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FACULDADES LOGATTI ENGENHARIA ELÉTRICA DTMF APLICADO À AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL JOÃO RICARDO VIEIRA RICARDO COLOMBO ORIENTADOR: Marcos Mantese ARARAQUARA - SP 2010

DTMF Aplicado à Automação Residencial

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FACULDADES LOGATTI

ENGENHARIA ELÉTRICA

DTMF APLICADO À

AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

JOÃO RICARDO VIEIRA

RICARDO COLOMBO

ORIENTADOR: Marcos Mantese

ARARAQUARA - SP

2010

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JOÃO RICARDO VIEIRA

RICARDO COLOMBO

DTMF APLICADO À AUTOMAÇÃO

RESIDENCIAL

Trabalho de conclusão de curso apresentado

às Faculdades Integradas Logatti, como

parte dos requisitos para obtenção do titulo

de graduação em ENGENHARIA

ELÉTRICA.

Orientador: Marcos Mantese

ARARAQUARA - SP

2010

Page 4: DTMF Aplicado à Automação Residencial

DEDICATÓRIA

Dedicamos este trabalho primeiramente a Deus, a nosso orientador Marcos

Mantese e a todas as pessoas que nos incentivaram de alguma maneira.

Page 5: DTMF Aplicado à Automação Residencial

AGRADECIMENTOS

Agradecemos a Deus por nos dar saúde e disposição, a faculdades Logatti,

aos nossos professores, as nossas famílias e a todos que nos ajudaram e

nos motivaram de alguma maneira.

Page 6: DTMF Aplicado à Automação Residencial

RESUMO

Este trabalho aborda uma tecnologia em automação residencial à

distância, usando as comunicações telefônicas pelo protocolo DTMF, e com alguns

componentes específicos se pode ter um controle de alguns periféricos totalmente à

distância.

Palavras-chave: automação e DTMF.

Page 7: DTMF Aplicado à Automação Residencial

ABSTRACT

This work discusses a technology about remotely home´s automation,

using the telephone communications by the DTMF protocol, and with some specific

components it can have control of some peripherals totally by distance.

Keywords: Automation and DTMF.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1-1 - Redes de Controle em Automação .................................................................................... 15

Figura 2-1 - Tecla 1 ................................................................................................................................ 20

Figura 2-2 - Tecla 2 ................................................................................................................................ 20

Figura 2-3 - Tecla 3 ................................................................................................................................ 20

Figura 2-4 - Tecla 4 ................................................................................................................................ 21

Figura 2-5 - Tecla 5 ................................................................................................................................ 21

Figura 2-6 - Tecla 6 ................................................................................................................................ 21

Figura 2-7 - Tecla 7 ................................................................................................................................ 22

Figura 2-8 - Tecla 8 ................................................................................................................................ 22

Figura 2-9 - Tecla 9 ................................................................................................................................ 22

Figura 2-10 - Tecla 0 .............................................................................................................................. 23

Figura 2-11 - Tecla * .............................................................................................................................. 23

Figura 2-12 - Tecla # .............................................................................................................................. 23

Figura 2-13 - Gráfico das teclas ............................................................................................................. 24

Figura 2-14 - Equação 1 ......................................................................................................................... 24

Figura 2-15 - Equação 2 ......................................................................................................................... 24

Figura 2-16 - Soma da senóide de 697 Hz com 1209 Hz ....................................................................... 25

Figura 3-1 - Microcontrolador PIC 16F877A da MicroChip ................................................................... 26

Figura 3-2 - MCU´s de 8-bit, 16-bit e 32-bit .......................................................................................... 27

Figura 3-3 - Arquitetura Harvard ........................................................................................................... 30

Figura 3-4 - Imagem do Programa MPLAB da MicroChip...................................................................... 35

Figura 3-5 - Kit Gravador PIC USB .......................................................................................................... 36

Figura 4-1 - Algoritmo do Programa DTMF ........................................................................................... 37

Figura 4-2 - Diagrama de Blocos do Programa DTMF ........................................................................... 38

Figura 4-3 - Pinagem do PIC16F628a .................................................................................................... 40

Figura 4-4 - Diagrama de blocos PIC16F628a ........................................................................................ 40

Page 9: DTMF Aplicado à Automação Residencial

Figura 4-5 - Esquema de ligação do circuito integrado MT8870 .......................................................... 41

Figura 4-6 - Saturação forte, transistor como chave ............................................................................. 42

Figura 4-7 - Esquema Elétrico do Projeto DTMF ................................................................................... 43

Figura 4-8 - Programação Parcial em Liguagem C ................................................................................. 44

Page 10: DTMF Aplicado à Automação Residencial

LISTA DE TABELAS

Tabela 2-1 - Dígitos das Frequências Altas e Baixas .............................................................................. 19

Tabela 3-1 - Famílias PICs pelo tamanho da palavra da memória de programa. ................................. 28

Page 11: DTMF Aplicado à Automação Residencial

LISTA DE SIGLAS

DTMF - Dual Tone Multi-Frequency CPU - Unidade Central de Processamentos I/O - Entrada e Saídas DDD - Discagem Direta à Distância PIC - Periphecal Interface Controler RAM - Random Acess Memory EPROM - Erasable Programmable Read-only Memory EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter USART - Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter CISC - Complex Instruction Set Computer RISC - Reduced Instruction Set Computer SISC - Specific Instruction Set Computer

Page 12: DTMF Aplicado à Automação Residencial

SUMÁRIO

Sumário 1 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL ............................................................................. 13

1.1 Introdução ................................................................................................................................... 13

1.2 Objetivo Geral ............................................................................................................................. 13

1.3 Objetivo Específico ...................................................................................................................... 13

1.4 Justificativa .................................................................................................................................. 13

1.5 Tecnologia ................................................................................................................................... 14

1.6 Automação Residencial ............................................................................................................... 14

1.6.1 Principais Soluções de Automação Residencial........................................................................ 16

2 DTMF .................................................................................................................... 17

2.1 História ........................................................................................................................................ 17

2.1.1 Telefone .................................................................................................................................... 17

2.1.2 A Invenção da Discagem Direta ................................................................................................ 18

2.1.3 Como Funciona ......................................................................................................................... 18

2.2 DTMF ........................................................................................................................................... 19

3 MICROCONTROLADOR PIC ............................................................................... 26

3.1 História dos Microcontroladores ................................................................................................ 27

3.2 Alimentação ................................................................................................................................ 29

3.3 Definição da CPU ......................................................................................................................... 30

3.4 Arquitetura Interna ..................................................................................................................... 30

3.5 UART ........................................................................................................................................... 31

3.6 USART .......................................................................................................................................... 31

3.7 Memória de Programa ................................................................................................................ 31

3.8 Pilha ou Stack .............................................................................................................................. 32

3.9 Organização da Memória de Dados ............................................................................................ 32

3.10 Portas de Entrada/Saída ............................................................................................................. 32

3.11 Oscilador ..................................................................................................................................... 33

3.12 Pipeline ....................................................................................................................................... 33

3.13 Reset ........................................................................................................................................... 33

3.14 Watchdog Timer (WDT) .............................................................................................................. 33

3.15 A Escolha do Microcontrolador .................................................................................................. 34

3.16 Compilação e Gravação .............................................................................................................. 35

3.16.1 MPLAB ...................................................................................................................................... 35

3.16.2 O Gravador ............................................................................................................................... 36

4 ALGORITMOS E PROGRAMAÇÃO .................................................................... 37

Page 13: DTMF Aplicado à Automação Residencial

4.1 Algoritmo .................................................................................................................................... 37

4.1.1 Linguagem de Programação ..................................................................................................... 39

4.2 Programa do Microcontrolador .................................................................................................. 39

4.3 Hardware .................................................................................................................................... 41

4.3.1 MT8870 .................................................................................................................................... 41

4.3.2 Circuito Eletrônico .................................................................................................................... 41

4.3.3 Transistor .................................................................................................................................. 41

4.3.4 Transistor como Chave ............................................................................................................. 42

4.3.5 Hardware .................................................................................................................................. 43

4.3.6 Programação – Interrupção Externa ........................................................................................ 44

4.3.7 Programação – Interrupção por Mudança de Estado .............................................................. 44

4.3.8 Programa em Linguagem “C” ................................................................................................... 44

5 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 45

Page 14: DTMF Aplicado à Automação Residencial

13

1 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

1.1 Introdução

Com o avanço da tecnologia e o barateamento de materiais

necessários para a produção em grande escala para produtos eletrônicos de alta

tecnologia, as residências estão cada vez mais modernas. [1]

Segundo Bolzani (2004), entre as comodidades da automação

residencial estão funções como ligar ou desligar lâmpadas, abrir ou fechar portões

automáticos, acionar a bomba da piscina ou o sistema de irrigação do jardim, ligar

aquecedores, saunas ou aparelhos de ar condicionado e ligar ou desligar diversos

outros equipamentos que não exigem interferência humana para funcionar, incluindo

cafeteiras, torradeiras, abajures, exaustores e outros.

1.2 Objetivo Geral

O objetivo geral desse trabalho é projetar um circuito eletrônico para

controlar dispositivos à distância, usando o protocolo DTMF (Dual Tone Multi-

Frequency).

1.3 Objetivo Específico

O objetivo específico é controlar dispositivos à distância usando um

meio de transmissão telefônico através do protocolo DTMF, que são os tons do

teclado numérico de um telefone, configurado na opção multifrequencial, usando

microcontrolador para ler, processar e executar as tarefas, mostrando as vantagens

e desvantagens que esse protocolo poderá proporcionar.

1.4 Justificativa

Cada vez mais pessoas e empresas buscam soluções tecnológicas

para seus bens e produtos, poder controlar qualquer que for o dispositivo sem ter

que estar no local, pode ser bem interessante quanto econômico. Empresas podem

monitorar seus funcionários à distância, dando a eles ou não acesso a determinados

Page 15: DTMF Aplicado à Automação Residencial

14

locais de trabalho, acionando dispositivos como lâmpadas e equipamentos elétricos

à distância.

1.5 Tecnologia

A tecnologia é algo absolutamente presente na nossa vida que nem

sequer damos conta da velocidade de sua evolução. [1]

O uso da tecnologia esta cada vez mais transparente, deixando até de

ser algo complexo de se operar. Entretanto qualquer que seja a tecnologia, ela só se

torna transparente aos olhos dos usuários quando esta tudo funcionando

corretamente, pois no momento que ocorre alguma falha no serviço percebe-se que

se trata de uma tecnologia implantada. [2]

1.6 Automação Residencial

Automação residencial é o uso da tecnologia para facilitar e tornar

automáticas algumas tarefas habituais em sua residência ou área de trabalho, com

sensores de presença, temporizadores, relés ou até mesmo uma simples ligação de

um celular ou telefone fixo para que seja realizada determinada função programada

em sua residência, é possível acionar tarefas pré-programadas, trazendo maior

praticidade, segurança, economia e conforto para o morador, antes não imaginado

pelo fato de ser facilmente adaptado a qualquer atividade doméstica ou de seu

trabalho. Essa tecnologia é expansível e flexível, onde o próprio morador será

beneficiado desta automação, causando diminuição de suas tarefas rotineiras,

ganho de tempo e também pela própria proteção.

Com o planejamento adequado é possível implantar diversas redes que

se destinam as inúmeras aplicações, deste modo é possível observar a existência

de inúmeras redes de controle para cada função de sua casa, prédio ou área

comercial (empresas, lojas, etc.). Estas redes, sendo vistas de maneira ampla,

permite o desenvolvimento de sistemas complexos. [2]

Page 16: DTMF Aplicado à Automação Residencial

15

Figura 1-1 - Redes de Controle em Automação

Segundo Teruel (2009), a automação residencial surgiu a partir da

industrial no final da década de 70, quando empresas percussoras como a X10

Corp e Leviton começaram a desenvolver produtos para a arquitetura residencial,

porém ao contrário do ambiente industrial, nas residências não havia espaço para

grandes centrais de controle nem para extensos cabeamentos, o que impulsionou

várias empresas como Cisco, Intel, Motorola, Philips entre outras a desenvolverem

dispositivos dedicados ao ambiente residencial. A partir da década de 90 acontece o

grande avanço nas tecnologias de automação residencial. A utilização de controles

remotos programáveis com comunicação por infravermelho ou radiofrequência

tornou o controle de um sistema de automação residencial bem mais amigável e

prático. Unido a isso, o surgimento e o posterior barateamento da internet banda

larga aliada à evolução das telecomunicações, comunicação sem fio e a

popularização do celular e dos computadores portáteis criou todas as condições

necessárias para a concretização da casa conectada por meio da internet.

Page 17: DTMF Aplicado à Automação Residencial

16

Existe hoje no mercado uma gama enorme de soluções de automação

residencial com características diversificadas que na maioria das vezes executam

funções semelhantes.

1.6.1 Principais Soluções de Automação Residencial

Segundo Teruel (2009), as soluções de automação residenciais mais

modernas e que apresentam melhor custo/benefício são as que utilizam as

tecnologias Zigbee e Z-Wave. Essas soluções possuem comunicação por

radiofrequência e são indicadas tanto para residências já construídas quanto em

fase de projeto. Para aquelas já construídas, essas soluções são ideais, pois não

necessitam de custosas intervenções na parte física da residência para sua

instalação. Além disso, a qualquer momento o usuário pode adquirir novos

dispositivos e conectá-los a rede de automação doméstica sem complicação.

Z-Wave é uma tecnologia desenvolvida especialmente para automação

residencial por uma empresa dinamarquesa conhecida como Zensys. Hoje

trabalham no desenvolvimento da tecnologia empresas gigantes como Intel e Cisco.

Zigbee é uma tecnologia recente, está sendo desenvolvida por um

grupo de empresas como a Honeywell, Philips, Samsung, Motorola, Cisco System,

Eaton, Crestron, Legrand, LG, NEC, Epson e Texas Instruments, que tem como

principal característica o baixo consumo de energia.

Page 18: DTMF Aplicado à Automação Residencial

17

2 DTMF

DTMF é a sigla em inglês de “Dual-Tone Multi-Frequency”, os tons de

duas frequências utilizados na discagem dos telefones mais modernos. Nos

primeiros telefones a discagem era feita através de um “disco” que gerava uma

sequência de pulsos na linha telefônica (“discagem decádica” ou “discagem usando

sinalização decádica”). Ao se ocupar a linha, o “laço” (“loop”) era fechado e, ao se

efetuar a discagem, ocorriam aberturas periódicas deste “laço”, tantas vezes quanto

o número discado: para a discagem do 1, uma abertura, para a discagem do 2, duas

aberturas, e assim sucessivamente até o 0 (zero) que, na verdade, significa 10

aberturas. Com o advento dos telefones com teclado, das centrais telefônicas mais

modernas e com a disseminação dos filtros (primeiro os analógicos, depois os

digitais), passou-se à utilização multifrequencial, uma combinação de tons para

discagem (DTMF). [3]

2.1 História

Quando os colonos norte-americanos declararam sua independência

em 1776, a notícia precisou de 48 dias para cruzar o Oceano Atlântico. A chegada

do telégrafo em 1843 e do telefone em 1876 possibilitou que notícias chegassem a

qualquer lugar do mundo quase instantaneamente. [4]

2.1.1 Telefone

Em 1856, o italiano Antonio Santi Giuseppe Meucci construiu um

telefone eletromagnético – que denominou telettrofono – para conectar seu escritório

ao seu quarto, localizado no segundo andar da casa, pois sua esposa sofria de

reumatismo. Porém devido a dificuldades financeiras, Meucci apenas conseguiu

pagar a patente provisória de sua invenção. Acabou vendendo o protótipo do

telefone a Alexander Graham Bell, que, em 1876, patenteou a invenção como sua.

Meucci o processou, mas acabou falecendo durante o julgamento e o caso foi

encerrado. Assim, Graham Bell foi considerado durante muitos anos como inventor

do telefone. O trabalho de Meucci foi reconhecido postumamente em 11 de junho de

Page 19: DTMF Aplicado à Automação Residencial

18

2002, quando o Congresso dos Estados Unidos aprovou a resolução Nº.269,

estabelecendo que o inventor do telefone fora, na realidade, Antonio Meucci e não

Alexander Graham Bell. [5]

2.1.2 A Invenção da Discagem Direta

No início, as conexões de telefone eram feitas por operadores que

ligavam plugues em dispositivos. Em 1889, na cidade de Kansas, EUA, o

empresário Almon Strowger descobriu que a operadora local, casada com o

empresário que era seu rival nos negócios, transferia as ligações dos seus clientes

para o marido. Strowger inventou a primeira central telefônica automática, uma

central controlada de modo remoto que podia conectar um telefone a qualquer outro

por meio de pulsos elétricos sem a necessidade de um operador. [4]

Em 1896, Keith e os irmãos Erickson desenvolveram um sistema que

eliminou também a necessidade de apertar os botões várias vezes, substituindo-os

por um sistema que enviava sequências de pulsos do aparelho do usuário para a

central: o disco.

2.1.3 Como Funciona

Quando o disco era girado, produzia uma série de pulsos elétricos por

meio de uma mola que acoplada a ele, acionava duas placas metálicas que ficavam

na parte interna do sistema. Acionadas, as placas que se encostavam e afastavam

sucessivamente, funcionavam da mesma forma que os interruptores de botão

quando pressionados várias vezes. Para discar, uma pessoa tinha que girar o disco

até uma posição – de um número e soltá-lo. Nesse momento, uma mola fazia o

disco voltar a sua posição inicial, estabelecendo uma sucessão de contatos elétricos

que, enviados à central telefônica, tinham o mesmo efeito que produzido no antigo

sistema, quando o primeiro botão era pressionado um determinado número de

vezes. Ao girar o disco pela segunda vez, repetia-se todo o processo o que equivalia

a apertar o segundo botão uma série de vezes. Além de facilitar a vida dos usuários,

este sistema reduziu também o número de fios que ligavam cada aparelho à central

telefônica e com isso, os custos. [6]

Page 20: DTMF Aplicado à Automação Residencial

19

2.2 DTMF

A sinalização DTMF foi desenvolvida nos laboratórios Bell (Bell Labs)

visando permitir a discagem DDD, que usa enlaces sem fio como os de micro-ondas

e por satélite.

As frequências destes tons e suas combinações são mostradas na

tabela abaixo:

Hz 1209 1336 1477 1633

697 1 2 3 A

770 4 5 6 B

852 7 8 9 C

941 * 0 # D

Tabela 2-1 - Dígitos das Frequências Altas e Baixas

Na tabela acima são mostradas as frequências “altas” na linha superior

e as “baixas” na coluna mais à esquerda. No centro os números do teclado. Nos

teclados dos telefones são mostrados apenas os números de 1 a 0 e os caracteres

“*” e “#”. A frequência de 1633 hertz (e consequentemente os algarismos “A”,”B”,”C”e

“D”) é utilizada apenas internamente entre equipamentos de teste e medida.

O tom de discagem final, que é enviado à central, é a frequência obtida

do batimento da frequência alta e baixa de uma certa tecla, por exemplo, para a

tecla 1 o tom enviado é a soma de uma senóide na frequência de 1209Hz com uma

outra senóide de 697Hz.

Na central o sinal elétrico é constantemente analisado para detectar a

presença simultânea de uma das frequências baixas e uma das frequências altas,

quando então a tecla do cruzamento destas duas frequências é identificada pela

central.

A escolha destas frequências se deve principalmente pela baixa

probabilidade de se produzir estas combinações de frequências com a voz humana.

[3]

Page 21: DTMF Aplicado à Automação Residencial

20

As figuras abaixo mostram graficamente a combinação das frequências

de cada tecla:

Figura 2-1 - Tecla 1

Figura 2-2 - Tecla 2

Figura 2-3 - Tecla 3

Page 22: DTMF Aplicado à Automação Residencial

21

Figura 2-4 - Tecla 4

Figura 2-5 - Tecla 5

Figura 2-6 - Tecla 6

Page 23: DTMF Aplicado à Automação Residencial

22

Figura 2-7 - Tecla 7

Figura 2-8 - Tecla 8

Figura 2-9 - Tecla 9

Page 24: DTMF Aplicado à Automação Residencial

23

Figura 2-10 - Tecla 0

Figura 2-11 - Tecla *

Figura 2-12 - Tecla #

Page 25: DTMF Aplicado à Automação Residencial

24

Figura 2-13 - Gráfico das teclas

Para gerar os sinais superpostos que formam o DTMF são utilizadas as

seguintes equações:

Figura 2-14 - Equação 1

Onde a relação entre as relações entre as amplitudes é dada na

equação abaixo

Figura 2-15 - Equação 2

Page 26: DTMF Aplicado à Automação Residencial

25

Figura 2-16 - Soma da senóide de 697 Hz com 1209 Hz

Page 27: DTMF Aplicado à Automação Residencial

26

3 MICROCONTROLADOR PIC

Microcontrolador é um circuito integrado programável que contém

todos os componentes de um computador, como CPU (Unidade Central de

Processamento), memória para armazenar programas, memória de trabalho, portas

de entrada e saída para comunicar-se com o mundo exterior, sistemas de controle

de tempo interno e externo, conversores analógicos e digitais, UART e USART de

comunicação e outros. [7]

O PIC é um componente eletrônico pertencente à classe dos

microcontroladores programáveis de arquitetura Harvard e conjunto reduzido de

instruções (RISC). Em síntese, é um microcomputador completo, consistindo de uma

memória RAM, memória não-volátil EEPROM, memória de programa, controladores

de Entrada e Saída (I/O) digital e analógica (opcional) em torno de uma CPU com

um conjunto reduzido de instruções, dentro de um único chip.

Pode se controlar qualquer coisa ou estar incluídas unidades de

controle para:

Máquinas pneumáticas e hidráulicas comandadas;

Máquinas dispensadoras de produtos;

Motores e temporizadores;

Sistemas autônomos de controle, incêndio, umidade e temperatura;

Telefonia, automóveis, medicina, etc. [7]

A simplicidade, disponibilidade e o baixo custo são os principais

atrativos do PIC.

Figura 3-1 - Microcontrolador PIC 16F877A da MicroChip

Page 28: DTMF Aplicado à Automação Residencial

27

3.1 História dos Microcontroladores

Em 1965, a GI Microelectronics deus seus primeiros passos, fabricando

memórias EPROM e EEPROM. Desenhou no início dos anos 70 o microprocessador

de 16 bits CP1600, que trabalhava bem, mas de forma ineficaz no controle de portas

de entrada e saída. Para resolver este problema, em 1975 desenhou-se um chip

destinado a controlar portas de entrada e saída. Nascia, assim, o PIC (Peripherical

Interface Controler). Com estrutura muito mais simples que um processador, ele

podia manejar as entradas e saídas com muita facilidade, rapidez e eficiência.

Uma das razões do sucesso do PIC é à base de sua utilização, ou seja,

quando se aprende a trabalhar com um modelo, fica fácil migrar para outros

modelos, já que todos têm uma estrutura parecida.

Um dos grandes fabricantes de microcontroladores é a Microchip, que

tem sua principal fábrica em Chandler, Arizona, onde são fabricados e testados os

últimos lançamentos. Em 1993 foi construída outra fábrica no Tempe, Arizona, que

também conta com centros de fabricação em Taiwan e na Tailândia. Para se ter uma

idéia de sua produção, só da família 16CSX é de aproximadamente um milhão de

unidades semanais.

Cada tipo de microcontrolador serve para um propósito, e cabe ao

projetista selecionar o melhor microcontrolador para o seu trabalho. [7]

Existem basicamente três famílias de PICs diferenciadas pelo tamanho

da palavra da memória de programa: 12, 14 e 16 bits. Todos estes dispositivos

possuem um barramento interno de dados de oito bits.

Figura 3-2 - MCU´s de 8-bit, 16-bit e 32-bit

Page 29: DTMF Aplicado à Automação Residencial

28

O aumento no tamanho da palavra de programa possibilita um

aumento no número de instruções: os PICs de 12 bits possuem 33 instruções, os de

14 bits, 35 instruções e os de 16 bits, até 77 instruções. Uma maior quantidade de

instruções possibilita uma maior flexibilidade e eficiência na programação, mas com

a contrapartida de oferecer um maior nível de dificuldade ao aprendizado.

Observe a tabela abaixo com alguns exemplos de cada família

12 Bits 14 Bits 16 Bits

12C508 12C671 17C4x

12C509 12C672 17C75x

12CE518 12CE673 17C76x

12CE519 12CE674 18C2xx

16C54 14000 18C4xx

16C55 16C55x 18C858

16C56 16F62x 18F242

16C57 16C7x 18F252

16C58 16F7x 18F258

16C505 16F8x 18F442

16HV540 16F87X 18F458

Tabela 3-1 - Famílias PICs pelo tamanho da palavra da memória de programa.

Em seguida destacamos algumas características básicas do desenho

interno desses MCUs:

Capacidade de pipeline (enquanto executa uma instrução, o processador

busca a próxima instrução na memória, de forma a acelerar a execução do

programa);

Capacidade de execução de uma instrução por ciclo de máquina (as

instruções que provocam desvio no programa são executadas em dois ciclos

de máquinas). Observe que um ciclo de máquina no PIC equivale a quatro

ciclos de clock;

Page 30: DTMF Aplicado à Automação Residencial

29

Cada instrução ocupa sempre apenas uma posição de memória de programa

(devido à largura do barramento de dados da memória de programa ser

maior, justamente para acomodar uma instrução inteira em apenas uma

posição de memória);

Tempo de execução fixo para todas as instruções (com exceção das

instruções de desvio). Devido ao fato de cada instrução do PIC ocupar

apenas uma instrução de memória, o tempo de execução é fixo, facilitando a

determinação do tempo de execução de um programa. [8]

Os princípios gerais que regem a arquitetura PIC (séries 12, 14 e 16)

são:

Um registrador de intercâmbio geral, também chamado de registrador de

trabalho (W);

Um registrador destinado a armazenar flags resultantes de operações

matemáticas, lógicas, etc. chamado STATUS;

Um registrador destinado ao controle de interrupções, chamado INTCON;

Registradores destinados à manipulação de dados nas portas (PORT ou

GPIO).

3.2 Alimentação

Normalmente, o PIC é alimentado com uma tensão de 5,0 volts

proveniente de uma fonte DC com regulação positiva. Um regulador 7805 ou 78L05

pode ser utilizado para tal função, lembrando que 78L05 tem capacidade de suprir

até 100mA, não devendo exceder 80% deste consumo para não aumentar muito o

aquecimento do regulador. O consumo de corrente do microcontrolador é mínimo.

Ele consome menos de 2,0mA com 5,0 volts, trabalhando a 4MHz, ou 15,0 micro

amp com 3,0 volts, trabalhando a 32KHz. Quando em modo standby, consome

menos de 1,0 micro amp com 3,0 volts. No entanto, devemos ver o consumo dos

outros componentes do circuito. [7]

Page 31: DTMF Aplicado à Automação Residencial

30

3.3 Definição da CPU

As CPUs, dependendo do tipo de instrução que utilizam, podem ser

classificadas em:

CISC (Complex Instruction Set Computer) – processadores com conjunto de

instruções complexas. Dispõem de um conjunto com elevado número de

instruções, algumas sofisticadas e potentes. Em contrapartida, requerem

muitos ciclos de máquina para executar as instruções complexas.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – processadores com conjunto de

instruções reduzido.

SISC (Specific Instruction Set Computer) – processadores com conjunto de

instruções específicas. [7]

3.4 Arquitetura Interna

Entende-se por arquitetura interna (representada por blocos) a forma

como o circuito é construído, ou seja, como suas partes internas se interligam.

Podemos definir os PICs como sendo “Arquitetura Harvard”, onde a CPU é

interligada à memória de dados (RAM) e à memória de programa (EPROM) por um

barramento específico. [7]

Figura 3-3 - Arquitetura Harvard

Page 32: DTMF Aplicado à Automação Residencial

31

A arquitetura interna do PIC é do modelo Harvard, que dispõe de

memórias de dados e de programas. Cada memória dispõe de seu respectivo BUS.

Isto permite que a CPU possa acessar de forma independente a memória de dados

e a de instruções. Como as vias (BUS) são independentes, elas podem ter

conteúdos distintos na mesma direção. A separação da memória de dados da

memória de programa faz com que as instruções possam ser representadas por

palavras com mais de 8 bits. Assim, o PIC usa 14 bits para cada instrução, o que

permite que todas as instruções ocupem uma só palavra de instrução. Na sua

arquitetura ortogonal, qualquer instrução pode utilizar qualquer elemento da

arquitetura como fonte ou destino.

Todo o processo baseia-se em banco de registros, onde todos os

elementos do sistema (temporizadores, portas de entrada/saída, posições de

memórias, etc.) estão implementados fisicamente como registros. O manejo do

banco desses registros que participam ativamente na execução das instruções

torna-se muito interessante ao ser ortogonal. [7]

3.5 UART

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) serve para a

comunicação serial RS232 do PIC.

3.6 USART

USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter) é

um protocolo de comunicação universal e possui dois modos distintos de trabalho: o

sincronizado e o não sincronizado.

3.7 Memória de Programa

A memória para armazenamento de programas nos PICs das séries

12, 14 e 16 é interna, isto é, está embutida na pastilha do MCU, porém alguns

dispositivos das séries 17 e 18 podem funcionar com memórias de programa

externas. [8]

Page 33: DTMF Aplicado à Automação Residencial

32

O PIC contém um registrador denominado PC (Program Counter),

implementado com 13 bits e capaz de endereçar até 8K de programa. Ao

incrementar ou alterar o conteúdo do PC, o microcontrolador obtém um mapa seguro

de onde se está e para onde se deve ir. [7]

3.8 Pilha ou Stack

Outra estrutura encontrada no interior dos PICs é a pilha (em inglês

Stack) que nada mais é do que uma estrutura de dados normalmente localizada na

memória RAM e que caracteriza por apresentar apenas um ponto de acesso aos

seus dados denominado topo da pilha (em inglês TOS-Top of Stack). [8]

A pilha é uma memória, independente da memória de dados e da

memória de programa, com estrutura LIFO (Last In First Out), onde o último dado a

entrar será o primeiro a sair. [7]

3.9 Organização da Memória de Dados

A memória de dados divide-se em quatro bancos, contendo os

registros de propósitos gerais (GPR) e os registros de funções especiais (FSR). [7]

Os registros que afetam a CPU são: STATUS, OPTIONS, INTCON,

PIE1, PIR, PCON. [7]

3.10 Portas de Entrada/Saída

No microcontrolador, as linhas de comunicação de entrada/saída de

dados (I/O) são chamadas de portas.

PORTx – utilizado para a leitura ou escrita de informações nos pinos

externos do PIC. No PIC16F62x encontramos 16 portas de entrada/saída (I/O).

Estas portas estão divididas em dois grupos (A e B), ambos com 8 portas. O grupo A

é chamado de PORTA e o grupo B de PORTB. A identificação de cada porta se dá

através da letra “R” seguida da letra identificadora do grupo (A ou B) e do número da

porta, que se inicia em zero. Ex.: RA0, RA1, RA2, RB0, RB1, RB2. [7]

TRISx – utilizado para controle da direção de funcionamento de cada

pino da porta (se entrada ou saída). [8]

Page 34: DTMF Aplicado à Automação Residencial

33

3.11 Oscilador

Para seu funcionamento, todo microcontrolador ou microprocessador

necessita de um sinal de relógio (clock) para fazê-lo oscilar, já que todas as

operações internas ocorrem em perfeito sincronismo. No PIC, o clock tem quatro

fases, chamadas Q1, Q2, Q3 e Q4. Estas quatro pulsações concluem um ciclo de

máquina (instrução), durante o qual uma instrução é executada. Internamente, o

contador de programa (PC) é incrementado a cada ciclo Q1, onde a instrução é

requisitada da memória de programa para ser armada na instrução registrada em

Q4. A instrução é decodificada e executada no período Q1 a Q4. [7]

3.12 Pipeline

O processo “pipelining” é uma técnica de segmentação que permite ao

microcontrolador fazer a busca de uma instrução num determinado ciclo de máquina

e realizar a sua decodificação e execução no ciclo seguinte. [7]

3.13 Reset

O vetor RESET leva o microcontrolador a reiniciar seus registros para

valores iniciais pré-definidos na fabricação. Um dos mais importantes efeitos de um

reset é o que zera o contador de programa (PC), fazendo com que o programa

comece a ser executado a partir da primeira instrução do software programado.

No PIC 16F62x existem alguns tipos de reset, são eles: reset normal,

reset Power-on (POR), Power-up timer (PWRT), Brown-out detect (BOD), reset por

transbordamento de WDT. [7]

3.14 Watchdog Timer (WDT)

A tradução deste termo não faz sentido, mas ele pode ser entendido

como “cão de guarda”. Trata-se de um contador preciso de 8 bits, que atua como

temporizador e tem o objetivo de vigiar o microcontrolador, impedindo que este entre

em alguma rotina ou instabilidade, que o faria trabalhar em um loop infinito ou parar

de responder. Para que o software não seja resetado a cada estouro de WDT, deve-

Page 35: DTMF Aplicado à Automação Residencial

34

se limpá-lo em períodos de tempos inferiores ao calculado para o estouro, utilizando-

se a instrução CLRWDT ou SLEEP, sendo que esta última colocará o

microcontrolador em repouso. [7]

3.15 A Escolha do Microcontrolador

O primeiro passo é determinar qual é a menor arquitetura capaz de

atender os requisitos do sistema.

A escolha da linguagem de programação poderá causar impacto no

desempenho do sistema e, dessa forma, também influenciar na seleção da

arquitetura. Para aplicação em escalas, o custo sistema pode ser o critério mais

importante.

A frequência do barramento, ou clock, determina a taxa de execução

de processamento em um período de tempo do microcontrolador. A determinação do

clock necessário para o sistema é importante para a escolha do microcontrolador a

ser utilizado.

Os recursos embutidos no chip do microcontrolador permitem obter

maior grau de integração e confiabilidade com um custo menor. Quanto mais

recursos presentes no microcontrolador, menor será a necessidade de circuitos

externos, o que significa maior confiabilidade.

Se a idéia for desenvolver um projeto que apresente uma longa vida útil

é importante escolher um microcontrolador que tenha flexibilidade e variedade de

periféricos. O mesmo se aplica se o desenvolvimento for destinado a uma

plataforma com muitas variações de produto final. Nestes casos também será

importante que a troca do modelo do microcontrolador não exija mudanças

significativas no hardware.

A escolha do modelo do microcontrolador mais adequado para um

projeto não é uma atividade simples e representa compromissos que podem se

mostrar limitantes no futuro. [9]

Page 36: DTMF Aplicado à Automação Residencial

35

3.16 Compilação e Gravação

3.16.1 MPLAB

O MPLAB é uma ferramenta da MicroChip para a edição de software,

simulação e até mesmo para a gravação do microcontrolador. Ele tem a função de

auxiliar no desenvolvimento de projetos, facilitando assim a vida do projetista. Esta

ferramenta é distribuída gratuitamente pela MicroChip, podendo ser baixada na

internet diretamente do site do fabricante (www.microchip.com).

O MPLAB integra em uma única ferramenta: um editor de programa

fonte, compilador, simulador e, quando conectado às ferramentas da MicroChip,

também o gravador PIC, o emulador, etc.

O programa fonte digitado será convertido, pelo MPLAB, em códigos

de máquina, que serão gravados e executados pelo microcontrolador. Normalmente,

todo o software que converte uma sequência de comandos em linguagem de

máquina é chamado de compilador. O compilador é composto por diversos níveis,

desde analisador léxico até linkeditor.

O ponto alto do MPLAB é o simulador, que permite que você execute

seu programa sem a necessidade de gravá-lo no microcontrolador, permitindo assim

que se façam diversas correções enquanto se desenvolve o software. [7]

Figura 3-4 - Imagem do Programa MPLAB da MicroChip

Page 37: DTMF Aplicado à Automação Residencial

36

3.16.2 O Gravador

O gravador é um dispositivo projetado em concordância com as

características do microcontrolador. Existem muitos tipos de gravadores e softwares

de aplicação. Alguns são muitos simples e econômicos, outros são complexos e

caros.

Figura 3-5 - Kit Gravador PIC USB

Page 38: DTMF Aplicado à Automação Residencial

37

4 ALGORITMOS E PROGRAMAÇÃO

4.1 Algoritmo

Um algoritmo é uma sequência de instruções ordenadas de forma

lógica para a resolução de uma determinada tarefa ou problema. Segue abaixo o

algoritmo do nosso programa:

;********************************************PROGRAMA DTMF************************************************ INICIO ATENDE A LIGAÇÃO VAI PARA SENHA SENHA SE CORRETO, VAI PARA PROGRAMA SE INCORRETO, RETORNA VAI PARA SENHA SE INCORRETO 4X, VAI PARA DERRUBA LIGAÇÃO PROGRAMA SE DIGITO*=PROGRAMAÇÃO DA TROCA DE SENHA VAI PARA TROCA DE SENHA SE DIGITO1=LIGA SAIDA 1 RETORNA PROGRAMA SE DIGITO2=DESLIGA SAIDA 1 RETORNA PROGRAMA SE DIGITO3=LIGA POR 3 SEGUNDOS SAIDA 2 RETORNA PROGRAMA TROCA DE SENHA SENHA < SENHA NOVA (4 DIGITOS) RETORNA PROGRAMA SE DIGITO0 FIM PROGRAMA-1 DERRUBA A LIGAÇÃO FIM

Figura 4-1 - Algoritmo do Programa DTMF

Page 39: DTMF Aplicado à Automação Residencial

38

Abaixo temos o diagrama de blocos do nosso programa DTMF

Figura 4-2 - Diagrama de Blocos do Programa DTMF

INÍCIO

ATENDE A LIGAÇÃO

VAI PARA SENHA SENHA

SENHA CORRETA SENHA INCORRETA

PROGRAMA

DIGITO-1 DIGITO-2 DIGITO-3 DIGITO-* DIGITO-0

LIGA À

SAÍDA-1

DESLIGA À

SAÍDA-1

LIGA POR 3

SEGUNDOS

À SAÍDA-2

ALTERAR

SENHA

FINALIZAR O

PROGRAMA

DIGITE

NOVA

SENHA

DIGITO-#

CONFIRMA

A SENHA

RETORNA AO PROGRAMA

FIM DO PROGRAMA

Se <=3x

Se > 3

Page 40: DTMF Aplicado à Automação Residencial

39

4.1.1 Linguagem de Programação

A linguagem “C” nasceu na Bell Labs, divisão da AT&T. A famosa

companhia americana de telecomunicações desenvolveu em seus laboratórios o

sistema operacional Unix e posteriormente a linguagem “C” em 1969, por Dennis

Ritchie (também um dos principais criadores do Unix), a partir da linguagem “B” de

Ken Thompson. Seu propósito era gerar uma linguagem de alto nível, em oposição à

linguagem de máquina (Assembly), conhecida como de baixo nível. O “C” é uma

linguagem para uso geral, ou seja, para o desenvolvimento dos mais diversos tipos

de aplicação. Tem como características: modularidade, portabilidade, recursos de

“baixo” e “alto” nível, geração de código eficiente, confiabilidade, regularidade, além

de conter um número pequeno de comandos.

A linguagem “C”, ou simplesmente “C”, é uma linguagem pequena,

composta de poucos comandos e operadores, e que pode apresentar variações de

um fabricante para outro no modo de escrita e nas funções internas (que são grupos

de comandos e operadores idealizados pelo construtor da linguagem para realizar

determinada tarefa). [7]

4.2 Programa do Microcontrolador

O PIC16F628a é um microcontrolador fabricado pela Microchip

Technology (www.microchip.com), com as seguintes características:

- Composto de 18 pinos;

- Possui somente 35 instruções no seu microcódigo;

- Sinal de clock de frequência até 20MHz;

- Memória de programa do tipo Flash de 2048 words (1 word = 32 bits);

- 224 bytes de memória RAM para dados;

- 128 bytes de memória EEPROM para dados;

- Instruções de 14 bits com 200ns de tempo de execução;

- Dados de 8 bits por endereço de memória;

- 16 pinos os quais podem ser configurados como entrada e/ou saída;

- Outras características especiais como programação in-circuit serial;

- Proteção por código, watchdog timer (temporizador cão de guarda);

Page 41: DTMF Aplicado à Automação Residencial

40

- Módulo CCP, comparador interno, Usart de comunicações, etc; [11]

Pinagem do PIC16F628a:

Figura 4-3 - Pinagem do PIC16F628a

Os pinos de RA0 à RA7 e de RB0 à RB7 podem ser configurados como

entradas ou saídas digitais. A alimentação se dá no pino Vdd, ligado normalmente

em 5V com faixa de tolerância de 2 à 6V e o pino Vss é a referência de terra. O pino

OSC1/CLKIN é utilizado para sinal de clock produzido por cristal ou um circuito

externo e o pino OSC2/CLKOUT para sinal de clock por cristal (utilizado em conjunto

com o OSC1/CLKIN). O pino MCLR é uma entrada de sinal de reset em nível baixo

(zero). O PIC16F628a é composto pelos subsistemas digitais conforme diagrama de

blocos abaixo:

Figura 4-4 - Diagrama de blocos PIC16F628a

Page 42: DTMF Aplicado à Automação Residencial

41

4.3 Hardware

4.3.1 MT8870

O circuito integrado MT8870 é um receptor de sinais DTMF de

pequeno tamanho, baixo consumo de energia e alto desempenho. Sua arquitetura

consiste de uma seção de filtro bandsplit, que separa a alta e baixa dos tons de

grupo seguida por uma contagem digital, que verifica a frequência e a duração dos

tons recebidos antes de passar o correspondente código para o barramento de

saída.

Figura 4-5 - Esquema de ligação do circuito integrado MT8870

4.3.2 Circuito Eletrônico

Para acionar os relés das saídas do microcontrolador usaremos

transistores como chaves.

4.3.3 Transistor

No final dos anos 40, ocorreu a construção do primeiro transistor nos

laboratórios da Bell, em 23 de dezembro de 1947, por John Bardeen, Walter Houser

Brattain, e William Bradford Shockley, os quais ganharam o prêmio Nobel de física

em 1956. O termo “transistor” resulta da contração das palavras transfer e resistor,

Page 43: DTMF Aplicado à Automação Residencial

42

ou seja, resistência de transferência. É um dispositivo eletrônico semicondutor,

componente chave em toda da eletrônica moderna, onde são amplamente utilizados

como parte de computadores, portas lógicas, memórias e uma infinidade de

circuitos.

4.3.4 Transistor como Chave

A polarização da base é útil em circuitos digitais porque esses circuitos

geralmente são projetados para operar na região de saturação e no corte. Por isso,

eles têm uma tensão de saída baixa ou uma tensão de saída alta. Em outras

palavras, nenhum dos pontos Q é usado, saturação ou corte. Por essa razão, as

variações no ponto Q não são importantes, pois o transistor permanece na

saturação ou no corte quando o ganho de corrente varia.

A figura 4.4 mostra um exemplo de um transistor com uma saturação

forte. Portanto, a tensão de saída é de aproximadamente 0 volts. Isso significa que o

ponto Q está no ponto superior da reta de carga.

Figura 4-6 - Saturação forte, transistor como chave

Quando a chave abre, a corrente da base cai à zero. Por isso, a

corrente do coletor cai à zero. Sem corrente no resistor de 1k, toda a tensão de

alimentação do coletor aparece entre os terminais coletor-emissor do transistor.

Logo, a tensão de saída aumenta para +10 volts.

O circuito pode ter apenas duas tensões de saída: 0 ou +10 volts. É

assim que identificamos um circuito digital. Ele tem apenas dois níveis de tensão de

saída: baixo ou alto.

Page 44: DTMF Aplicado à Automação Residencial

43

Os circuitos digitais são sempre chamados de circuitos de

chaveamento porque seu ponto Q fica restrito entre dois pontos da reta de carga. Na

maioria dos projetos, os dois pontos são saturação e corte. Outro nome também

usado é circuito de dois estados, referindo-se aos dois níveis de tensão de saída,

baixo e alto. [10]

4.3.5 Hardware

Usando o circuito integrado MT8870 para fazer a conversão do sinal

DTMF em saídas digitais BCD, utilizando as entradas do PORTB de RB4 à RB7 do

microcontrolador PIC16F628A, tendo as saídas no PORTA de RA0 à RA3, sendo

RA0 e RA1 acionando leds e as saídas RA2 e RA3 passando por transistores e

acionando relés com capacidades de cargas maiores, como mostra o esquema

abaixo:

Figura 4-7 - Esquema Elétrico do Projeto DTMF

Page 45: DTMF Aplicado à Automação Residencial

44

4.3.6 Programação – Interrupção Externa

Segundo Souza essa interrupção é gerada por um sinal externo ligado

a uma porta específica do PIC, configurada como entrada, desta maneira, podemos

identificar e processar imediatamente um sinal externo. Ela é utilizada para diversas

finalidades, como, por exemplo, a comunicação entre micros, garantindo o

sincronismo, o reconhecimento de um botão ou outro sinal do sistema que necessite

de uma ação imediata. [12]

4.3.7 Programação – Interrupção por Mudança de Estado

A interrupção externa, vista acima, funciona somente na borda de

subida ou na borda de descida (quando o sinal lógico sobe ou desce), dependendo

de como ela foi configurada. Já a interrupção por mudança de estado acontece em

ambos os casos. Essa interrupção, por sua vez, está ligada às portas RB4, RB5,

RB6 e RB7 simultaneamente. Por isso, se essas portas forem configuradas como

entradas, a mudança de estado em qualquer uma delas irá gerar a interrupção. [12]

4.3.8 Programa em Linguagem “C”

Figura 4-8 - Programação Parcial em Liguagem C

Page 46: DTMF Aplicado à Automação Residencial

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5 CONCLUSÃO

Neste trabalho foi abordado o tema DTMF Aplicado a Automação

Residencial, mostrando conceitos de automação residencial, o sinal DTMF,

microcontroladores PIC, linguagem de programação “C” e eletrônica.

O trabalho foi concluído com algumas pendências que ficaram como

trabalho futuro, como exemplo, algumas portas do microcontroladores ficaram

inativas podendo ser usadas para mais saídas ou entradas.

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Referências:

[1] Teruel, Evandro Carlos - Revista Saber Eletrônica nº 138 – 2009 [2] Endereço eletrônico: http://www.automatichouse.com.br/AutomaticHouse/WebSite/Automacao/Residencial.aspx acessado em: 25 de março de 2010 [3] - http://pt.wikipedia.org/wiki/DTMF Acessado em 18 de Abril de 2010 [4] – Revista Grandes Invenções e Descobertas, 2009 [5] - http://pt.wikipedia.org/wiki/Antonio_Meucci Acessado em 18 de Abril de 2010. [6] - http://www.fundacaotelefonica.org.br/museu/Funcionamento.aspx Acessado em 18 de Abril de 2010 [7] Silva, Renato A. - Programando Microcontroladores PIC: Linguagem “C” [8] Pereira, Fábio – Microcontroladores PIC: Técnicas Avançadas/ Fábio Pereira. – 6ª Edição – São Paulo: Érica, 2007. [9] Cunha, Roberto - Revista Saber Eletrônica – Ano45 – Nº435 – Abr/2009 [10] Malvino, Albert Paul – Eletrônica: volume 1 – 4º edição – Makron Books, 1995 [11] Silva, Luiz Marcelo Chiesse – Análise de Circuitos Digitais – PIC16F628a [12] Souza, David José de, 1971 – Desbravando o PIC: ampliado e atualizado para PIC 16F628A / David José de Souza. 12.ed. – São Paulo: Érica, 2008. Datasheet MT8870 - http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/228/268107_DS.pdf Acessado em: 18/05/2010 Revista Saber Eletrônica – Ano 44 – Nº422 – Março/2008 Silva Júnior, Vidal Pereira da, 1963 – Microcontroladores PIC: Teoria e Prática / Vidal Pereira da Silva Júnior. – São Paulo : V. P. Silva Júnior, 1997.