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trabalho
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Centro Universitário Positivo – UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação André Batista Alves
Sistema para Aferição de Inclinação em Veículos Off-Road
Curitiba
2006
ii
Centro Universitário Positivo – UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação André Batista Alves
Sistema para Aferição de Inclinação em Veículos Off-Road
Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Prof. Nestor Cortez Saavedra Filho.
Curitiba 2006
iii
TERMO DE APROVAÇÃO
André Batista Alves
Sistema para Aferição de Inclinação
em Veículos Off-Road
Monografia aprovada como requisito à conclusão do curso de Engenharia da
Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. Nestor Cortez Saavedra Filho (Orientador). Prof. Alessandro Zimmer. Prof. Valfredo Pilla Jr.
Curitiba, 11 de dezembro de 2006.
iv
AGRADECIMENTOS
Sinceros agradecimentos a todos que participaram diretamente e indiretamente
para a conclusão deste projeto.
Especialmente aos meus pais, Helena e Jesus que protagonizaram este
sucesso através da irretocável educação que recebi. A meus irmãos Ana Paula e
Bruno pela paciência e incentivo de fundamental importância. A minha namorada
Regiane pelo apoio em cada momento difícil com seu carinho e inestimável afeto.
Ao meu orientador Professor Nestor por sua sábia e generosa contribuição. Aos
meus professores que contribuíram com seus conhecimentos para a minha
formação profissional.
Enfim aos meus grandes colegas de turma e porque não dizer de batalha, pois
ao longo destes cinco anos fomos guerreiros e batalhamos para conquistar mais
uma vitória em nossas vidas, desejo a todos muito sucesso.
v
SUMÁRIO
RESUMO...................................................................................................................12
ABSTRACT ...............................................................................................................13
1.0 INTRODUÇÃO..................................................................................................14
1.1 Veículos Off-Road ..........................................................................................14
1.2 Características dos Veículos Off-Road ...........................................................14
1.2.1 Altura Máxima ......................................................................................14 1.2.2 Ângulo de Ataque.................................................................................14 1.2.3 Ângulo de Saída...................................................................................15 1.2.4 Inclinação Lateral Máxima ...................................................................15 1.2.5 Rampa Máxima ....................................................................................16
1.3 Acelerômetros.................................................................................................18
1.3.1 Acelerômetro ADXL203E .....................................................................21
1.4 Microcontroladores PIC ..................................................................................22
2.0 DESCRIÇÃO.....................................................................................................23
2.1 Introdução ao Tema do Projeto ......................................................................23
2.2 Motivação do Desenvolvimento ......................................................................23
2.3 Situação do Projeto no Contexto Geral ..........................................................24
2.4 Metas a Serem Alcançadas............................................................................24
3.0 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA ............................................................................25
3.1 Aspectos Funcionais.......................................................................................26
3.2 Especificação de Hardware ............................................................................26
3.2.1 Funções do Hardware..........................................................................26 3.2.2 Principais Componentes Utilizados......................................................26 3.2.3 Diagrama em Blocos Comentado ........................................................27 3.2.4 Ambiente de Desenvolvimento ............................................................29
3.3 Especificação do Firmware.............................................................................29
3.3.1 Linguagens e Ferramentas de Desenvolvimento.................................29 3.3.2 Interface com o Usuário. ......................................................................29 3.3.3 Fluxograma com Descrição..................................................................30
3.4 Especificação da Calibração ..........................................................................32
3.5 Estimativa de Investimento.............................................................................32
vi
4.0 PROJETO.........................................................................................................33
4.1 Hardware ........................................................................................................33
4.1.1 Aquisição..............................................................................................33 4.1.2 Processamento Analógico ...................................................................35 4.1.3 Processamento Digital .........................................................................39 4.1.4 Interface ...............................................................................................40 4.1.4.1 Display .................................................................................................40 4.1.4.2 Teclado ................................................................................................42 4.1.4.3 Buzzer ..................................................................................................45 4.1.4.4 Comunicação Serial .............................................................................45 4.1.4.5 Fonte de Alimentação ..........................................................................46 4.1.4.6 Mesa de Calibração .............................................................................46
4.2 Firmware.........................................................................................................48
4.2.1 Casos de Uso.......................................................................................48 4.2.2 Funcionalidades Implementadas no Firmware.....................................49 4.2.2.1 Menu de Opções..................................................................................49 4.2.2.2 Adicionar ou Remover Ângulos Críticos...............................................51 4.2.2.3 Pré-Configuração de Ângulos Críticos .................................................52 4.2.2.4 Posicionar ............................................................................................54 4.2.2.5 Inicia Monitoração ................................................................................56 4.2.2.6 Procedimento para Calibração do Inclinômetro ...................................58
5.0 CONCLUSÃO ...................................................................................................62
6.0 CRONOGRAMA ...............................................................................................63
7.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................64
8.0 ANEXOS...........................................................................................................66
9.0 CIRCUITOS IMPRESSOS................................................................................76
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Exemplo ângulo de ataque. .....................................................................15
Figura 2 – Exemplo de ângulo de saída....................................................................15
Figura 3 – Exemplo de inclinação lateral máxima. ....................................................16
Figura 4 – Exemplo de ângulo de inclinação máxima (rampa). ................................16
Figura 5 – Sistema massa-mola (Adaptado Analog Devices, 2002c). ......................19
Figura 6 – Elementos da construção de um micro-capacitor (Adaptado de Weinberg,
1999). .................................................................................................................20
Figura 7 – ADXL203 orientação e diagrama funcional em blocos (Adaptado Analog
Devices, 2004). ..................................................................................................21
Figura 8 – Exemplo de modelos comerciais de inclinômetro (Fabricante Sumex)....23
Figura 9 – Inclinação lateral direita. ..........................................................................24
Figura 10 – Inclinação lateral esquerda. ...................................................................24
Figura 11 – Inclinação de rampa positiva..................................................................24
Figura 12 – Inclinação de rampa negativa. ...............................................................24
Figura 13 – Diagrama gráfico em blocos do sistema completo.................................25
Figura 14 – Diagrama em blocos do hardware completo..........................................27
Figura 16 – Exemplo de visualização do ângulo e dos limites. .................................29
Figura 17 – Fluxograma funcional do firmware. ........................................................31
Figura 18 – Orientação X e Y do acelerômetro ADXL203E (Adaptado Analog
Devices, 2006). ..................................................................................................33
Figura 19 – Componente gravidade para inclinação X ou Y do acelerômetro. .........33
Figura 20 – Esquemático do acelerômetro ADXL203E.............................................34
Figura 21 – Esquemático do buffer com o amplificador operacional TL081. ............35
Figura 22 – Sensibilidade do acelerômetro a vibrações aleatórias. ..........................36
Figura 23 – Esquemático filtro passivo passa baixa. ................................................37
Figura 24 – Sinal sem filtro passa baixa. ..................................................................37
Figura 25 – Sinal com filtro passa baixa. ..................................................................38
Figura 26 – Esquemático PIC 18F458 para conversão A/D do sinal. .......................39
Figura 27 – Esquemático LCD 128x64 EW13B10-GLY (Adaptado Emerging Display,
1999). .................................................................................................................40
viii
Figura 28 – Esquema para ajuste do contraste (Adaptado Emerging Display, 1999).
...........................................................................................................................40
Figura 29 – Esquemático de interfaceamento do display. ........................................41
Figura 30 – Layout do teclado...................................................................................42
Figura 31 – Pinagem do 74LS148 (Adaptado Texas Instruments, 2004). ................42
Figura 32 – Tabela Funcional do 74LS148 (Adaptado Texas Instruments, 2004). ...43
Figura 33 – Esquemático teclado e codificador. .......................................................44
Figura 34 – Esquemático de interface com o buzzer. ...............................................45
Figura 35 – Esquemático comunicação serial...........................................................45
Figura 37 – Mesa de calibração. ...............................................................................47
Figura 38 – Posicionamento do inclinômetro na base móvel. ...................................47
Figura 39 – Casos de uso do firmware. ....................................................................48
Figura 40 – Tela de apresentação. ...........................................................................49
Figura 41 – Tela menu de opções.............................................................................49
Figura 42 – Fluxograma menu de opções.................................................................50
Figura 43 – Tela sobrescrever ângulos críticos.........................................................51
Figura 44 – Fluxograma adiciona ou remove ângulos críticos. .................................52
Figura 45 – Tela pré-configuração. ...........................................................................52
Figura 46 – Fluxograma pré-configuração de ângulos críticos..................................53
Figura 47 – Posicionamento ideal do inclinômetro....................................................54
Figura 48 – Ajuste da posição lateral em zero grau. .................................................54
Figura 49 – Ajuste da posição rampa em zero grau..................................................54
Figura 50 – Fluxograma posicionar. ..........................................................................55
Figura 51 – Tela de monitoração da inclinação. .......................................................56
Figura 52 – Fluxograma para monitoração dos ângulos. ..........................................57
Figura 53 – Tela calibrar. ..........................................................................................58
Figura 54 – (a) Mesa de calibração...........................................................................59
Figura 55 – (b) Mesa de calibração...........................................................................59
Figura 56 – Calibração lateral direita. .......................................................................59
Figura 57 – Calibração lateral esquerda. ..................................................................59
Figura 58 – Calibração rampa negativa. ...................................................................59
Figura 59 – Calibração rampa positiva......................................................................59
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Modelo de especificações técnicas de um veículo off-road (Toyota,
2001). .................................................................................................................17
Tabela 2 – Capacitor correspondente para ajuste da largura de banda (Adaptado
Analog Devices, 2004). ......................................................................................28
Tabela 3 – Estimativa de custo. ................................................................................32
Tabela 4 – Pinagem do display gráfico. ....................................................................41
Tabela 5 – Codificação para o teclado......................................................................43
Tabela 6 – Limites dos ângulos de inclinação lateral e rampa..................................51
Tabela 7 – Valores obtidos para calibração da inclinação lateral esquerda. ............60
Tabela 8 – Valores obtidos para calibração da inclinação lateral direita...................60
Tabela 9 – Valores obtidos para calibração da inclinação rampa positiva................61
Tabela 10 – Valores obtidos para calibração da inclinação rampa negativa. ...........61
x
LISTA DE SIGLAS
A/D: Conversão Analógico Digital.
MIPS: Milhões de Instruções por Segundo.
FLASH : Tipo de memória baseado no EEPROM.
EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory.
OTP: One-Time Programmable.
MEMS: Micro-ElectroMechanical Systems.
GPS : Global System Position.
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor.
BICMOS: Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor
SOT23: Plastic surface mouted package.
DIP: Dual in Package.
SOIC: Small Outline Integrated Circuit.
TQFP: Thin Quad Flat Pack.
USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter.
I2C: Método de codificação de sinais digitais para comunicação entre circuitos,
criado pela Philips.
SSP: Ponto de Comutação de Serviços.
USB: Universal Serial Bus.
PWM: Pulse-Width Modulation.
LIN: Local Interconnect Network.
CAN: Controller Area Network.
IrDA: Infrared Data Association.
RISC: Reduced Instruction Set Computer.
xi
LISTA DE SÍMBOLOS Ω - Ohm. Hz - Hertz. V - Volts. µF - micro Farad. mm - milímetros. rpm - rotações por minuto. Kgfm - kilograma força. Kg - kilograma. cm 3 - centímetros cúbicos. g - gravidade.
12
RESUMO
Os veículos off-road, em sua concepção inicial, foram projetados para fins
militares. São veículos bastante robustos e construídos para enfrentar inúmeras
condições adversas tais como, terrenos acidentados, alagados, transpasse de rios
etc. Atualmente para o uso civil, estes veículos são submetidos a competições que
atestam o limite de superação para obstáculos naturais ou artificiais. Nesta
situação, constantemente estes veículos atingem ângulos de inclinação crítica
lateral e frontal que podem causar o capotamento do veículo ou perda de tração,
conseqüentemente expondo o motorista e seus ocupantes a uma situação de
emergência. Com este projeto, propõe-se construir um sistema para aferição de
inclinação em veículos off-road, utilizando acelerômetro com tecnologia MENS, com
a finalidade de alertar, através de um aviso sonoro, o motorista sobre a eminência
das inclinações críticas.
Palavras-chave : inclinômetro, veículos off-road e acelerômetro.
13
ABSTRACT
The vehicles off-road, in its initial conception, was projected for military ends.
They are quite robust vehicles and built to face countless adverse conditions such
as, uneven, flooded lands, pass over of rivers etc. Now for the civil use, these
vehicles are submitted to competitions that attest the overcome limit for natural or
artificial obstacles. In this situation, constantly these vehicles reach angles of lateral
critical inclination and frontal that can cause the capsize of the vehicle or traction
loss, consequently exposing the driver and its occupants to an emergency situation.
With this project, intends to build a system for inclination measure in vehicles Off-
Road, using accelerometer with technology MENS, with the purpose of alerting,
through a sound warning, the driver on the prominence of the critical inclinations.
Keywords: inclinometer, vehicle off-road and accelerometer.
14
1.0 INTRODUÇÃO
1.1 Veículos Off-Road
O termo off-road é destinado aos veículos projetados para uso exclusivo em
pisos de terra, neve ou lama como por exemplo, os grandes caminhões utilizados
em industrias de mineração, tratores, escavadeiras e entre outros. Na década de 70
o termo se generalizou para todos os veículos com tração nas quatro rodas.
Atualmente estes veículos participam de competições onde o objetivo principal é
percorrer caminhos não convencionais ou terrenos acidentados, com grande nível
de dificuldade.
1.2 Características dos Veículos Off-Road
Para caracterizar um veículo off-road, deve-se conhecer as seguintes
especificações técnicas:
1.2.1 Altura Máxima
É a máxima altura do solo que o veículo possui. A medida pode ser feita a
partir da parte mais baixa do veículo como o diferencial. A média entre os veículos
off-road é de 22cm.
1.2.2 Ângulo de Ataque
É o ângulo que determina a aptidão do veículo para abordar um degrau mais
proeminente, ou seja, o ângulo formado pelo chão e uma subida ou por uma
descida e pelo chão, em que o veículo pode continuar em frente sem bater
componentes da suspensão ou pára-choque. Um bom veículo off-road tem ângulo
de ataque de no mínimo 30 graus. Quanto menor é a carroceria à frente das rodas,
maior o ângulo. Figura 1.
15
Figura 1 – Exemplo ângulo de ataque.
1.2.3 Ângulo de Saída
É o ângulo que determina a aptidão do veículo para sair de um obstáculo ou
seja, o ângulo formado por uma subida e pelo chão ou pelo chão e uma descida,
em que o veículo pode continuar em frente sem bater com o pára-choque traseiro,
pinos de reboque ou estepe no chão. Um bom veículo off-road tem ângulo de saída
de no mínimo 30 graus. Figura 2.
Figura 2 – Exemplo de ângulo de saída.
1.2.4 Inclinação Lateral Máxima
É a maior inclinação lateral em que o veículo off-road pode se deslocar para
frente sem causar capotamento. Quanto mais largo o veículo maior é a inclinação e
quanto mais alto e afastado do chão, menor. Figura 3.
16
Figura 3 – Exemplo de inclinação lateral máxima.
1.2.5 Rampa Máxima
É a rampa máxima que o veículo off-road pode subir ou descer. Os veículos
antigos eram limitados a 30 graus, o que é muito comparado aos 7 graus possíveis
para uma carreta carregada em piso de asfalto. O limite maior estava no sistema de
carburador que se não tivesse cuba lateral podia afogar ou não enviar gasolina para
o motor. Com o diesel ou motores modernos com injeção direta, estes valores foram
aumentados e os off-road atuais podem subir de 40 a 45 graus em média (Figura 4).
Figura 4 – Exemplo de ângulo de inclinação máxima ( rampa).
17
Exemplo de Especificação Técnica.
Os dados técnicos sobre o veículo podem ser obtidos através do manual do
proprietário. Na Tabela 1, pode-se observar diversos dados técnicos, ressaltando
em negrito, a inclinação lateral máxima e rampa.
Tabela 1 – Modelo de especificações técnicas de um veículo o ff-road (Toyota, 2001).
Modelo : TOYOTA BANDEIRANTES BJ50 LV- (BRASIL) Motor : Diesel, 4 cilindros em linha, dianteiro, longitudinal, injeção
direta, aspirado. Cilindrada: 3.661 cm3.
Potência: 96 cv a 3.400 rpm. Torque: 24,4 kgfm 2.200 rpm.
Transmissão: Tração traseira, dianteira opcional. Câmbio manual 5 marchas com reduzida.
Suspensão: Dianteira e traseira com eixo rígido, feixe de molas, barra estabilizadora na dianteira.
Freios: Dianteiros a disco ventilado, traseiro a tambor. Pneus: 750 x 16 ( 6 lonas) .
Carroceria: Em aço perfil fechado, 2 portas, 5 lugares. Dimensões: (Comprimento X Largura X Altura): 3.930 x 1.665 x 1.998
mm. Distância entre eixos: 2.285 mm.
Peso em ordem de marcha:
1.800 Kg.
Vel. máx.: N.D. Ângulo de Ataque: 40º
Ângulo de Saída: 31º Profundidade
Máxima: 500 mm
Vão Livre: 210 mm Inclinação Lateral
Máxima: 30º
Rampa Máxima 40º
18
1.3 Acelerômetros
Acelerômetros são dispositivos que utilizam princípios bastante conhecidos na
física, a Lei de Hooke e a segunda Lei do Movimento de Newton [HALLIDAY, 2001],
para medir aceleração, tornando-se possível a medição de velocidade e de posição
de um determinado objeto a partir da primeira e segunda integral da aceleração,
respectivamente.
O principio físico básico por trás da construção dos acelerômetros é o mesmo
de um sistema massa-mola apresentado na Figura 5. A mola, dentro de sua região
linear, é governada por um princípio físico conhecido como Lei de Hooke
[HALLYDAY, 2001]. Segundo ela, uma mola, quando esticada ou comprimida, exibe
uma força proporcional ao deslocamento sofrido em relação a sua posição de
repouso. A Lei de Hooke é expressa pela Equação 1:
kxF = (1)
Onde X é o deslocamento ou deformação da mola e K é a constante de
proporcionalidade entre o deslocamento X e a força aplicada F, ou seja, K é uma
característica da mola.
Outro princípio físico importante na construção de acelerômetros é o da
segunda Lei de Newton, o qual diz que um corpo de massa m, quando submetido a
uma aceleração a exibirá uma força F, conforme Equação 2:
amFrr
= (2)
A Figura 5 mostra um corpo de massa m preso a uma mola, que por sua vez
está presa a um sistema móvel. Se m sofrer uma aceleração em qualquer sentido,
pela Segunda Lei de Newton haverá uma força resultante. Esta força causará uma
compressão ou expansão da mola, de acordo com o sentido da aceleração
imprimida ao sistema. Portanto, igualando as duas forças, chega-se a Equação 3.
19
Figura 5 – Sistema massa-mola (Adaptado Analog Devices, 2002c).
Portanto, uma aceleração a causará na massa m um deslocamento X dado
pela Equação 3:
K
maX = (3)
ou, alternativamente, observando-se um deslocamento X, teremos que a aceleração
sofrida será dada pela Equação 4:
m
KXa = (4)
O sistema apresentado na Figura 5 é, portanto, análogo a um acelerômetro de
eixo simples. Para medir aceleração em dois ou três eixos, este sistema necessita
ser duplicado ou triplicado, respectivamente.
Existem vários tipos de sensores para medir aceleração, que utilizam além do
método de deslocamento de massa, potenciômetros, LVDT, piezelétricos e
capacitivos.
O acelerômetro do tipo capacitivo, possui como elemento sensor um capacitor
diferencial, cuja saída é proporcional a aceleração. Pode ser visto na Figura 6 um
exemplo desse capacitor, onde o movimento da haste central que se encontra
sobre duas hastes paralelas provoca uma variação proporcional da capacitância.
20
Figura 6 – Elementos da construção de um micro-capa citor (Adaptado de Weinberg, 1999).
A integração entre circuitos eletrônicos e elementos mecânicos dentro de um
chip de silício já é possível através da tecnologia MEMS (Micro-ElectroMechanical
Systems), dando origem a micro-sensores e micro-atuadores.
Enquanto que a parte eletrônica do chip é fabricada utilizando circuito
integrado (tecnologia CMOS, BIPOLAR ou BICMOS), os componentes micro-
mecânicos são fabricados usando parte da camada de silício, a qual forma a parte
eletrônica, ou então é adicionada uma nova camada estrutural de silício dedicada.
Estes já possuem uma vasta aplicação em diversos setores, que vão desde o
automotivo, muito usados em air-bags de automóveis, passando pelo setor
industrial, usado, por exemplo, para detectar vibração em motores, chegando ao
consumidor na construção, por exemplo, de aparelhos de orientação pessoal (GPS
– Global System Position). Os acelerômetros implementados em chips eletrônicos
podem ser de saída analógica, digital ou ambas as formas; ser de eixo simples,
duplo ou triplo.
21
1.3.1 Acelerômetro ADXL203E
O modelo de acelerômetro que será utilizado é o ADXL203E (Figura 7),
construído em chip eletrônico, baseado no princípio de micro-máquinas. O
ADXL203E detecta aceleração em dois eixos (eixos X e Y), gerando uma saída
analógica proporcional à aceleração dinâmica ou estática.
Figura 7 – ADXL203 orientação e diagrama funcional em blocos (Adaptado Analog Devices, 2004).
Característica Técnicas do ADXL203E:
• Eixos X e Y num único chip;
• Baixo Consumo: 700µA para tensão de alimentação típica (Vc = 5V);
• Faixa de Atuação +/- 1,7g (1,7 * 9,81m/s2);
• Resolução de 1mg (0.06º inclinação) para freqüências menores que 60Hz;
• Ajuste de largura de banda com um único capacitor;
• Resistente a impactos de até 3500g.
22
1.4 Microcontroladores PIC
Os PIC (PICmicro) são uma família de microcontroladores fabricados pela
Microchip Technology, com extensa variedade de modelos e periféricos internos,
com arquitetura Harvard [WEBER, 2001] e conjunto de instruções RISC (sets de 35
instruções e de 76 instruções), com recursos de programação por memória FLASH,
EEPROM e OTP. Os microcontroladores PIC têm famílias de 12 bits, 14 bits e 16
bits de processamento e trabalham em velocidade de 31kHz a 40MHz usando ciclo
de instrução mínimo de 4 períodos de clock o que permite uma velocidade de no
máximo 10 MIPS. Há o reconhecimento de interrupções tanto externas como de
periféricos internos.
Funcionam com tensões de alimentação de 2V a 6V e os modelos possuem de
6 a 100 pinos em diversos encapsulamentos (SOT23, DIP, SOIC, TQFP).
Características em destaque dos PIC:
• Conversores Analógico-Digitais de 8 a 12 bits;
• Contadores e timers de 8 e 16 bits;
• Comparadores Analógicos;
• USARTs;
• Controladores de comunicação I2C, SSP, USB;
• Controladores PWM;
• Periféricos para LIN e CAN;
• Controladores Ethernet;
• Periféricos IRDA;
• Codificadores para criptografia Keeloq;
• Watchdog timer;
• Portas digitais com capacidade de 20mA (fornecer ou drenar) para
acionamento de circuitos externos;
• Osciladores internos.
23
2.0 DESCRIÇÃO
2.1 Introdução ao Tema do Projeto
No mundo automobilístico os veículos considerados off-road, possuem
características atípicas comparando com os veículo de passeio.
Projetados para atuar em terrenos acidentados e sobre condições de tempo
desfavoráveis, são veículos robustos submetidos a condições extremas. Nas
diversas competições existentes, os veículos off-road são submetidos a terrenos
bastante irregulares onde existem trechos de inclinação crítica que podem provocar
o capotamento do veículo ou perda de tração.
2.2 Motivação do Desenvolvimento
A grande maioria dos inclinômetros disponíveis para veículos off-road são
construídos utilizado o princípio do pêndulo amortecido [HALLIDAY, 2002] ou
potenciômetros. A escala de medida desses inclinômetros, conforme observado na
Figura 8, é de difícil leitura e não possui recursos de configuração para alertar
previamente ao motorista sobre os ângulos críticos de inclinação especificados no
manual do veículo, sendo assim, a motivação desse projeto é construir um sistema
que alerte ao condutor do veículo através de um sinal sonoro a eminência da
inclinação crítica.
Figura 8 – Exemplo de modelos comerciais de inclinô metro (Fabricante Sumex).
24
2.3 Situação do Projeto no Contexto Geral
O acelerômetro, utilizado como elemento sensor para medir inclinação é uma
das diversas aplicações que estes dispositivos possuem, destacando, por exemplo,
orientação espacial, analise de vibrações e impactos. O inclinômetro é um dos
equipamentos obrigatórios em competições de veículos off-road, portanto com a
elaboração desse projeto, pretende-se demonstrar a versatilidade do acelerômetro
baseado na tecnologia MENS na construção de circuitos eletrônicos de pequeno
porte que atendam soluções práticas.
2.4 Metas a Serem Alcançadas
A meta do projeto e construir um sistema de aferição de inclinação lateral
(Figura 9 e 10) e rampa (Figura 11 e 12) de veículos off-road, utilizando
acelerômetros de tecnologia MENS com uma margem de erro de até 5% e escala
de medida variando entre –60º à 60º com incrementos de 5º, podendo ser
configurado para qualquer veículo através da inserção dos dados de inclinação
crítica lateral e rampa especificados no manual do fabricante ou utilizar as pré-
configurações existentes, com o intuito de alertar ao motorista através de um aviso
sonoro a eminência da inclinação crítica evitando o capotamento do veículo ou
perda de tração.
Figura 9 – Inclinação lateral direita.
Figura 10 – Inclinação lateral esquerda.
Figura 11 – Inclinação de rampa positiva.
Figura 12 – Inclinação de rampa negativa.
25
3.0 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
Na especificação técnica é apresentada uma prévia descrição geral do projeto.
A Figura 13, mostra as etapas do sistema, dividido em:
a) Aquisição dos dados;
b) Processamento analógico;
c) Conversão A/D e Processamento Digital;
d) Interface com Usuário (Display Gráfico, Teclado e Buzzer).
Figura 13 – Diagrama gráfico em blocos do sistema c ompleto.
26
3.1 Aspectos Funcionais
Na aquisição será utilizado o acelerômetro ADXL203E que possui saída
analógica, com amplitude proporcional a aceleração da gravidade estática sendo
necessário após a aquisição, o tratamento do sinal através de um arranjo de filtros
[PERTENCE, 2003] com o intuito de eliminar o efeito da vibração causada pelo
motor do veículo ou pelo terreno acidentado.
Utilizado um microcontrolador PIC18F458 para realizar a conversão A/D e
posteriormente o processamento dos dados obtidos do acelerômetro e dados
fornecidos pelo usuário, para que o microcontrolador possa atuar nos elemento de
saída do sistema, alertando ao motorista através de aviso sonoro a eminência dos
ângulos críticos.
3.2 Especificação de Hardware
3.2.1 Funções do Hardware
A configuração do hardware será projetada para ter um comportamento
totalmente autômato, ou seja, não dependendo na fase de aquisição dos dados, de
manipulação ou configuração do usuário para que possa realizar seus objetivos.
Na fase de processamento e interação com o usuário faz-se necessário a
inserção ou seleção de dados pelo usuário, para que o sistema possa decidir sobre
atuar ou não nos elementos de interface.
3.2.2 Principais Componentes Utilizados
• Acelerômetro ADXL203E;
• Microcontrolador PIC18F458;
• Display Gráfico EW13B10GLY;
• Buzzer DC PA-1340AT;
27
3.2.3 Diagrama em Blocos Comentado
Figura 14 – Diagrama em blocos do hardware completo .
Aquisição: O acelerômetro ADXL203E será posicionado horizontalmente para aferir
a inclinação do veículo em relação ao solo. Figura 15.
O sinal proveniente do acelerômetro ADXL203E é proporcional a aceleração
estática para os eixos X e Y representando respectivamente os ângulos de
inclinação lateral e rampa. Para o ajuste da banda de freqüência será utilizando um
Figura 15 – Orientação espacial em relação ao solo (Adaptado Analog Devices, 2002c).
28
capacitor cerâmico de 4,7µF para limitar a banda de freqüência em 1Hz, conforme
pode ser visto na Tabela 2.
Tabela 2 – Capacitor correspondente para ajuste da largura de banda (Adaptado Analog Devices, 2004).
Largura de Banda (Hz) Capacitor (µF)
1 4,7
10 0,47
50 0,10
100 0,05
200 0,027
500 0,01
Processamento Analógico: Utilizando um filtro passa baixa com um freqüência de
corte abaixo de 1Hz, pretende-se diminuir a sensibilidade do acelerômetro para a
captura do sinal proporcional a aceleração estática para os eixos X e Y.
Processamento Digital: Realiza-se nesta fase a conversão A/D do sinal proveniente
do processamento analógico através do microcontrolador PIC18F458, para serem
utilizados no processamento, interagindo os elementos da interface.
Interface: A interface com o usuário e composta por:
• Display: para visualização dos ângulos, dos limites de inclinação crítica e
possíveis configurações (Figura 16);
• Teclado: meio pelo qual o usuário irá realizar a entrada dos dados para
alimentar o sistema e iniciar a monitoração do inclinômetro;
• Buzzer: Será os elementos de saída para alertar o motorista da eminência
dos ângulos críticos.
29
Figura 16 – Exemplo de visualização do ângulo e dos limites.
3.2.4 Ambiente de Desenvolvimento
O ambiente de desenvolvimento para programação do microcontrolador será o
MPLAB utilizando a linguagem C e compilador PCWH da CCS. Para efetuar a
gravação do código gerado pelo compilador, será utilizado o IC-PROG [GIJNZEN,
2005].
Para desenho do diagrama esquemático e simulação do funcionamento dos
circuitos será utilizado o Proteus versão 6.5 da LabCenter Eletronics.
3.3 Especificação do Firmware
3.3.1 Linguagens e Ferramentas de Desenvolvimento A linguagem escolhida para desenvolvimento do firmware para o inclinômetro
será a linguagem C.
3.3.2 Interface com o Usuário.
A interface do sistema com o usuário e feita através de um display gráfico onde
serão observados graficamente os ângulos de inclinação lateral direita e esquerda,
inclinação de rampa positiva ou negativa e seus limites respectivamente. A figura
Figura 16 é um exemplo de visualização gráfica que poderá ou não ser utilizado no
projeto. E o teclado onde o usuário poderá interagir com o sistema.
30
3.3.3 Fluxograma com Descrição
As funções previstas para o firmware são:
• Visualização dos ângulos de inclinação no display de forma numérica e
gráfica;
• Procedimento para seleção das configurações de fábrica;
• Inserção ou Seleção dos ângulos:
o Inclinação Crítica Lateral Direita (ICLD);
o Inclinação Crítica Lateral Esquerda (ICLE);
o Rampa Crítica Positiva (RCP);
o Rampa Crítica Negativa (RCN).
O fluxograma funcional do firmware destaca os processos principais para o
funcionamento do inclinômetro conforme especificação do projeto (Figura 17).
31
Início
Configuraçãodo
Inclinômetro
IniciaMonitoração
X = Lê ovalor da
InclinaçãoLateral
Y = Lê ovalor da
Inclinaçãode Rampa
ICLD > Xou
ICLE < X
RCP > You
RCN < Y
Ângulo X e Y
FimMonitoração
Fim
Sim
Não
Sim
Não
Sim
Não
Seleção dos ÂngulosCríticos
ICLD ou ICLERCP ou RPN
Alerta SonoroÂngulo CríticoLateral Direitoou Esquerdo
Alerta SonoroÂngulo Crítico
RampaPositiva ouNegativa
Figura 17 – Fluxograma funcional do firmware.
• ICLD - Inclinação Crítica Lateral Direita • ICLE - Inclinação Crítica Lateral Esquerda • RCP – Rampa Crítica Positiva • RCN – Rampa Crítica Negativa
32
3.4 Especificação da Calibração
Para efetuar a calibração do inclinômetro, será construída uma mesa de
calibração para verificação e validação do dispositivo.
3.5 Estimativa de Investimento
Considerando os componentes utilizados e a quantidade de horas trabalhadas
é apresentada na Tabela 3 à estimativa de investimento/custo para a construção de
uma unidade do inclinômetro. Não estão sendo computados os custos de utilização
dos equipamentos do laboratório tais como osciloscópios, fontes simétricas, gerador
de funções etc. bem como os softwares utilizados nos laboratórios do Curso de
Engenharia da Computação do UnicenP, o que encareceria enormemente os custos
do projeto. Também não estão sendo computados os custos relativos a
componentes passivos e elementos utilizados na construção da mesa para calibrar
o inclinômetro.
Tabela 3 – Estimativa de custo. Recurso Quantidade Custo Unitário (R$) Custo (R$)
Acelerômetro ADXL203E 1 56,20 56,20
Cristal 20MHz 1 2,00 2,00
PIC18F458 1 21,81 21,81
EW13B10-GLY 1 159,50 159,50
74LS148 1 1,50 1,50
LM7805 1 1,75 1,75
PT5022A 1 75,60 75,60
Buzzer DC PA-1340AT 1 3,00 3,00
TL081 2 1,70 3,40
MAX232N 1 3,00 3,00
Transistor 2N2222 2 1,50 3,00
Horas de Trabalho 660 7,50 4.950,00
Total 5.280,76
33
4.0 PROJETO
Na fase de projeto são apresentados os módulos de Hardware e Firmware
implementados para a conclusão deste projeto.
4.1 Hardware
4.1.1 Aquisição
Para aquisição foi utilizado o acelerômetro ADXL203E como elemento sensor
para aferir a inclinação nos eixos X e Y (Figura 18) conforme a variação da
aceleração estática sofrida quando o acelerômetro é inclinado (Figura 19). Com
escala máxima de ±1,7g (1,7 X 9,81 m/s²) em relação à superfície.
Figura 18 – Orientação X e Y do acelerômetro ADXL20 3E (Adaptado Analog Devices, 2006).
Figura 19 – Componente gravidade para inclinação X ou Y do acelerômetro.
34
Para evitar que ruídos provenientes da fonte de alimentação possam prejudicar
o funcionamento adequado do acelerômetro, utilizou-se um capacitor de 100nF para
desacoplamento recomendado pelo fabricante.
Para garantir a redução de ruídos e fazer uma filtragem antialiasing (sinais de
sombra que parecem existir quando a freqüência de amostragem não é
suficientemente grande), utilizaram-se capacitores de 4,7µF na saída dos eixos X e
Y. O valor do capacitor é especificado no datasheet do acelerômetro e obtido
através do cálculo padrão de freqüência de corte para largura de banda de -3dB
(Equação 5), onde R é o resistor interno ao acelerômetro de valor 32KΩ com ± 25%
de tolerância, para obter uma freqüência de corte de aproximadamente 1Hz
(Equação 6).
O pino ST (Figura 20), é utilizado para realização do self test, quando
submetido uma tensão de 5 volts, apresenta nas saídas X e Y uma tensão de
750mV constatando o estado normal do acelerômetro. Conforme esquemático da
Figura 20, o pino ST foi mantido aberto.
Figura 20 – Esquemático do acelerômetro ADXL203E.
CRfc
...2
1
π= (5)
Hzfc 58,17,4.32..2
163
≅= −π (6)
35
4.1.2 Processamento Analógico
Para efeitos de casamento de impedância e proteção entre o acelerômetro e o
filtro passa baixa, foi adicionado um buffer (Figura 21) utilizando um amplificador
operacional TL081, que possui uma impedância de entrada da ordem de 1012 Ω
configurado como não inversor e com ganho unitário, para cada eixo X e Y.
Figura 21 – Esquemático do b uffer com o amplificador operacional TL081.
Depois de submetido ao buffer o sinal proveniente do acelerômetro, pode-se
observar que o acelerômetro ADXL203E possui uma sensibilidade de 1mg
equivalente a 0.06º, que aliado as vibrações causadas pelo motor [MELO E
GERGES, 2004] ou solavancos no veículo provocaram uma instabilidade na saída
do sinal para os eixos X e Y (Figura 22).
Considerando que a principal fonte de vibração do veículo off-road é o motor
que gera vibrações e ruídos em uma ampla faixa de freqüência com altas
amplitudes Este comportamento é geralmente responsável pela excitação dos
demais componentes do carro. A principal fonte de vibração do motor é o
movimento dos pistões. Em motores de quatro cilindros e quatro tempos, este
movimento gera grandes amplitudes de vibração na direção paralela ao eixo dos
cilindros. Esta excitação é relacionada à segunda ordem de giro do virabrequim e
sua faixa de atuação vai, geralmente, de 30 a 200 Hz, correspondendo à
velocidades de 900 a 6000 rpm do motor a diesel, respectivamente.
36
Figura 22 – Sensibilidade do acelerômetro a vibraçõ es aleatórias.
Para reduzir esta sensibilidade, foi utilizado um filtro passa baixa passivo
(Figura 23) com freqüência de corte de 0,5Hz (Equação 7) composto por um
capacitor de 1µF e um resistor variável de 500KΩ ajustado para uma resistência de
270KΩ.
Eliminando as freqüências acima de 0,5Hz pode-se constatar uma mudança
significativa na sensibilidade para os eixos X e Y O resultado comparativo pode ser
visto nas Figura 24 e Figura 25.
Hzfc 589,01.270..2
13
≅=µπ
(7)
37
Figura 23 – Esquemático filtro passivo passa baixa.
Figura 24 – Sinal sem filtro passa baixa.
38
Figura 25 – Sinal com filtro passa baixa.
A relação sinal/ruído é a diferença, em dB, entre o nível máximo de amplitude
que pode ser representado numa determinada resolução e o ruído do sistema.
Calculado pela equação (Equação 8) especificada no datasheet, onde BW e a
largura de banda de 1Hz obtendo aproximadamente 0,14 mg de resolução
(Equação 9).
)6,1.).(110
( BWHz
grmsRuído
µ= (8)
mgHz
grmsRuído 14,0)6,1.1).(
110( ≅= µ
(9)
39
4.1.3 Processamento Digital
Os sinais referentes aos eixos X e Y após o processamento analógico, são
injetado nos pinos AN0 e AN1 (Figura 26) respectivamente do microcontrolador
PIC18F458 que possui internamente um conversor A/D configurado para 8bits.
Escalonado segundo a Equação 10, com uma tensão de referência de 5 volts
obtendo a resolução de 19,60mV (Equação 11).
)12(Re
−=
Bits
fVntoEscaloname (10)
mVV
ntoEscaloname 60,19)12(
58
≅−
= (11)
Figura 26 – Esquemático PIC 18F458 para conversão A /D do sinal.
40
4.1.4 Interface
4.1.4.1 Display
Utilizando o display gráfico de 128x64 dots modelo EW13B10-GLY que utiliza
três controladores KS0108 representados na Figura 27 como IC1, IC2 e IC3.
Para o ajuste do contraste o módulo LCM (Figura 28) já fornece a tensão
negativa. O fabricante recomenda valores entre 10KΩ e 20KΩ para o resistor VR.
Utilizou-se um resistor variável de 20KΩ, ajustado para VR igual a 15KΩ.
Figura 27 – Esquemático LCD 128x64 EW13B10-GLY (Adaptado Emerging Display, 1999).
Figura 28 – Esquema para ajuste do contraste (Adaptado Emerging Display, 1999).
41
A interface com o microcontrolador PIC18F458 pode ser vista no esquemático
da Figura 29.
Figura 29 – Esquemático de interfaceamento do displ ay.
As funções de cada pino presentes no display estão descritos na Tabela 4.
Tabela 4 – Pinagem do display gráfico.
Pino Acionamento Função
CS1 Alto Seleciona Chip IC1
CS2 Alto Seleciona Chip IC2
RST Baixo Reset
D/I Alto/Baixo Alto: In Dados
Baixo : In Código de Instrução
R/W Alto/Baixo Alto: Lê Dados (LCD → MPU)
Baixo : Escreve Dados (LCD ← MPU)
E Alto,
Alto→Baixo
Habilita Sinal
D0...D7 Alto/Baixo Barramento de Dados
42
4.1.4.2 Teclado
Composto por 7 botões sendo 4 direcionais e 3 de seleção, representados por:
• Botão 1: Seta para Esquerda;
• Botão 2: Seta para Cima;
• Botão 3: Seta para Direita;
• Botão 4: Seta para Baixo;
• Botão 5: Confirma;
• Botão 6: Cancela;
• Botão 7: Inicia/Para.
Os botões direcionais 1, 2, 3, 4 e os botões de seleção 5, 6 e 7 serão utilizados
para a interação com o sistema (Figura 30).
Figura 30 – Layout do teclado.
Foram utilizados push-butons normalmente aberto com configuração pull-up
(Figura 33) para os botões e um decodificador 74LS148 (Figura 31) para conversão
BCD de 8 linhas de dados para 3 linhas binárias conforme tabela lógica da Figura
32.
Figura 31 – Pinagem do 74LS148 (Adaptado Texas Instruments, 2004).
43
Figura 32 – Tabela Funcional do 74LS148 (Adaptado Texas Instruments, 2004).
Ao ser pressionado um botão, ocorre uma queda de tensão interpretada como
nível lógico baixo acionando o codificador 74LS148 que responde com a saída
binária do botão pressionado, e sinaliza nível lógico alto na saída EO que é utilizado
para gerar o tratamento da interrupção do teclado, conforme pode ser visto na
Tabela 5 .
Tabela 5 – Codificação para o teclado.
Saídas Entradas
Binário Decimal Interrupção Botão
Pressionado 0 1 2 3 4 5 6 7 A2 A1 A0 A EO
1: Seta Direita 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 6 1
2: Seta Cima 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5 1
3: Seta Esquerda 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 4 1
4: Seta Baixo 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 3 1
5: Confirma 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 2 1
6: Cancela 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1
7: Para/Continua 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1
Nenhum 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 0
44
O esquemático completo do circuito construído para o teclado pode ser visto
na Figura 33.
Figura 33 – Esquemático teclado e codificador.
45
4.1.4.3 Buzzer Para o funcionamento do buzzer DC PA-1340AT foi utilizado uma interface com
o microcontrolador, onde o pino 7 realiza o disparo do transistor 2N2222, para
fornecer uma corrente de 60 mA suficiente para o acionamento do buzzer DC
(Figura 34).
Figura 34 – Esquemático de interface com o b uzzer.
4.1.4.4 Comunicação Serial
Para realização da comunicação serial com o dispositivo foi utilizado o circuito
integrado MAX232 (Figura 35), com a finalidade de programação do
microcontrolador e eventuais testes de funcionamento.
Figura 35 – Esquemático comunicação serial.
46
4.1.4.5 Fonte de Alimentação
A fonte de alimentação é constituída de reguladores de tensão para converter a
tensão de entrada 12 volts para 5 volts com o LM7805. Para a alimentação negativa
do amplificador operacional TL081 foi utilizado um conversor DC/DC PT5022N que
converte a tensão de 5 volts em -5 volts (Figura 36).
Para proteção contra inversão de polaridade na fonte foi utilizado o retificador
W04 de 30 volts.
4.1.4.6 Mesa de Calibração
A mesa de calibração e constituída das seguintes partes:
1 - Base de fixação do Inclinômetro;
2 - Mesa ajustável;
3 - Rampa móvel com medidores de nível;
4 - Transferidor com resolução de 1º;
5 - Eixo com parafuso para fixação da rampa móvel.
Figura 36 – Esquemático fonte de alimentação.
47
Figura 37 – Mesa de calibração.
Figura 38 – Posicionamento do inclinômetro na base móvel.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
48
4.2 Firmware
O projeto de Firmware foi elaborado com programação estruturada em
linguagem C utilizando o compilador CCS. [PEREIRA, 2003]. Para efetuar a
gravação do Firmware no microcontrolador PIC18F458 foi utilizado o IC-PROG
[GIJNZEN, 2005].
4.2.1 Casos de Uso
Nos casos de uso, definem-se os atores e as interações, neste caso o ator é o
usuário do inclinômetro e suas interações com o sistema, como visto na Figura 39.
Usuário
<<uses>>
<<uses>>
<<uses>>
<<uses>>
Add/RemÂngulos Críticos
Pré-Configurações deÂngulos Críticos
Posicionar
Monitoração
Figura 39 – Casos de uso do firmware.
49
4.2.2 Funcionalidades Implementadas no Firmware
4.2.2.1 Menu de Opções
Ao iniciar o inclinômetro, aparecera uma tela de apresentação (Figura 40).
Figura 40 – Tela de apresentação.
Em seguida será exibida a tela de opções para que o usuário selecione uma
opção através das teclas direcionais (Figura 41).
Figura 41 – Tela menu de opções.
O fluxograma da Figura 42 elucida os processo de decisão para a escolha de
um dos procedimentos de operação do inclinômetro.
50
Inicio
Fim
Carrega a FunçãoEscolhida
Adiciona ouRemove Ângulos
Seleciona PréÂngulos
Posicionar
Iniciar Monitoração
Não
Sim
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Não
Figura 42 – Fluxograma menu de opções.
51
4.2.2.2 Adicionar ou Remover Ângulos Críticos
O usuário conhecendo os ângulos críticos através da especificação técnica do
seu veículo poderá realizar a inserção dos ângulos críticos lateral direito, lateral
esquerdo, rampa positiva e rampa negativa respeitando os limites mínimos e
máximos descritos na Tabela 6. Estes valores serão armazenados em memória
EEPROM do microcontrolador PIC18F458 para posterior utilização em cada nova
inicialização do sistema.
Tabela 6 – Limites dos ângulos de inclinação latera l e rampa. Limites
Ângulo Mín. Máx.
Inclinação Lateral Direita 0º 60º
Inclinação Lateral Esquerda 0º -60º
Inclinação Rampa Positiva 0º 60º
Inclinação Rampa Negativa 0º -60º
Caso ocorra uma nova inserção, o usuário será notificado de que a
configuração salva em memória EEPROM será sobrescrita, selecionando a opção
“SIM” os dados serão sobrescritos e “NÃO” retornara ao menu de opções.
Figura 43 – Tela sobrescrever ângulos críticos.
O fluxograma da Figura 44 mostra o processo de inserção dos ângulos críticos.
52
Inicio
Fim
DesejaSobrescrever
Configuração?
Insira oÂnguloCríticoLateralDireto
Insira oÂnguloCríticoLateral
Esquerdo
Insira oÂnguloCríticoRampaPositiva
Insira oÂnguloCríticoRampa
Negativa
Insira onome da
configuraçãopara salvar
Sim
Não
Figura 44 – Fluxograma adiciona ou remove ângulos c ríticos.
4.2.2.3 Pré-Configuração de Ângulos Críticos
O usuário não conhecendo os ângulos críticos de seu veículo poderá optar por
selecionar as pré-configurações existentes no inclinômetro incluindo a configuração
que o usuário inseriu previamente. Após a seleção da configuração, está será a
opção carregada a cada nova inicialização do sistema.
Figura 45 – Tela pré-configuração.
53
O fluxograma da Figura 46, mostra as três configurações possíveis de fábrica e
a configuração do usuário.
Inicio
Fim
Carrega aconfiguração
escolhida paramonitoração
SelecionaConfigração
Usuário
SelecionaConfigração Jeep
Willys
SelecionaConfiguraçãoToyota BJ50
SelecionaConfigração Troller
2006
Sim
Não
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Não
Figura 46 – Fluxograma pré-configuração de ângulos críticos.
54
4.2.2.4 Posicionar
Este procedimento irá auxiliar o usuário no posicionamento correto do
inclinômetro em seu veículo, que consiste em nivelar o dispositivo com auxilio da
base ajustável, que permite os movimentos destacados nas Figura 48 e 49, a fim de
até atingir zero grau para os ângulos lateral e rampa, obtendo assim uma correta
aferição da inclinação (Figura 47).
Figura 47 – Posicionamento ideal do inclinômetro.
Figura 48 – Ajuste da posição lateral em zero grau.
Figura 49 – Ajuste da posição rampa em zero grau.
55
Fluxograma da função posicionar (Figura 50).
Início
Lê o valorda
inclinaçãolateral
Lê o valorda
inclinaçãorampa
Exibeânguloslateral erampa
Fim Posicionar
Fim
Sim
Não
Figura 50 – Fluxograma posicionar.
56
4.2.2.5 Inicia Monitoração
A monitoração da inclinação inicia-se após a configuração do inclinômetro com
a carga dos valores para os ângulos críticos, que estão alocados na memória
EEPROM, para memória de programa e destacados na tela de monitoração (pontos
pretos sobre os arcos direito e esquerdo correspondendo a inclinação lateral e
rampa Figura 51).
Com uma taxa de amostragem de 100ms para cada nova leitura dos ângulos
lateral e rampa, o conversor A/D do microcontrolador realiza a conversão do sinal
proveniente do acelerômetro para os eixos X e Y, armazenando os valores nas
variáveis X e Y que serão submetidas a um procedimento de decisão, onde estes
valores serão comparados com os valores de inclinação crítica lateral direita, lateral
esquerda, rampa positiva e rampa negativa caso sejam maiores que os limites
máximos ou menores que os limites mínimos é acionado um alerta sonoro
diferenciando para cada eixo, informando ao usuário que o veículo ultrapassou os
valores de inclinação crítica lateral ou de rampa.
Os valores dos ângulos aferidos, utilizando uma escala de 0º a 60º com
incrementos de 5º, serão exibidos no display gráfico de duas formas diferentes:
numérica e gráfica. Figura 51.
Figura 51 – Tela de monitoração da inclinação.
Limite do Ângulo Crítico de Rampa
Positivo
Limite do Ângulo Crítico de Rampa
Negativo
Limite do Ângulo Crítico Lateral
Esquerdo
Limite do Ângulo Crítico Lateral
Direito
Representação Numérica
Representação Gráfica
57
O fluxograma da Figura 52 mostra o procedimento para aferição dos ângulos.
Início
Lê o valor daconversão A/D
para a inclinaçãolateral e subtrai
127
Lê o valor daconversão A/D
para a inclinaçãorampa e subtrai
127
ICLD > Xou
ICLE < X
RCP > You
RCN < Y
Ângulo X e Y
FimMonitoração
Fim
Sim
Não
Sim
Não
Sim
Não
Alerta Sonoropara InclinaçãoCrítica Lateral
Direita ouEsquerda
Alerta Sonoropara InclinaçãoCrítica Rampa
Positiva ouNegativa
Figura 52 – Fluxograma para monitoração dos ângulos .
• ICLD - Inclinação Crítica Lateral Direita • ICLE - Inclinação Crítica Lateral Esquerda • RCP – Rampa Crítica Positiva • RCN – Rampa Crítica Negativa
58
4.2.2.6 Procedimento para Calibração do Inclinômetro
A tela calibrar não estará disponível na versão final do inclinômetro Off-Road,
apenas será utilizada na etapa de calibração do dispositivo. A tela exibe os valores
de conversão do A/D para cada eixo, trabalhando com um off-set de 127 que
corresponde à tensão 2,5 volts para o acelerômetro posicionado paralelamente a
superfície, indicando assim o ângulo 0º para os eixos X e Y.
Os ângulos X e Y representados na (Figura 53) por “ANG. X” e “ANG. Y” são
os valores para os ângulos calculados segundo a Equação 12.
Figura 53 – Tela calibrar.
)arcsin(
g
VVoffsetVout
∆∆−=θ
(12)
Onde:
• Vout = saída do acelerômetro em volts; • Voffset = offset do acelerômetro em 0g; • ∆V/∆g = Sensibilidade.
O valor de θ esta em radianos, convertendo em graus através da Equação 13.
πθα
.2.180= (13)
Valores da Conversão A/D
Valores dos Ângulos
Calculados
59
Com a visualização dos ângulos e dos valores de conversão A/D
correspondentes no display, foi calibrado o inclinômetro, com auxilio da mesa de
calibração devidamente nivelada na superfície.
Figura 54 – (a) Mesa de calibração.
Figura 55 – (b) Mesa de calibração.
Figura 56 – Calibração lateral direita.
Figura 57 – Calibração lateral esquerda.
Figura 58 – Calibração rampa negativa.
Figura 59 – Calibração rampa positiva.
60
Os valores obtidos foram utilizados como referência para a definição dos
ângulos aferidos pelo inclinômetro.
Tabela 7 – Valores obtidos para calibração da incli nação lateral esquerda.
Conversão A/D Ângulo de Inclinação
Lateral Esquerda Margem de Erro - Margem de Erro +
0º -1 0 1
5º 3 4 5
10º 7 8 9
15º 12 13 14
20º 16 17 18
25º 21 22 23
30º 25 26 27
35º 29 30 31
40º 32 33 34
45º 35 36 37
50º 38 39 40
55º 41 42 43
60º 44 45 46
Tabela 8 – Valores obtidos para calibração da incli nação lateral direita.
Conversão A/D Ângulo de Inclinação
Lateral Direita Margem de Erro - Margem de Erro +
0º 0 -1 -2
-5º -3 -4 -5
-10º -7 -8 -9
-15º -12 -13 -14
-20º -16 -17 -18
-25º -21 -22 -23
-30º -25 -26 -27
-35º -29 -30 -31
-40º -32 -33 -34
-45º -35 -36 -37
-50º -38 -39 -40
-55º -41 -42 -43
60º -44 -45 -46
61
Tabela 9 – Valores obtidos para calibração da incli nação rampa positiva.
Conversão A/D Ângulo de Inclinação
Rampa Positiva Margem de Erro - Margem de Erro +
0º -1 0 1
5º 3 4 5
10º 7 8 9
15º 12 13 14
20º 16 17 18
25º 21 22 23
30º 25 26 27
35º 29 30 31
40º 32 33 34
45º 35 36 37
50º 38 39 40
55º 41 42 43
60º 44 45 46
Tabela 10 – Valores obtidos para calibração da incl inação rampa negativa.
Conversão A/D Ângulo de Inclinação
Rampa Negativa Margem de Erro - Margem de Erro +
0º 0 -1 -2
-5º -3 -4 -5
-10º -7 -8 -9
-15º -12 -13 -14
-20º -16 -17 -18
-25º -21 -22 -23
-30º -25 -26 -27
-35º -29 -30 -31
-40º -32 -33 -34
-45º -35 -36 -37
-50º -38 -39 -40
-55º -41 -42 -43
-60º -44 -45 -46
62
5.0 CONCLUSÃO
O protótipo em sistema embarcado desenvolvido para o inclinômetro off-road,
atendeu os objetivos estabelecidos em sua especificação inicial, cumprindo com os
testes de validação do projeto e atestando de maneira satisfatória seu
funcionamento em campo.
Existe um interesse comercial futuro em realizar um estudo e levantamento da
viabilidade econômica para lançar este equipamento no mercado, visto que durante
a fase de conclusão do projeto foi noticiado através da imprensa especializada o
lançamento do veículo off-road denominado Fiat Idea Adventure, que dentre seus
equipamentos de série destaca-se o inclinômetro para aferir a inclinação lateral e de
rampa do veículo.
Com a conclusão do primeiro protótipo funcional, observou a versatilidade do
dispositivo, que pode ser adaptado para aferir ângulos de inclinação com maior
resolução e para medidas de aceleração, com grande utilidade na indústria
automobilística, aviação, engenharia civil dentre outras.
63
6.0 CRONOGRAMA
64
7.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[HALLIDAY, 2002] Halliday, David. Fundamentos de Física. Volume 1 Mecânica,
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Janeiro 2002.
[WEBER, 2001] Weber, Raul Fernando. Fundamentos de Arquitetura de
Computadores, 2º Edição, Editora Sagra Luzzatto, São Paulo 2001.
[PERTENCE, 2003] Pertence, Antônio Jr. Amplificadores Operacionais e Filtros
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[VALKENBURG, 1982] Valkenburg, M. E. Van. Analog Filter Design, Oxford
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[PEREIRA, 2003] Pereira, Fábio. PIC Programação em C. 4º Edição, Editora Érica,
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[MELO E GERGES, 2004] Melo, Rafael de; Gerges, Samir N. Y. Artigo:
Sensibilidade Acústica da Cavidade Veicular a Excitações do Sistema de
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65
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Freeware. Disponível em http://www.ic-prog.com/ e-mail [email protected].
66
8.0 ANEXOS
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68
69
70
71
72
73
74
75
76
9.0 CIRCUITOS IMPRESSOS
77
Placa Principal Visão Superior
78
Placa Principal Visão Inferior
79
Placa Teclado Visão Superior
Placa Teclado Visão Inferior
80
Placa ADXL203 Visão Superior
