Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza ... 40ª EXCUTE/Eletrônica... · Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA

Bengala Eletrônica

Enrico Diniz Merizio

Heitor Augusto da Silva Matheus Silva Oliveira

Pedro Giovanni Frangiotti Fracasso Rodrigo Loiola e Silva

Professor Orientador: Salomão Choueri Junior

São Caetano do Sul / SP 2014

Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza

GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO

Etec “JORGE STREET”

Bengala Eletrônica

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como pré-requisito para obtenção do Diploma de Técnico em Eletrônica.

São Caetano do Sul / SP 2014

DEDICATÓRIA Dedicamos nosso trabalho de conclusão de curso a todos os nossos familiares, amigos e companheiros de classe que nos ajudaram por todo ano e por todo carinho e incentivo que nos deram.

AGRADECIMENTOS Agradecemos imensamente à todos os nossos professores que nos deram incentivo, confiança e nos passaram o conhecimento necessário para a realização deste trabalho, além é claro, de nos auxiliarem durante esse ano inteiro. Agradecemos também aos nossos familiares que durante todo o curso nos incentivaram e nos deram todo o tipo de apoio, para conseguirmos concluir mais esta fase de nossas vidas.

RESUMO

A “Bengala Eletrônica” é um projeto pensado por nós para facilitar a vida dos deficientes visuais e deixá-los mais independentes, além é claro, da questão da inclusão social dos deficientes visuais na sociedade. A “Bengala Eletrônica” funciona da seguinte maneira: ela possui um sensor ultrassônico que detecta os obstáculos e os transforma em sinais de vibração (motor de vibração em uma pulseira) e sonoros (bips em fone de ouvido) inversamente proporcionais à distância do obstáculo detectado, ou seja, quanto mais perto do obstáculo, mais constantes são os bips e vibrações e quanto mais longe do obstáculo, menos constantes são os bips e vibrações.

Palavras-chave: facilidade; inclusão social; deficiência visual.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Espectro de sons ...................................................................................... 10

Figura 2 - Comprimento de onda ............................................................................... 11

Figura 3 - Detecção de objetos ................................................................................. 11

Figura 4 - Sensor ultrassônico HC-SR04 .................................................................. 12

Figura 5 - Gráfico de tempos e pulsos do HC-SR04 ................................................. 13

Figura 6 - Emissão e captação do sinal ultrassônico ................................................ 13

Figura 7 - Gama efetiva do HC-SR04 ....................................................................... 14

Figura 8 - Tabela de informações sobre o componente ............................................ 15

Figura 9 - Dimensões do HC-SR04 ........................................................................... 15

Figura 10 - circuito explicativo ................................................................................... 16

Figura 11 - Onda quadrada ....................................................................................... 16

Figura 12 - Ciclo de trabalho de 50% ........................................................................ 17



Figura 15 - Diagrama em blocos ............................................................................... 18

Figura 16 - Circuito estável do circuito integrado 555 ............................................... 19

Figura 17 - Circuito elétrico completo ........................................................................ 20

Figura 18 - Circuito Oscilador de frequência e interface de potência ........................ 21

Figura 19 - Layout da placa com os circuitos oscilador e de interface ...................... 22

Figura 20 - Tabela de componentes .......................................................................... 23

Figura 21 - Fluxograma do processo ......................................................................... 25

Figura 22 - Software Completo .................................................................................. 29

Figura 23 - Croqui ..................................................................................................... 30

Figura 24 - Bolsa para acoplamento das placas e conectores .................................. 30

Figura 25 - Pulseira vibratória ................................................................................... 31

Figura 26 - Visão frontal do suporte .......................................................................... 32

Figura 27 - Visão traseira do suporte ........................................................................ 33

Figura 28 - Cronograma geral ................................................................................... 33

Figura 29 - Teste dos pinos ECHO e TRIGGER do sensor HC-SR04 ...................... 34

Figura 30 - Produto final ............................................................................................ 36

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 8

TEMA E DELIMITAÇÃO .............................................................................................. 8

OBJETIVOS – GERAIS E ESPECÍFICOS .................................................................. 8

JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 8

METODOLOGIA .......................................................................................................... 8

PESQUISA DE CAMPO .............................................................................................. 8

1 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................... 10

1.1 - ULTRASSOM .................................................................................................... 10

1.1.1 - SENSOR ULTRASSÔNICO ........................................................................... 12

1.1.2 - FUNCIONAMENTO DO SENSOR ................................................................. 12

1.1.3 - INFORMAÇÕES IMPORTANTES SOBRE O COMPONENTE ...................... 14

1.2 - PWM ................................................................................................................. 15

2 - PLANEJAMENTO E DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ................................ 18

2.1 - PARTE ELETRÔNICA ...................................................................................... 18

2.1.1 - DIAGRAMA EM BLOCOS .............................................................................. 18

2.1.2 - HARDWARE .................................................................................................. 19

2.1.3 - LAYOUT ......................................................................................................... 21

2.1.4 - LISTA DE MATERIAIS ................................................................................... 22

2.2 - PARTE LÓGICA ................................................................................................ 24

2.2.1 - FLUXOGRAMA DO PROCESSO................................................................... 24

2.2.2 - SOFTWARE ................................................................................................... 26

2.3 - PARTE MECÂNICA .......................................................................................... 29

2.3.1 - CROQUI ......................................................................................................... 29

2.3.2 - ENGENHARIA DO PRODUTO ...................................................................... 30

2.4 - CRONOGRAMA ................................................................................................ 33

2.5 - TESTES REALIZADOS ..................................................................................... 33

2.6 - PROBLEMAS ENCONTRADOS E SOLUÇÕES ADOTADAS .......................... 34

3 - RESULTADOS OBTIDOS .................................................................................... 35

4 - CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ....................................... 37

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 38

ANEXO A .................................................................................................................. 39

ANEXO B .................................................................................................................. 40

APÊNDICE A – DATASHEET CI 555 ........................................................................ 41

8

Introdução

Nosso grupo inicialmente teve 10 ideias de projeto para realizarmos como TCC mas o projeto escolhido foi, a “Bengala Eletrônica”. As quais ideias eram: de um detector de vazamento de gás, um relógio, uma ponte automática, um detector de chuva para para-brisa, um chuveiro elétrico, um armário para cadeirantes, um semáforo inteligente, uma biblioteca automática, um detector de metal e uma lixeira eletrônica. O grupo discutiu as características de cada trabalho e atribuiu notas, segundo os seguintes critérios: pertinência, relevância, viabilidade e identificação. Após a atribuição de notas de acordo com esses critérios somamos as notas e fizemos uma média final, chegando aos três melhores projetos, e assim o grupo discutiu outros critérios, conseguindo chegar ao consenso de fazer a Bengala Eletrônica para deficientes visuais. A “Bengala eletrônica” é uma bengala feita para deficientes visuais, com o intuito de facilitar a locomoção deles. Tema e delimitação

Inclusão social dos deficientes visuais na sociedade. Objetivos – gerais e específicos

A Bengala seria feita com o intuito de facilitar a vida dos deficientes visuais e para aprofundarmos nossos conhecimentos no funcionamento dos circuitos utilizados no projeto. Justificativa

Fazer a bengala seria muito importante para os deficientes, porque além de poder evitar acidentes eles podem se tornar cada vez mais independentes e fazer diversas atividades sozinhos, que não faziam antes, na rua ou em qualquer outro lugar. Metodologia

O primeiro passo que tomamos para iniciar o trabalho foi realizar uma pesquisa de campo com os futuros usuários do produto. Para isso fomos nos seguintes institutos de cegos: ADEVA e Padre Chico, para conseguirmos compreender as reais dificuldades dos deficientes visuais em seu dia-a-dia, fizemos pesquisas de tipos de bengala para cegos que encontramos no mercado, para melhor adaptarmos nosso sistema na bengala. Pesquisa de Campo

O grupo tinha algumas dúvidas sobre como finalizar o projeto para melhor atender os deficientes visuais e para sanar essas dúvidas o professor orientador sugeriu que fizéssemos uma pesquisa de campo com os deficientes visuais.

9

Primeiramente, fizemos um questionário (Anexo A) e fomos realizar a pesquisa na instituição ADEVA (Associação de Deficientes Visuais e Amigos), na realização dessa pesquisa, o grupo descobriu que era necessário fazer mudanças no questionário, para continuar a pesquisa. As mudanças que o grupo julgou necessário fazer no questionário foram feitas e o grupo foi realizar a segunda parte da pesquisa de campo (Anexo B) no Colégio para deficientes visuais Padre Chico, também em São Paulo. Ao término da pesquisa de campo o grupo conseguiu definir o que precisava para o projeto. O resultado da pesquisa de campo mostrou que a bengala a ser utilizada deveria ser do tipo roller e que os obstáculos deveriam ser avisados por meio de sons (Fone de Ouvido) e vibrações (Pulseira) e a pesquisa também mostrou que os deficientes julgaram o nosso projeto útil

10

1 – Fundamentação Teórica

Neste capítulo apresentaremos as tecnologias utilizadas para o desenvolvimento do projeto “Bengala Eletrônica”. 1.1 - Ultrassom

O princípio de funcionamento do ultrassom está relacionado com biônica, pois se baseia no sonar dos morcegos. Os morcegos se orientam no escuro por um mecanismo chamado "ecolocalização" ou "sonar dos morcegos". Estes animais emitem gritos, que consistem em ondas de altíssima frequência, inaudíveis pelo homem, emitidos pela boca ou pelas narinas. Esses impulsos de ultrassom, ao atingirem um objeto, são refletidos em forma de ecos e captados pelos ouvidos. Com esse sonar, os morcegos conseguem identificar, quando voando, a natureza do ambiente que os circunda, bem como a forma e dimensão do objeto. Esse sistema de comunicação utilizado pelos morcegos é bem semelhante ao que é utilizado pelo sensor ultrassônico HC-SR04, que utilizamos para a realização nosso projeto e que está especificado nos capítulos abaixo. As frequências que são utilizadas para comunicação ultrassom não são audíveis ao ser humano.

(Disponível em: http://ameliapedrosa.com.sapo.pt/FM5/Som/Espectro%20Sonoro.htm)

Figura 1 - Espectro de sons

O espectro de sons acima mostra que o Ser Humano consegue escutar sons com uma frequência de até 20 kHz, e o ultrassom está acima dessa frequência de 20 kHz. Mas, por que usar os ultrassons em sensores e não sons comuns? Além de não sermos incomodados com o barulho, pois não podemos ouvir os ultrassons, existem outras propriedades importantes que devem ser levadas em conta. Os sons e ultrassons, como qualquer tipo de vibração possuem uma intensidade, frequência e comprimento de onda. O comprimento de onda, que nos interessa em especial, é a distância entre dois pontos de compressão máxima ou mínima de uma onda, conforme mostra a figura 2.

11

(Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/3484-mec081)

Figura 2 - Comprimento de onda

Se a frequência do som aumenta, a distância entre esses pontos diminui, ou seja, temos comprimentos de onda menores. Esse comprimento é importante, pois determina as dimensões dos objetos em que ele pode refletir. De fato, os sons comuns produzem o eco pela reflexão em objetos. No entanto, para refletir, o objeto deve ter dimensões maiores do que o comprimento de onda emitido. Assim, se desejamos que um sensor seja capaz de detectar pequenos objetos por reflexão, o som emitido deve ter pequeno comprimento de onda, ou seja, deve ter uma frequência muito alta, na faixa dos ultrassons. Um sinal de 33 kHz, por exemplo, tem um comprimento de onda de 1 cm. Essa será, portanto a ordem de grandeza do menor objeto que um sensor que use um sinal desta frequência pode detectar, conforme mostra a figura 3.


Figura 3 - Detecção de objetos

12

A distância em que o objeto se encontra pode ser facilmente determinada pelo tempo que o som leva para ir e voltar.

1.1.1 - Sensor Ultrassônico

O sensor escolhido para o desenvolvimento do projeto foi o sensor ultrassônico HC-SR04.

Figura 4 - Sensor ultrassônico HC-SR04

Pinos: Vcc – alimentação 5V (DC) Trig – pulso de entrada no trigger Echo – pulso de saída no echo Gnd – 0V (terra) 1.1.2 - Funcionamento do Sensor

Para verificar o funcionamento do sensor HC-SR04 é necessário alimentar o módulo e colocar o pino Trigger em nível alto por mais de 10us. Assim o sensor emitirá uma onda sonora que ao encontrar um obstáculo rebaterá de volta em direção ao módulo, sendo que neste tempo de emissão e recebimento do sinal, o pino ECHO ficará em nível alto.

*A formula utilizada é o seguinte:

Distância = [Tempo ECHO em nível alto* Velocidade do som] / 2

A velocidade do som pode ser considerada idealmente igual a 340m/s, logo o resultado é obtido em metros, se considerado o tempo em segundos. Na fórmula a divisão por 2

13

deve-se ao fato de que a onda é enviada e rebatida, logo ela percorre duas vezes a distância procurada. O diagrama temporal da figura abaixo ilustra o que foi dito:

(Disponível em: http://users.ece.utexas.edu/~valvano/Datasheets/HCSR04b.pdf)

Figura 5 - Gráfico de tempos e pulsos do HC-SR04

A figura abaixo representa como a onda ultrassônica enviada pelo emissor é refletida e volta para o receptor.


Figura 6 - Emissão e captação do sinal ultrassônico

14

(Disponível em:https://docs.google.com/document/d/1Y-yZnNhMYy7rwhAgyL_pfa39RsB-

x2qR4vP8saG73rE/edit?pli=1)

Figura 7 - Gama efetiva do HC-SR04

A figura acima representa a gama efetiva alcançada pelo HC-SR04, que chega a cerca de 30°. 1.1.3 - Informações Importantes sobre o Componente

Tensão de operação 5 V (DC)

Corrente de operação 15 mA

Frequência de operação 40kHz

Distância Máxima 4 m

Distância Mínima 2 cm

Sinal de entrada (Trigger) 10uS pulso TTL

Sinal de saída (Echo) Sinal TTL positivo, proporcional à distância do obstáculo detectado.

Dimensões 45mm x 20mm x 15mm

15

Figura 8 - Tabela de informações sobre o componente

(Disponível em:https://docs.google.com/document/d/1Y-yZnNhMYy7rwhAgyL_pfa39RsB-

x2qR4vP8saG73rE/edit?pli=1)

Figura 9 - Dimensões do HC-SR04

1.2 - PWM

A sigla PWM (Pulse Width Modulation), em português significa modulação por largura de pulso. Modular a largura do pulso é basicamente, mudar a largura do ciclo de trabalho ou ciclo ativo, em inglês, duty cycle. O ciclo de trabalho em ondas quadradas (sinal que é utilizado em nosso trabalho) é dado por: DC% = t x100

T Onde: t = duração do tempo em nível alto T = período

16

Para explicar mais facilmente o princípio do PWM, utilizamos um circuito hipotético, explicativo, como o da figura 10. Neste, temos um interruptor que quando acionado faz com que o motor receba 6V e funcione com 100% de potência. Quando o interruptor não está pressionado, o motor não recebe energia e simplesmente não funciona.

Figura 10 - circuito explicativo

Vamos supor que consigamos pressionar e soltar o interruptor um grande número de vezes por segundo, de tal forma que metade do tempo ele fica ligado e metade desligado. O resultado seria uma onda quadrada como o da figura 11.

(Disponível em: http://www.pnca.com.br)

Figura 11 - Onda quadrada

No exemplo acima o tempo t1 corresponde ao tempo que o interruptor fica pressionado e t2 o tempo que ele fica livre. Como neste caso t1 é igual a t2, durante a metade do tempo o motor recebe a tensão de 6V e na outra metade ele recebe 0V. A tensão média, figura 12, aplicada ao motor é neste caso de 3V, ou seja, 50% da tensão da bateria.

17


Figura 12 - Ciclo de trabalho de 50%

É claro que não é possível usar um interruptor em um circuito com PWM, pois não conseguiríamos pressioná-lo na velocidade necessária. Mas o PWM pode ser feito de diversas maneiras, no caso do nosso projeto o PWM foi feito por software. Abaixo temos imagens de outras ondas quadradas moduladas em outros ciclos de trabalho, utilizando a mesma situação exemplo mostrada acima neste capítulo.




18


2 - Planejamento e desenvolvimento do Projeto

Este capítulo apresenta como foi todo o decorrer do projeto, desde o início, contendo a parte lógica, a parte eletrônica e a parte mecânica do projeto, além é claro do cronograma feito pelo grupo para organizar melhor o trabalho. 2.1 - Parte Eletrônica

Neste capítulo é explicado todo o funcionamento da parte elétrica do projeto, contendo o circuito e suas entradas e saídas. 2.1.1 - Diagrama em Blocos

O diagrama em blocos mostra todas as entradas e saídas que contém em nosso projeto e por onde passam essas entradas e saídas, no caso no microcontrolador ATMEGA328, como podemos ver no esquema abaixo (Figura 15).

Figura 15 - Diagrama em blocos

19

2.1.2 - Hardware

A parte elétrica do projeto (hardware), é relativamente simples. Tudo passa pelo microcontrolador ATMEGA328. O microcontrolador possui um circuito básico, onde o componente mais importante é um cristal de 16MHz que é responsável por fornecer a velocidade de processamento do microcontrolador. No pino 3 do microcontrolador está ligada uma interface de potência para que Forneça a corrente necessária(80mA) para o funcionamento do motor de vibração e esta, por sua vez, está conectada ao motor de vibração. Nas saídas 4 e 5 do microcontrolador estão ligados os pinos trigger e echo, do sensor HC-SR040. E o pino 14 do microcontrolador está conectado a um circuito integrado 555, que faz parte de um circuito de oscilador que gera uma freqüência de 2400Hz (sinal audível) através da fórmula:

Figura 16 - Circuito estável do circuito integrado 555

Para conectar o fone de ouvido na saída desse oscilador colocam-se três resistores em série para controlar a corrente e a tensão no fone, sendo que um deles é variável para controlar o volume no fone de ouvido. A alimentação da “Bengala Eletrônica” é feita por quatro pilhas, tipo AA. A figura abaixo mostra o circuito elétrico completo utilizado para o desenvolvimento da “Bengala Eletrônica”.

20

Figura 17 - Circuito elétrico completo

No circuito abaixo (figura 18) estão representados o circuito de interface de potência para o motor de vibração, o circuito oscilador de frequência e a ligação do sensor ultrassônico HC-SR04, para ficar mais clara a visualização.

21

Figura 18 - Circuito Oscilador de frequência e interface de potência

2.1.3 - Layout

Na figura abaixo (Figura 19), está o layout do circuito oscilador de frequência e interface de potência para o motor de vibração DC, feito em uma placa virgem

22

Figura 19 - Layout da placa com os circuitos oscilador e de interface

2.1.4 - Lista de materiais

A tabela abaixo mostra todos os componentes utilizados no circuito e a denominação utilizada para identifica-los.

23

Figura 20 - Tabela de componentes

Lista de Materiais com identificação no Esquema Elétrico

Identificação Descrição

CI1 Microcontrolador - ATMEGA328

CI2 Temporizador - 555

R1 e R6 Resistor de carbono - 10kΩ x 1/4W

R2 e R5 Resistor de carbono - 4k7Ω x 1/4W

R3 Resistor de carbono - 2k7Ω x 1/4W

R4 Resistor de carbono - 1kΩ x 1/4W

P1 Trimpot - 33kΩ

C1 e C2 Capacitor cerâmico - 22pF

C3 e C5 Capacitor cerâmico - 100nF

C4 Capacitor cerâmico - 10nF

X1 Cristal - 12MHz

D1 Diodo - 1N4148

Q1 Transistor NPN amplificador - BC548

CN1 e CN2 Conector molex - pequeno - 2 vias - macho

HC-SR04 Módulo Sensor Ultrassônico

24

2.2 - Parte Lógica

A parte lógica da “Bengala Eletrônica”, é a parte mais complexa do nosso projeto e este capítulo contém tudo que é necessário para entender o funcionamento da parte lógica, como: fluxograma do processo e o programa implementado, bem como a linguagem de programação utilizada. 2.2.1 - Fluxograma do processo

O fluxograma abaixo (figura 21) é a representação esquemática do processo funcional da “Bengala eletrônica”, ou seja, representa a sequência das operações que ocorrem no processo. Primeiramente a inicialização do software é feita, depois o processo aguarda a leitura da distância feita pelo sensor, para comparar se a distância é maior/igual a um metro, se sim, a distância é convertida em freqüência, proporcional à distância e vai para o motor de vibração (PWM) e para a saída do fone de ouvido, e depois o processo volta ao seu início, se não o processo volta ao seu início.

25

Figura 21 - Fluxograma do processo

26

2.2.2 - Software

Para o desenvolvimento do programa foi utilizada linguagem C e a IDE do arduíno, e o programa foi gravado no microcontrolador ATMEGA328. Essa IDE possui funções prontas, e para utiliza-las basta inserir alguns comandos. No caso do nosso projeto foram utilizadas duas dessas funções: a função “Tone” para gerar a frequência para o controle da oscilação no fone de ouvido, a função “analogWrite” para gerar uma onda quadrada modulada por PWM para controlar a potência no motor e também a biblioteca “NewPing” que configura o módulo HC-SR04 e simplifica a leitura da distância. Descrição das funções: “analogWrite”: gera uma onda quadrada em PWM de 490Hz em um pino, variando o ciclo de trabalho através de um valor de 0( 0%) a 255(100%), como mostra abaixo:

“Tone”: gera uma onda quadrada de 50% de ciclo de trabalho em um pino, especificando a frequência desejada em hertz, podendo indicar a duração em milissegundos:

Caso não indique a duração o pino continuará emitindo o sinal até que use o comando “noTone”:

Porém, ao utilizar a função “tone” juntamente com a biblioteca “NewPing”, o programa não é compilado e apresenta-se a seguinte mensagem:

Uma das soluções para isso é utilizar a biblioteca “NewTone”, ela funciona da mesma maneira do que a biblioteca “tone”. A única diferença é a substituição do comando “tone” por “NewTone” e “noTone” por “noNewTone”. Com isso solucionamos o problema do “vector7”. Mas quando as funções “NewTone” e “analogWrite” são utilizadas no mesmo programa, a função “NewTone” não funciona devidamente. Para isso opta-se por gerar a onda PWM “manualmente” sem utilizar a função “analogWrite”, assim substituindo esse comando por esse conjunto de instruções:

27

Como o comando “analogWrite” possui uma frequência de 490Hz, o seu período dura 2ms, assim a soma do tempo em nível alto com o tempo em nível baixo terá que ser sempre igual a 2ms. Com isso foi possível implementar o programa final:

28

29

Figura 22 - Software Completo

2.3 - Parte Mecânica

Neste capítulo são mostradas as ideias iniciais de como ficaria o projeto e o seu resultado final. A bengala para deficientes visuais foi comprada. A bengala é do tipo roller, onde usa-se o método de rolar a sua ponteira no chão. Utilizamos a bengala roller por dois motivos, o primeiro é que ela foi apontada na pesquisa de campo como melhor do que a bengala do tipo ponteira fixa, onde usa-se o método de bater no chão a ponteira, e o segundo motivo é que entendemos que rolar a bengala seria melhor do que bate-la no chão, já que estamos utilizando um sensor que é um dispositivo sensível. 2.3.1 - Croqui

No croqui abaixo (Figura 23) é representada a nossa ideia inicial de como ficaria o produto final do nosso projeto.

30

Figura 23 - Croqui

2.3.2 - Engenharia do Produto

Uma das maiores dificuldades que o grupo imaginava enfrentar era aonde acoplar as placas, o motor de vibração e o sensor ultrassônico, que deveria ficar junto à bengala. Para o acoplamento das placas usamos uma bolsa de pano (Figura 24), emborrachada e acoplamos a chave liga/desliga, a entrada para fone de ouvido, o conector para alimentação do motor de vibração, o conector de alimentação do sensor e o suporte das quatro pilhas AA.

Figura 24 - Bolsa para acoplamento das placas e conectores

Para o deficiente visual perceber a vibração inversamente proporcional à distância do obstáculo e para não vibrar a bengala, optamos por colocar o motor de vibração em uma pulseira. A pulseira vibratória foi feita à partir de uma munhequeira e costurada para fixar o motor de vibração, a pulseira final está representada na figura 25.

31

Figura 25 - Pulseira vibratória

O sensor ultrassônico foi uma preocupação grande do grupo, para acopla-lo à bengala de um modo que ele ficasse protegido e em uma posição que sua gama efetiva não detectasse o chão como obstáculo, influenciando assim no funcionamento do projeto. A partir de simulações do movimento do deficiente visual ao utilizar a bengala, chegamos ao valor do ângulo em que deveria ser colocado o suporte do sensor, 52° em relação à bengala. O suporte foi feito de acrílico com 52° de inclinação em relação à bengala, o encaixe do suporte com a bengala está foi rebitado para ficar muito bem fixado e para a proteção do sensor fizemos um molde de espuma emborrachada branca, que fica em torno dele. O suporte final está mostrado nas figuras abaixo.

32

Figura 26 - Visão frontal do suporte

33

Figura 27 - Visão traseira do suporte

2.4 - Cronograma

O cronograma abaixo (Figura 28) mostra todas as tarefas realizadas pelo grupo e os responsáveis pelas tarefas, na primeira linha estão as tarefas e na segunda linha os responsáveis por ela, com a data prevista de realização em preto e a data real de realização em verde.

Figura 28 - Cronograma geral

2.5 - Testes realizados

Para o desenvolvimento da “Bengala Eletrônica”, tivemos que fazer alguns testes. O componente principal a ser testado era o sensor ultrassônico HC-SR04, onde precisávamos saber o funcionamento exato dos pinos ECHO e TRIGGER. A figura abaixo representa os sinais dos pinos ECHO e TRIGGER, em azul e amarelo, respectivamente. O ECHO, em azul, mostra o retorno da freqüência quando o TRIGGER, em amarelo recebe um pulso de 10us.

34

Figura 29 - Teste dos pinos ECHO e TRIGGER do sensor HC-SR04

2.6 - Problemas encontrados e soluções adotadas

O maior problema encontrado pelo grupo para o desenvolvimento do projeto foi para fazer o software, que foi desenvolvido por arduíno e tivemos problemas nos conflitos das bibliotecas “analogWrite” e “NewTone”. O outro grande problema encontrado pelo grupo foi para acoplar as placas do hardware (na bolsinha) com o sensor (na ponta da bengala), e para a solução deste problema usamos flat cabe e colocamos espaçadores para o flat cable na bengala.

35

3 - Resultados Obtidos

A bengala eletrônica é constituída por um sensor ultrassônico de distância, esse sensor detectará os obstáculos e o atraso do sinal recebido pelo sensor será transformado em sinal sonoro (bips), fones de ouvido e tons de vibração, através de um motor. O usuário terá a opção de conectar um fone de ouvido, para os tons sonoros funcionarem em conjunto com os tons de vibração, que poderão ser acionadas por um botão liga/desliga. Esses tons serão proporcionais à distância detectadas pelo sensor. As vibrações e os tons de bip só serão ouvidos pelo usuário, se ele optar em conectar um fone de ouvido ou a pulseira, ou então pode optar pelos dois juntos. Depois de alguns ajustes, o produto final da “Bengala eletrônica” alcançado pelo grupo está mostrado na figura abaixo.

36

Figura 30 - Produto final

37

4 - Conclusões e Desenvolvimentos futuros

Para concluirmos o projeto e chegarmos ao produto final enfrentamos alguns problemas e tivemos algumas dificuldades para solucioná-los, mas conseguimos encontrar saídas e resolver esses problemas. O desenvolvimento da “Bengala Eletrônica” contribuiu imensamente para o desenvolvimento profissional de todos os componentes do grupo, aprendemos tecnologias novas que não aprenderíamos nas aulas normais do curso, como por exemplo arduíno e o sensor ultrassônico e no convívio do grupo, durante o ano todo aprendemos a lidar com as dificuldades do dia-a-dia causadas pelo convívio em grupo. Os objetivos iniciais traçados pelo grupo foram alcançados, mas melhorias que o grupo vê como complementares no projeto existem, como por exemplo: deixar o sistema todo sem fio, pro RF(Radiofrequência) e adicionar mais um sensor na bengala, para detectar buracos.

38

Referências bibliográficas

CRUZ, Eduardo Cesar Alves; JUNIOR, Salomão Choueri. Eletrônica Aplicada. São Paulo: Editora Érica, 2011. SUPERROBOTICA, disponível em: http://www.superrobotica.com ROBOT-ELETRONICS, disponível em: http://www.robot-electronics.co.uk DAEDALUS, disponível em: http://www.daedalus.ei.tum.de MILESBURTON, disponível em: http://www.milesburton.com GITHUB, disponível em: https://github.com NEWTONBRAGA, disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br FLIPEFLOP, disponível em: http://www.filipeflop.com WEBTRONICO, disponível em: http://www.webtronico.com FAUNACPS, disponível em: http://www.faunacps.cnpm.embrapa.br

39

Anexo A

Primeira pesquisa de campo realizada:

Pesquisa de Campo

Nome:__________________________________________________________ Perda total de visão ou Baixa visão? ________________________________ Você utiliza Bengala?_____________________________________________ Roller ou Fixa? __________________________________________________ Quais são suas principais dificuldades no dia – a – dia? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ No caso de você utilizar uma bengala eletrônica, quanto mais perto do obstáculo, você prefere sentir tons de vibrações ou sons através de fones de ouvidos? ___________________________________________________ Nível de Utilidade: ( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 ( ) 4 ( ) 5 ( ) 6 ( ) 7 ( ) 8 ( ) 9 ( ) 10 Você compraria uma bengala eletrônica? ___________________________ Você tem alguma sugestão para melhorar nosso projeto? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________

40

Anexo B

Segunda pesquisa de campo:

Pesquisa de Campo

Nome:__________________________________________________________ Perda total de visão ou Baixa visão? ________________________________ Você utiliza Bengala?_____________________________________________ Roller ou Fixa? __________________________________________________ Quais são suas principais dificuldades no dia – a – dia? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ No caso de você utilizar uma bengala eletrônica, quanto mais perto do obstáculo, você prefere sentir tons de vibrações ou sons através de fones de ouvidos? ___________________________________________________ Nível de Utilidade: ( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 ( ) 4 ( ) 5 ( ) 6 ( ) 7 ( ) 8 ( ) 9 ( ) 10 Você compraria uma bengala eletrônica? ___________________________ Você tem alguma sugestão para melhorar nosso projeto? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________

41

Apêndice A – Datasheet CI 555

www.fairchildsemi.com

LM555/NE555/SA555

Single Timer

Features Description

• High Current Drive Capability (200mA) The LM555/NE555/SA555 is a highly stable controller

• Adjustable Duty Cycle capable of producing accurate timing pulses. With

• Temperature Stability of 0.005%/ C monostable operation, the time delay is controlled by one

• Timing From Sec to Hours external resistor and one capacitor. With astable operation,

• Turn off Time Less Than 2 Sec the frequency and duty cycle are accurately controlled with

Applications

two external resistors and one capacitor.

8-DIP

• Precision Timing • Pulse Generation • Time Delay Generation • Sequential Timing 1

8-SOP

1

Internal Block Diagram

GND R R R

Vcc

1 8

Trigger

Comp. Discharging Tr. Discharge

2 7

42

Output 3 OutPut F/F 6 Threshold

Stage

Comp.

Reset 4 5 Control

Vref Voltage

LM555/NE555/SA555

Absolute Maximum Ratings (TA = 25 C)

Parameter Symbol Value Unit

Supply Voltage VCC 16 V

Lead Temperature (Soldering 10sec) TLEAD 300 C

Power Dissipation PD 600 mW

Operating Temperature Range

LM555/NE555 TOPR

0 ~ +70 C

SA555 -40 ~ +85

Storage Temperature Range TSTG -65 ~ +150 C

4

3

44

LM555/NE555/SA555

Electrical Characteristics (TA = 25 C, VCC = 5 ~ 15V, unless otherwise specified)

Parameter Symbol Conditions Min. Typ. Max. Unit

Supply Voltage VCC - 4.5 - 16 V

Supply Current *1

(Low Stable) ICC VCC = 5V, RL = ∞ - 3 6 mA

VCC = 15V, RL = ∞ - 7.5 15 mA

Timing Error *2

(Monostable)

Initial Accuracy ACCUR

- 1.0 3.0 %

Drift with Temperature RA = 1kΩ to100kΩ

∆ t/∆ T 50

ppm/ C

Drift with Supply Voltage C = 0.1 F

∆ t/∆ VCC 0.1 0.5 %/V

Timing Error *2

(Astable) ACCUR

-

- %

Intial Accuracy RA = 1kΩ to 100kΩ 2.25

Drift with Temperature ∆ t/∆ T C = 0.1 F 150 ppm/ C

Drift with Supply Voltage ∆ t/∆ VCC 0.3 %/V

Control Voltage VC VCC = 15V 9.0 10.0 11.0 V

VCC = 5V

2.6 3.33 4.0 V

Threshold Voltage VTH VCC = 15V - 10.0 - V

VCC = 5V

- 3.33 - V

Threshold Current *3 ITH - - 0.1 0.25 A

Trigger Voltage VTR VCC = 5V 1.1 1.67 2.2 V

VCC = 15V 4.5 5 5.6 V

Trigger Current ITR VTR = 0V 0.01 2.0 A

Reset Voltage VRST - 0.4 0.7 1.0 V

Reset Current IRST - 0.1 0.4 mA

VCC = 15V

ISINK = 10mA - 0.06 0.25 V

Low Output Voltage VOL ISINK = 50mA 0.3 0.75 V

VCC = 5V - 0.05 0.35 V

ISINK = 5mA

VCC = 15V

ISOURCE = 200mA 12.5 - V

High Output Voltage VOH ISOURCE = 100mA 12.75 13.3 V

VCC = 5V 2.75 3.3 - V

ISOURCE = 100mA

Rise Time of Output tR - - 100 - ns

Fall Time of Output tF - - 100 - ns

Discharge Leakage Current ILKG - - 20 100 nA

Notes: 1. Supply current when output is high is typically 1mA less at VCC = 5V 2. Tested at VCC = 5.0V and VCC = 15V 3. This will determine maximum value of RA + RB for 15V operation, the max. total R = 20MΩ , and for 5V operation the max.

total R = 6.7MΩ

45

LM555/NE555/SA555

Application Information Table 1 below is the basic operating table of 555 timer: Table 1. Basic Operating Table

Threshold Voltage Trigger Voltage Reset(PIN 4) Output(PIN 3)

Discharging Tr.

(Vth)(PIN 6) (Vtr)(PIN 2) (PIN 7)

Don't care Don't care Low Low ON

Vth > 2Vcc / 3 Vth > 2Vcc / 3 High Low ON

Vcc / 3 < Vth < 2 Vcc / 3 Vcc / 3 < Vth < 2 Vcc / 3 High - -

Vth < Vcc / 3 Vth < Vcc / 3 High High OFF

When the low signal input is applied to the reset terminal, the timer output remains low regardless of the threshold voltage

or the trigger voltage. Only when the high signal is applied to the reset terminal, timer's output changes according to

threshold voltage and trigger voltage. When the threshold voltage exceeds 2/3 of the supply voltage while the timer output is high, the timer's internal discharge

Tr. turns on, lowering the threshold voltage to below 1/3 of the supply voltage. During this time, the timer output is

maintained low. Later, if a low signal is applied to the trigger voltage so that it becomes 1/3 of the supply voltage, the

timer's internal discharge Tr. turns off, increasing the threshold voltage and driving the timer output again at high. 1. Monostable Operation

+Vcc

4 8 RA

Trigger RESET Vcc

7

TRIG DISCH

2

THRES 6

3 OUT CONT

C1

GND 5

RL 1 C2

Figure 1. Monoatable Circuit

102

101

Ω

Ω Ω

Ω

=1k Ω

10k 100k

10M

1M

Ca

pa

cita

nce

(uF

) R A

100

10-1

10-2

10-3

10-5 10

-4 10-3 10

-2 10-1 10

0 101 10

2

Time Delay(s) Figure 2. Resistance and Capacitance

vs. Time delay(td)

46

47

LM555/NE555/SA555

Figure 1 illustrates a monostable circuit. In this mode, the timer generates a fixed pulse whenever the trigger voltage falls

below Vcc/3. When the trigger pulse voltage applied to the #2 pin falls below Vcc/3 while the timer output is low, the

timer's internal flip-flop turns the discharging Tr. off and causes the timer output to become high by charging the external

capacitor C1and setting the flip-flop output at the same time. The voltage across the external capacitor C1, VC1 increases exponentially with the time constant t=RA*C and reaches

2Vcc/3 at td=1.1RA*C. Hence, capacitor C1 is charged through resistor RA. The greater the time constant RAC, the longer it

takes for the VC1 to reach 2Vcc/3. In other words, the time constant RAC controls the output pulse width. When the applied voltage to the capacitor C1 reaches 2Vcc/3, the comparator on the trigger terminal resets the flip-

flop, turning the discharging Tr. on. At this time, C1 begins to discharge and the timer output converts to low. In this way, the timer operating in monostable repeats the above process. Figure 2 shows the time constant relationship

based on RA and C. Figure 3 shows the general waveforms during monostable operation. It must be noted that, for normal operation, the trigger pulse voltage needs to maintain a minimum of Vcc/3 before the timer

output turns low. That is, although the output remains unaffected even if a different trigger pulse is applied while the output

is high, it may be affected and the waveform not operate properly if the trigger pulse voltage at the end of the output pulse

remains at below Vcc/3. Figure 4 shows such timer output abnormality.

Figure 4. Waveforms of Monostable Operation (abnormal)

2. Astable Operation

+Vcc

4

RA

8

RESET Vcc 7

2 TRIG DISCH

RB

THRES 6

3 OUT CONT

C1

GND 5

RL 1 C2

100

(RA+2RB)

10 1k

Ca

pa

cita

nce

(uF

) 10k

1 100k

1M

0.1 10M

0.01

1E-3

100m 1 10 100 1k 10k 100k

Frequency(Hz)

48

Figure 5. Astable Circuit Figure 6. Capacitance and Resistance vs. Frequency

49

LM555/NE555/SA555

Figure 7. Waveforms of Astable Operation

An astable timer operation is achieved by adding resistor RB to Figure 1 and configuring as shown on Figure 5. In astable

operation, the trigger terminal and the threshold terminal are connected so that a self-trigger is formed, operating as a multi

vibrator. When the timer output is high, its internal discharging Tr. turns off and the VC1 increases by exponential function

with the time constant (RA+RB)*C. When the VC1, or the threshold voltage, reaches 2Vcc/3, the comparator output on the trigger terminal becomes high,

resetting the F/F and causing the timer output to become low. This in turn turns on the discharging Tr. and the C1 discharges

through the discharging channel formed by RB and the discharging Tr. When the VC1 falls below Vcc/3, the comparator

output on the trigger terminal becomes high and the timer output becomes high again. The discharging Tr. turns off and the

VC1 rises again. In the above process, the section where the timer output is high is the time it takes for the VC1 to rise from Vcc/3 to 2Vcc/3,

and the section where the timer output is low is the time it takes for the VC1 to drop from 2Vcc/3 to Vcc/3. When timer

output is high, the equivalent circuit for charging capacitor C1 is as follows:

RA RB

Vcc C1 Vc1(0-)=Vcc/3

C1

dvc1

=

Vcc – V 0-

1

-- - - -- - - -- - - dt

------- ------ ----- -

------- ---- R A + R

B

VC1 0+ = VCC ⁄ 3 2

– t

- -- - - -- - - -- - - -- - - -- - - --- - - -- - - -- - - -- -

V

t = V

– 2

RA

+R

BC1

3 C1

1 --e

CC 3

Since the duration of the timer output high state(tH) is the amount of time it takes for the VC1(t) to reach 2Vcc/3,

50

555/NE555/SA555

tH

2

2 - –------------------------------------

V t = = V RA + RB C1

C1 --V

CC 1 – --e

3 CC 3

tH = C1 RA + RB In2 = 0.693 RA + RB C1

4

5

The equivalent circuit for discharging capacitor C1 when timer output is low as follows:

RB

C1 VC1(0-)=2Vcc/3 R

D

dvC1 + R

1 VC1 = 0

C1--------------dt A

+ R 6

B

t

2 -------------------------------------

RA + RD C1

7

VC1 t = 3--V

CCe

Since the duration of the timer output low state(tL) is the amount of time it takes for the VC1(t) to reach Vcc/3,

-

tL

1

2 ------------------------------------

= RA + RD C1

--V CC

--V

e 8

3 3 CC

tL = C1 RB + RD In2 = 0.693 RB + RD C1 9

Since RD is normally RB>>RD although related to the size of discharging Tr., tL=0.693RBC1 (10) Consequently, if the timer operates in astable, the period is the same with

'T=tH+tL=0.693(RA+RB)C1+0.693RBC1=0.693(RA+2RB)C 1' because the period is the sum of the charge time and

discharge time. And since frequency is the reciprocal of the period, the following applies.

frequency, f = --1 = --------------------------------------1.44

- 11

T RA + 2RB C1 3. Frequency divider By adjusting the length of the timing cycle, the basic circuit of Figure 1 can be made to operate as a frequency divider.

Figure 8. illustrates a divide-by-three circuit that makes use of the fact that retriggering cannot occur during the timing cycle.

5

1

52

LM555/NE555/SA555

Figure 8. Waveforms of Frequency Divider Operation

4. Pulse Width Modulation The timer output waveform may be changed by modulating the control voltage applied to the timer's pin 5 and changing

the reference of the timer's internal comparators. Figure 9. illustrates the pulse width modulation circuit. When the continuous trigger pulse train is applied in the monostable mode, the timer output width is modulated according

to the signal applied to the control terminal. Sine wave as well as other waveforms may be applied as a signal to the control

terminal. Figure 10 shows an example of pulse width modulation waveform.

+Vcc

4

8 RA

Trigger RESET Vcc

7

DISCH

2 TRIG

6

Output THRES

3 OUT Input

GND CONT 5 C

1

Figure 9. Circuit for Pulse Width Modulation Figure 10. Waveforms of Pulse Width Modulation

5. Pulse Position Modulation If the modulating signal is applied to the control terminal while the timer is connected for astable operation as in Figure 11,

the timer becomes a pulse position modulator. In the pulse position modulator, the reference of the timer's internal comparators is modulated which in turn modulates

the timer output according to the modulation signal applied to the control terminal. Figure 12 illustrates a sine wave for modulation signal and the resulting output pulse position modulation : however, any

wave shape could be used.

5

3

54

LM555/NE555/SA555

+Vcc

4

8

RA

RESET Vcc 7

DISCH

2 TRIG

RB

6

Output THRES

3 OUT Modulation

GND CONT 5 C

1

Figure 11. Circuit for Pulse Position Modulation Figure 12. Waveforms of pulse position modulation

6. Linear Ramp When the pull-up resistor RA in the monostable circuit shown in Figure 1 is replaced with constant current source, the VC1

increases linearly, generating a linear ramp. Figure 13 shows the linear ramp generating circuit and Figure 14 illustrates the

generated linear ramp waveforms.

+Vcc

RE

R1

4 8

RESET Vcc 7

DISCH

2 TRIG

Q1

Output

THRES 6

R2

3 OUT CONT 5

C1

GND

1

C2

Figure 14. Waveforms of Linear Ramp

Figure 13. Circuit for Linear Ramp

In Figure 13, current source is created by PNP transistor Q1 and resistor R1, R2, and RE.

IC =

VCC

– V

E 12

--------------------------RE

Here, VE is

R2

VE = VBE + R--------------------1+R2- V

CC 13

For example, if Vcc=15V, RE=20kΩ , R1=5kW, R2=10kΩ , and VBE=0.7V, VE=0.7V+10V=10.7V

55

Ic=(15-10.7)/20k=0.215

56

M555/NE555/SA555

When the trigger is started in a timer configured as shown in Figure 13, the current flowing to capacitor C1 becomes a

constant current generated by PNP transistor and resistors. Hence, the VC is a linear ramp function as shown in Figure 14. The gradient S of the linear ramp function is defined as

follows:

S =

Vp – p

14 ----------------T

Here the Vp-p is the peak-to-peak voltage. If the electric charge amount accumulated in the capacitor is divided by the capacitance, the VC comes out as follows: V=Q/C (15) The above equation divided on both sides by T gives us

V Q ⁄ T

16 --- = ----------C-

T

and may be simplified into the following equation. S=I/C (17) In other words, the gradient of the linear ramp function appearing across the capacitor can be obtained by using the

constant current flowing through the capacitor. If the constant current flow through the capacitor is 0.215mA and the capacitance is 0.02uF, the gradient of the ramp

function at both ends of the capacitor is S = 0.215m/0.022u = 9.77V/ms.

5

7

58

LM555/NE555/SA555

Mechanical Dimensions

Package

Dimensions in millimeters

8-DIP

6.40 0.20

)

0.7

9

0.0

31

0.252 0.008

0.1

0

0.0

04

0

.10

0.0

04

(

#1 #8 0

.4

6

0

.01

8

1.5

24

0

.06

0

MA

X

0.2

0

0.0

08

9

.20

0

.36

2

9.6

0

0.3

78

#4 #5

2.5

4

0.1

00

5.08 3.30 0.30

7.62 0.200 MAX

0.130 0.012

0.300 3.40 0.20 0.33 MIN

0.134 0.008 0.013

0.25

+0.10 –0.05

0.010

0~15

+0.004 –0.002

5

9

60

LM555/NE555/SA555

Mechanical Dimensions (Continued) Package

Dimensions in millimeters

8-SOP 0

.

006

- + 0

0

.

002

.

004

0

.

15

- +

0

0

.

05 .

10

#1

#4

6.00 0.30

0.236 0.012

3.95 0.20

0.156 0.008

1.55 0.20 0.061 0.008

#8

MA

X

0.2

0

0.0

08

5.1

3

0.2

02

4

.92

0

.19

4

#5

1.80 MAX 0.071

MA

X0

.10

MA

X0

.00

4

MIN 0.1~0.25

0.004~0.001

)

0.0

22

0.5

6

(

0.0

16

0

.00

4

0.4

1

0.1

0

1.2

7

0.0

50

5.72

0.225 0.50 0.20

0.020 0.008

0~

8

6

1

62

LM555/NE555/SA555

Ordering Information

Product Number Package Operating Temperature

LM555CN 8-DIP 0 ~ +70 C

LM555CM 8-SOP


NE555N 8-DIP 0 ~ +70 C

NE555D 8-SOP


SA555 8-DIP -40 ~ +85 C

SA555D 8-SOP

63

LM555/NE555/SA555

DISCLAIMER FAIRCHILD SEMICONDUCTOR RESERVES THE RIGHT TO MAKE CHANGES WITHOUT FURTHER NOTICE TO ANY PRODUCTS HEREIN TO IMPROVE RELIABILITY, FUNCTION OR DESIGN. FAIRCHILD DOES NOT ASSUME ANY LIABILITY ARISING OUT OF THE APPLICATION OR USE OF ANY PRODUCT OR CIRCUIT DESCRIBED HEREIN; NEITHER DOES IT CONVEY ANY LICENSE UNDER ITS PATENT RIGHTS, NOR THE RIGHTS OF OTHERS. LIFE SUPPORT POLICY FAIRCHILD’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT OF FAIRCHILD SEMICONDUCTOR

CORPORATION. As used herein: 1. Life support devices or systems are devices or systems

which, (a) are intended for surgical implant into the body, or (b) support or sustain life, and (c) whose failure to perform when properly used in accordance with instructions for use provided in the labeling, can be reasonably expected to result in a significant injury of the user.

2. A critical component in any component of a life support

device or system whose failure to perform can be reasonably

expected to cause the failure of the life support device or

system, or to affect its safety or effectiveness.

www.fairchildsemi.com

7/16/02 0.0m 001 Stock#DSxxxxxxxx 2002 Fairchild Semiconductor Corp

64

Documents

Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza ... 40ª EXCUTE/Eletrônica... · Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO