RELATÓRIO – PROJETO DE MECATRÔNICA

1 . Capa

a. Folha 1 (Em anexo)

b. Folha 2 (Em anexo)

Siglas e abreviaturas

AC....................................................Corrente Alternada.

DC....................................................Corrente Contínua.

PCB..................................................Placa de Circuito Impresso

VAC.................................................Volt em Corrente Alternada

Hz.....................................................Hertz ( ciclo por segundo)

mA....................................................Miliampere

Vp.....................................................Tensão de pico

Vond.................................................Tensão de ondulação

R................................................Resistor ou resistência

V...............................................Volt

I.................................................Corrente

D...............................................Diodo

C...............................................Capacitor

U...............................................Circuito Integrado

NA............................................Normalmente Aberta

LED..........................................Diodo Emissor de Luz

1

Sumário

1.Objetivo..............................................................................................03

2.Introdução...........................................................................................03

2.1. Funcionamento................................................................................05

2.1.1. Clock............................................................................................05

2.1.2. Flip-flop.......................................................................................05

2.1.3. Funções.......................................................................................06

3. Desenvolvimento..............................................................................08

4. Projeto Elétrico.................................................................................09

4.1. Esquema elétrico placa principal...................................................09

4.2. Esquema da fonte..........................................................................10

4.3. Esquema do clock.........................................................................10

4.4. Esquema das funções....................................................................11

4.5. Esquema do BIP............................................................................11

4.6. Placas............................................................................................12

4.6.1. PCB principal............................................................................12

4.6.2.PCB frontal.................................................................................12

5. Cálculos...........................................................................................13

5.1. Fonte.............................................................................................13

5.2. Clock............................................................................................14

5.3. Display.........................................................................................14

5.4. Painel frontal................................................................................15

5.5. BIP...............................................................................................16

6. Protótipos........................................................................................16

6.1. Confecção da placa......................................................................16

6.2. Montagem....................................................................................18

7. Lista de materiais...........................................................................22

2

7.1. Materiais para o BIP....................................................................22

7.2. Materiais PCI principal...............................................................22

8. Orçamento......................................................................................23

9. Resultados......................................................................................24

10. Conclusão....................................................................................25

11. Anexos.........................................................................................26

1. Objetivo:

3

Construir um cronômetro digital utilizando somente portas lógicas, com três

dígitos para contar de 0:00 até 9:59 minutos e precisão de 2%

aproximadamente em relação aos de uso comercial, com funções de play,

pause e reset, montado numa placa específica para o projeto, tendo como um

dos objetivos a aplicação prática dos conhecimentos de eletrônica Digital e

Analógica abordados em sala de aula. Além do incentivo à pesquisa de

assuntos fora do contexto da sala de aula e busca por novas tecnologias e

métodos que possam ser aplicados nele.

2. Introdução:

Foram utilizados fundamentos de Eletrônica analógica e Circuitos Digitais,

tais como portas lógicas, flip-flop, contadores, divisores, decodificadores,

conversores AC-DC, retificação e filtragem.

No aspecto físico usamos técnicas de confecção de placas de circuito impresso

e soldagem.

Bem, inicialmente parecia ser simples o projeto, entretanto durante a fase de

elaboração do circuito elétrico verifiquei que determinadas ações dependiam

de outras, porém a elaboração do diagrama em blocos facilitou muito a

visualização das ações das funções do cronômetro. Veja o diagrama.

Não houve a confecção de um protótipo, pois com o programa Proteus pude

observar o funcionamento do projeto e aplicar as melhorias necessárias e esta

fase de construção física foi eliminada. Quase tudo foi rodado com o auxilio

dele.

O único protótipo feito na protoboard, com auxílio de um frequencímetro e

uma fonte regulável, foi o clock porque o programa não conseguiu simulá-lo.

4

A parte mais difícil foi a confecção da PCB, mas depois de algumas

observações e testes feitos anteriormente por mim, optei por usar o método de

transferência do desenho por meio de alta temperatura, usando para isto um

ferro de passar roupas e o desenho impresso em papel glossy; por não ser um

processo profissional a placa ficou sem máscara de componentes e de solda.

Quanto aos displays eu pensei em montar-los com leds individuais, pois assim

conseguiria maior dimensão dos números, porém, o custo foi muito elevado e

não compensaria tal trabalho. Após algumas observações e estudos, como por

exemplo, a proporção das dimensões entre eles e o gabinete, acabei por

escolher os da marca PARALIGHT de 56 mm.

A base de tempo de um relógio ou cronômetro é uma das etapas da

montagem,a qual deverá ser levada em consideração a sua estabilidade e a

pureza dos pulsos. A princípio pensei em utilizar a freqüência da rede e dividi-

la para obter 1 (um) Hertz, porém, por não ter muita precisão e confiabilidade,

pois os ruídos vindos através da rede poderiam interferir na contagem, decidi

utilizar um circuito cuja configuração é muito utilizada comercialmente.

O circuito não é complexo; é excelente para o propósito da montagem.

Veja no esquema elétrico do clock o desenho definitivo.

Os botões de comandos são de contatos momentâneos, pois usamos flip-flop

para tais funções.

2.1- Funcionamento

5

2.1.1- Como funciona o Clock:

X1 é um cristal de quartzo ou outro tipo criado em laboratório cuja freqüência

é precisamente de 32.768Hz ou 32,768khz. O circuito integrado 4060 possui

um oscilador interno que passará a oscilar na freqüência do circuito oscilante

externo, no nosso caso será 32.768Hz. Está será a freqüência fundamental

gerada, porém, temos que dividi-la até obtermos a desejada. Note que o CI

4060 faz a divisão até no máximo, veja no datasheet (folha de dados) 2^14

(=16.384), cuja saída está no pino 3.

Então se 32.768 ÷ 16.384 = 2 obtivemos 2 Hertz na saída do 4060 e , como

precisamos de 1 Hz para o cronômetro, basta dividir agora os 2Hz por 2 para

obtermos o tão esperado clock de 1 Hertz. Está é a função deste CI 4013 no

circuito, com configuração de Flip-flop tipo D, note que entra 2 Hz e sai 1Hz.

Basicamente aqui está concluída uma das etapas do cronômetro digital.

2.1.2- Flip-flop (tipo D):

O flip-flop ou latch é um circuito capaz de armazenar os dois estados de níveis

lógicos, sendo também usado como memória. Seu funcionamento é como uma

chave que trava seus contatos quando acionados, porém neste caso, não há

acionamento mecânico, note no diagrama esquemático que há duas opções de

saída (Q e Q barrado) e as quais invertem quando é mudado o esta lógico da

entrada.

Outra função do flip-flop do tipo D é como contador de impulsos. Esta função

ele faz na saída do clock, veja na figura 1.

6

Figura 1

2.1.3- Funções:

Vamos tratar dos comandos de inicio, reset e pausa do nosso cronômetro

digital. Sendo um circuito com tecnologia CMOS eu resolvi também incluir

no aparelho um modo digital de comandar a partida e a pausa da contagem,

sendo o reset feito diretamente nas entradas dos contadores 4029.

Trata-se de mais um flip-flop tipo D. Desta vez ele está com a função de

memória de um bit. A cada mudança de estado em sua entrada ocorre uma

também em suas saídas e assim permanece até o próximo comando.

O pino correspondente ao reset é o 4 do U8:A. Nível alto (H ou 1) zero e nível

baixo (L ou 0) seta. Veja no pino 4 do referido CI um capacitor eletrolítico de

10uF; sua função é de garantir que tudo comece com zero, pois quando o C2

está descarregado ele é momentaneamente um curto e com isso leva 5 Volts

( nível alto) ao pino 4 (reset).

O start e pausa são acionados mudando os estados lógicos do contador 4029,

no pino 5 ( CI ) Carry In através da memória F-F D feito pelo circuito

integrado 4013.0 volt habilita a contagem; porém 5 Volts pausa ( hold ), na

figura 2 temos o diagrama interno do circuito integrado 4029

7

Figura 2

8

3. Desenvolvimento

Para começar a exportar as idéias do campo imaginário para o físico,

primeiramente construímos o diagrama abaixo:

Diagrama em blocos

Figura 3

Neste bloco temos o resumo geral do cronômetro.

Fonte:9+9 VAC/500mA

Base de tempo:Cristal oscilador de 32.768 kHz + divisor 2^14.Freqüência de saída:2 Hz

Flip-flopDivisor por 2.Saída:1 Hz

Contador 1:Segundos

Contador 2:Segundos

Contador 3:Minutos

Decodificador BCD 7 segmentos

Decodificador BCD 7 segmentos

Decodificador BCD 7 segmentos

DisplayDisplayDisplay

Retificador Filtro

Clock ÷ 60

Clock ÷10

Reset

STOP, STARTFlip-flop D

RESET

Regulador 9 Volts

9

4. Projeto Elétrico

Abaixo estão os esquemários de cada etapa. Eles foram feitos e simulados no

programa proteus / Isis e depois de aprovados roteamos as placas no Proteus /

Ares, com exceção do clock.

4.1- Esquema elétrico da placa principal completo

A 7

B 1

C 2

D 6

LT 3

BI 4

LE/STB 5

QA13

QB12

QC11

QD10

QE9

QF15

QG14

U1

4511

A 7

B 1

C 2

D 6

LT 3

BI 4

LE/STB 5

QA13

QB12

QC11

QD10

QE9

QF15

QG14

U2

4511

A 7

B 1

C 2

D 6

LT 3

BI 4

LE/STB 5

QA13

QB12

QC11

QD10

QE9

QF15

QG14

U3

4511

A 4QA6

B 12QB11

C 13QC14

D 3QD2

CI 5CO7

CLK 15

PE 1

B/D 9

U/D 10

U4

4029

A 4QA6

B 12QB11

C 13QC14

D 3QD2

CI 5CO7

CLK 15

PE 1

B/D 9

U/D 10

U5

4029

A 4QA6

B 12QB11

C 13QC14

D 3QD2

CI 5CO7

CLK 15

PE 1

B/D 9

U/D 10

U6

4029

1

23

U7:A

4081

R110k

R210k

R310k

D1

1N4148

D2

1N4148

D5 Q 1

CLK3

Q 2

R4

S6 U8:A

4013

R4

10k

C122n

R610k

R510k

C210u

5

64

U7:B

4081

D31N4148

inicio / pausa

reset

D 9Q13

CLK 11

Q12

R10

S8 U8:B

4013

RS 11

MR 12

Q37

Q45

Q54

Q66

Q714

Q813

Q915

Q111

Q122

Q133CTC 9

RTC 10

U9

4060

R7

10MR8220k

C439p

C339p

X1

CRYSTAL

8

910

U7:C

4081

12

1311

U7:D

4081

1

23

U10:A

4081

5

64

U10:B

4081

12

J1

CONN-H2

p/ O BIP

Figura 4

10

4.2-Esquema da fonte

TR1

Transformador9+9 V

D1

1N4007

D2

1N4007

C12200u/25V

VI1

VO3

GN

D2

U17809

VI1

VO3

GN

D2

U27805 +5

+9

C4

100uC5100u

GND

C2100n

C3100n

Figura 5

4.3-Esquema do clock

Figura 6

D9

Q13

CLK11

Q12

R10

S8 U8:B

4013

RS11

MR12

Q37

Q45

Q54

Q66

Q714

Q813

Q915

Q111

Q122

Q133

CTC9

RTC10

U9

4060

R7

10MR8220k

C439p

C339p

X1

CRYSTAL1Hz

11

4.4-Esquema das funções inicio, pause o hold

D5

Q1

CLK3

Q2

R4

S6 U8:A

4013

C122n

R610k

R510k

C210u

reset

5V

Carry In (CI)

Preset/Enable (P/E)

Figura 7

4.5-Esquema do BIP

Q1

BUZ1

BUZZER

R1220R

R2

4k7

9 V

p/U10 (pino 4)

BC 548

Figura 8

12

4.6-Placas:

4.6.1-Placa PCI principal

Figura 9

4.6.2-Painel frontal

Figura 10

13

5. Cálculos

5.1-Fonte

A fonte de alimentação do cronômetro foi dimensionada para ser utilizada com display, de 56 mm, daí a saída de 9 volt irá alimentar os diodos do display; caso seja utilizado um display menor, poderá fazer uso dos 5 volts.

Consumo total aproximado do circuito do cronômetro: Displays: 210 mA; CI’s: 10mA para cada, total de 100 mA; Led’s: 40 mA; Sinal sonoro: 50 mA Outros: + 10%; Total = 440 mA;

Para consumo máximo de 440 mA:Transformador 9 + 9 Vac / 500 mA;Vp = 25.5 Vac, onde Vp = tensão de pico.Vcc = (Vp/2) – (Vond/2).Vond = I/ f x C, onde f = freqüência, C = capacitância e Vond = Tensão de ondulação.Vond = (0.5) / 120 Hz x 2200 x 10^-6.Vond = 1,9 V.Vcc = Vp/2 - 0,95 V.Vcc = 11.8 V.Todos os valores acima são aproximados.Especificações mínimas para os diodos retificadores da fonte:

Tensão reversa (PIV) maior ou igual a 25.5 V. Corrente maior ou igual a 250 mA.

14

5.2-Clock (base de tempo)

Divide-se a freqüência de oscilações por um dos fatores de divisão do 4060,

assim:

32.768 Hz / 2^14 = 2 Hz.

Agora se divide o resultado por 2:

2 Hz / 2 = 1Hz

5.3-Display de 7 seguimentos

Segundo a Para Light, fabricante do display, a corrente dos segmentos é em

torno de 10 a 20 mA, sob uma diferença de potencial de aproximadamente 9

V, então considerei o valor mínimo, 10 mA.

No caso deste modelo, apenas um resistor será o responsável pela corrente

em cada display, portanto 7 segmentos x 10mA = 70 mA. Assim sendo,

R = V \ I.

R = 9 / 70;

R = 130 Ohms.

Considerei um valor comercial de 100 Ohms para os RX do cronômetro.

15

5.4-Painel frontal

Serão utilizados 3 displays de sete segmentos com catodo comum.

Dimensões:

Altura: 70 mm; comprimento: 50 mm.

Caixa para alojamento do cronômetro:

Patola. Modelo PB 115.

Dimensões da caixa:

PB 115: 50 x 112 x 160 (profundidade x largura x

comprimento).

16

5.5-Dimensionamento do BIP

Por não ter os dados do buzzer, eu considerei cerca de 20mA para ele.

Q1 está configurado como chave, então o ßcc = 10:

Rc = Vcc - Vbuzzer / Ic, Rc = 9 - 5 / 20, Rc = 200 Ohms;

Ib = Icc / ßcc, Ib = 20 / 10 , Ib = 2mA e Rb = 8,3 / 2, Rb = 4,15 kOhms.

Para com valores comerciais dos resistores escolhi R1 = 220 Ohms e

R2 = 4,7 k.

6. Protótipo

6.1-Confecção das placas:

Começamos com a fabricação da PCB através de algumas impressões feitas

em uma impressora a laser no papel Glossy e logo após transferindo os

desenhos por meio de um ferro de passar roupa muito quente. Depois de

esfriar a placa, submergimo-la na água morna com detergente de lavar pratos

neutro e retiramos o papel com muito cuidado para não sair as trilhas e ilhas

do cobre, como demonstrado nas fotos.

Posicionamento do papel sobre a placa na foto 1.

17

Foto1

Retirada do papel. Este processo é mais eficaz quando feito com a PCI dentro

da água.

Foto2

Foto3

18

A Limpeza do cobre para o próximo processo, a corrosão.

Foto4

Finalmente imergindo no Percloreto de ferro para a retirada do cobre.

Foto 5

6.2-Montagem

Agora com os componentes em mãos, mais ferro de solda e solda, montamos

as placas. Antes foi aplicado verniz verde para proteção do lado cobreado

contra oxidações e umidade.

19

Começando pelo painel frontal. Soldando o display e demais componentes.

Foto 6

Foto 7

Placa principal e frontal conectadas com cabos flexíveis.

Foto 8

20

Foto 9

Foto 10

Projeto finalmente pronto e alojado no gabinete.

Foto 11 foto 12

21

O circuito de retificação e filtragem foram alojados em uma caixa separada,

como visto na foto 13.

Foto 13

O sinalizador está em uma placa perfurada porque o circuito era muito

simples, dispensando uma confecção de uma placa. Foto 14.

Foto 14

22

7. Lista de Materiais

7.1- Lista de componentes p/ o BIP:

R1..............220 Ohms;

R2..............4,7 kOhms;

Q1............. BD 548 (transistor NPN de uso geral);

BUZ1........ Buzzer contínuo para 5 Volts.

7.2- Lista de componentes da PCI principal e fonte:

U1 a U3.......4511 ( decodificadores BCD);

U4 a U6.......4029 ( contadores);

U7 e U10......4081 (porta E);

U9.................4060 (oscilador e divisor);

U8.................4013 ( flip-flop);

R1 a R6.........10 kOhms ( resistores: marrom preto e laranja);

R7..................10 Mohms ( resistor: marrom preto e azul);

R8..................220 kOhms (resistor: vermelho, vermelho e amarelo);

C3 e C4.........39 pF (capacitores disco cerâmicos);

D1 a D3.........1N4148 ( diodos de uso geral);

Caixa Patola...PB115;

Caixa Patola...CF 086;

2 Placas de fenolita ( 10x15cm);

3 displays (sete segmentos/catodo comum).......( C-2301E);

2 chaves NA...........( PBS-10B-2);

1 transformador........9 + 9 Volts / 500mA;

Outros ( fios, solda, etc.)

23

8. Orçamento:

Placas de fenolita: R$ 6,00;

Circuitos integrados CMOS: R$11,50;

Display de sete segmentos: R$ 48,00;

Regulador de tensão: R$ 1,10;

Resistores: R$ 1,00;

Diodos: R$ 0,15;

Trafo.: R$ 12,30;

Capacitores: R$ 2,30;

Caixas Patola: R$ 20,00;

Buzzer: R$ 2,00;

Rabicho paralelo: R$ 3,20;

Chaves NA: R$ 2,40

Total atual: R$ 109,95

24

9. Resultados

Os displays da PARALIGHT, com 70 mm de altura total e 48 de largura

foram bem alojados no painel frontal. Quanto a PCI, ela foi confeccionada

com o método de transferência como falado no inicio, usando para isto um

ferro de passar roupas e o desenho impresso em papel glossy.

O circuito da fonte foi reduzido, deixando somente as etapas de retificação e

filtragem em um gabinete separado, conectando-o à pci com plug e jack

apropriados,sendo que o regulador foi inseridos na placa principal.

Demais foram alguns ajustes adaptativos do gabinete a fim de melhorar a

estética do projeto.

Acrescentei um BIP no final dos 10 segundos restante para o término do

tempo.

Este cronômetro não para a contagem no final dos 10 minutos e sendo de

apenas três dígitos, mostra somente os segundos e minutos.

Todos os testes foram bem sucedidos, desde o primeiro até o último feito.

25

10. Conclusão

Eu esperava que no final da montagem, durante os testes, algo necessitasse de

correção, porém tudo funcionou adequadamente desde a primeira tentativa.

Fiquei surpreso com a eficiência de todo o conjunto.

Considero uma montagem muito boa. Ela foi capaz de adicionar muitos

conhecimentos e tornar-me mais experiente na elaboração de um projeto,

desde a sua elaboração até a finalização.

Tomei algumas ações para melhorar o desempenho do cronômetro, tais como:

optar por um clock a cristal para maior precisão, uso de display em

conformidade com o painel frontal, funções de comandos digitais,

compactação do circuito, tive cuidado com as medidas para o encaixe mais

perfeito possível, entre outras.

11. Anexos

Tabela 1

26

12. Referências Bibliográficas

Revista ELÉCTRON. Ed. Fittipaldi. Edição 68, Agosto de 1997.

Revista Eletrônica Total. Ed. Saber. Edição 104, Dezembro de 2004.

Portal Saber Eletrônica (internet).

Fórum Mecatrônica de Garagem. (internet).

Apostila Cta eletrônica. Ed. Escola Cta Eletrônica, Abril de 2009.

27