BANKSEL GPIO BCF GPIO,GP0 BSF GPIO,GP1 ESPERA12 ESP12 MOVLW D'20' MOVWF DEC ESP22 DECFSZ DEC GOTO ESP22 DECFSZ REF_H GOTO ESP12 ;Ciclo espera ;REF_H=TMR1H CALL TIGGER2 ;CHAMAR INTERRUPÇÃO GOTO MAIN ;RETORNAR AO LOOP DE ESPERA MENOR BANKSEL GPIO BSF GPIO,GP0 BCF GPIO,GP1 ESPERA1 ESP1 MOVLW D'20' MOVWF DEC ESP2 DECFSZ DEC GOTO ESP2 ;Ciclo espera DECFSZ REF_H GOTO ESP1 ;REF_H=TMR1H CALL TIGGER2 GOTO MAIN ;CHAMAR INTERRUPÇÃO ;RETORNAR AO LOOP DE ESPERA END 62 ANEXO E: Orçamento circuito impresso