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TERMO DE APROVAÇÃO
Rosimaria Araujo da Silva
SISTEMA PARA ANÁLISE DA MADEIRA UTILIZANDO MÉTODO DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS SONORAS
Monografia apresentada como requisito parcial à conclusão do curso de
Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca
examinadora:
Prof. José Carlos da Cunha (Orientador) Prof. Valfredo Pilla Jr. Prof. Alessandro Zimmer
Curitiba, 29 de Novembro de 2006.
ii
AGRADECIMENTOS
A Deus, a quem nos últimos meses não teve a atenção merecida.
Aos colegas de curso, pela boa vontade demonstrada em todos os
esclarecimentos solicitados.
Ao meu orientador Prof. José Carlos da Cunha que proporcionou este desafio.
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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO................................................................................................................................................... 9
2 OBJETIVOS...................................................................................................................................................... 10
3 REVISÃO DA LITERATURA ........................................................................................................................ 10 3.1 PROPRIEDADES ANATÔMICAS DA MADEIRA ................................................................................................ 10
3.1.1 Dimensões das Fibras ......................................................................................................................... 10 3.1.2 Relações entre as Dimensões de Fibras.............................................................................................. 13
3.2 PROPRIEDADES MORFOLÓGICAS DA MADEIRA ............................................................................................ 13 3.2.1 Percentual de Lenhos.......................................................................................................................... 13 3.2.2 Ângulo Grã.......................................................................................................................................... 14
3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS DA MADEIRA.......................................................................................................... 14 3.3.1 Densidade Básica................................................................................................................................ 14
3.4 NÓS.............................................................................................................................................................. 15 3.5 TÉCNICAS DE AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DA MADEIRA...................................................................... 15 3.6 TÉCNICA DE AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DA MADEIRA POR EMISSÃO DE ONDAS DE TENSÃO ............. 16
3.6.1 Aplicação de Ondas Acústicas em Produtos Sólidos e Componentes de Madeira.............................. 16 3.6.2 Aplicação de Ondas Acústicas em Toras ............................................................................................ 17 3.6.3 Aplicação de Ondas Acústicas em Árvores em Pé .............................................................................. 17
3.7 INFLUENCIAS DAS CARACTERISTICAS DA MADEIRA SOBRE A PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE TENSÃO........... 17 3.8 ASPECTOS TECNOLÓGICOS .......................................................................................................................... 17
3.8.1 Microcontrolador................................................................................................................................ 18 3.8.2 Protocolo de Comunicação................................................................................................................. 21 3.8.3 Solenóide............................................................................................................................................. 29 3.8.4 Conversores Analógicos/Digitais........................................................................................................ 30 3.8.5 Acelerômetro ....................................................................................................................................... 31 3.8.6 Amplificadores de Instrumentação...................................................................................................... 33 3.8.7 Comparador ........................................................................................................................................ 35 3.8.8 Multiplexador...................................................................................................................................... 36 3.8.9 LCD..................................................................................................................................................... 37
4 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA ........................................................................................................................ 37 4.1 ASPECTOS FUNCIONAIS................................................................................................................................ 38 4.2 ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE .................................................................................................................. 39
4.2.1 Funções do Hardware......................................................................................................................... 39 4.2.2 Componentes Utilizados...................................................................................................................... 39 4.2.3 Diagrama em Blocos do Hardware..................................................................................................... 39
4.3 AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO.............................................................................................................. 41 4.3.1 Interface com o Usuário...................................................................................................................... 41 4.3.2 Firmware............................................................................................................................................. 42
4.4 ESTIMATIVA DE INVESTIMENTO................................................................................................................... 43 4.5 CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ................................................................................... 44
5 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO......................................................................................................... 44 5.1 HARDWARE.................................................................................................................................................. 44
5.1.1 Placa de Composição do Sinal............................................................................................................ 45 5.1.2 Placa de aquisição de dados microncontrolados................................................................................ 47 5.1.3 Desenvolvimento do Microcontrolador PIC16F877........................................................................... 48 5.1.4 Fonte de Alimentação.......................................................................................................................... 48
6 TESTES E RESULTADOS.............................................................................................................................. 49 6.1 FREQUÊNCIA DE OSCILAÇÃO ....................................................................................................................... 51 6.2 COMUNICAÇÃO SERIAL................................................................................................................................ 51 6.3 SINAIS DE ENTRADA DIGITAIS .................................................................................................................... 52 6.4 INTERRUPÇÃO .............................................................................................................................................. 52 6.5 SINAIS DE ENTRADA ANALÓGICA ................................................................................................................ 52 6.6 TEXTO NO LCD............................................................................................................................................ 53
7 CONCLUSÃO ................................................................................................................................................... 53
iv
8 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................................................... 54
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................ 56
10 ANEXOS............................................................................................................................................................ 68
v
LISTA DE FIGURAS FIGURA 3-1 ESQUEMA DE UMA FIBRA DA MADEIRA..................................................................................................... 11 FIGURA 3-2 VARIAÇÃO DA ESPESSURA DA PAREDE DAS FIBRAS DE PINUS TAEDA AO LONGO DO TRONCO................... 13 FIGURA 3-3 EXEMPLO DE NÍVEIS DE SINAIS EM UMA COMUNICAÇÃO DIGITAL ............................................................. 23 FIGURA 3-4 SOLENÓIDE TRANSPORTANDO CORRENTE ................................................................................................. 29 FIGURA 3-5 LINHAS DE CAMPO MAGNÉTICO............................................................................................................... 29 FIGURA 3-6 REGRA DA MÃO DIREITA........................................................................................................................... 30 FIGURA 3-7 AQUISIÇÃO DE DADOS USANDO CONVERSOR A/D..................................................................................... 31 FIGURA 3-8 SISTEMA MASSA-MOLA (BUDZINKI, 1999) ............................................................................................ 32 FIGURA 3-9 ESTRUTURA DE UM AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO ...................................................................... 34 FIGURA 3-10 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM 741 ................................................... 36 FIGURA 3-11 ESTRUTURA DE UM MULTIPLEXADOR/DEMULTIPLEXADOR ..................................................................... 37 FIGURA 4-1 SISTEMA COM A DISPOSIÇÃO DOS ACELERÔMETROS ................................................................................ 38 FIGURA 4-2 DISPOSIÇÃO DOS ACELERÔMETROS NA MADEIRA...................................................................................... 38 FIGURA 4-3 DIAGRAMA EM BLOCOS DO PROJETO DE HARDWARE ................................................................................ 39 FIGURA 4-4 ESTRUTURA INTERNA DO ACELERÔMETRO (FREESCALE, 2006) ................................................................ 40 FIGURA 4-5 MICROCONTROLADOR PIC 16F877 (FREESCALE, 2006)........................................................................... 41 FIGURA 4-6 FLUXOGRAMA BÁSICO DO FUNCIONAMENTO DO FIRMWARE ................................................................... 42 FIGURA 5-1 DIAGRAMA DO ACELERÔMETRO MMA7260Q.......................................................................................... 45 FIGURA 5-2 ESQUEMÁTICO DA PLACA DE COMPOSIÇÃO DOS SINAIS ........................................................................... 46 FIGURA 5-3 ESQUEMÁTICO DA PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS MICRONCONTROLADOS............................................ 47 FIGURA 5-4 ESQUEMÁTICO DA FONTE SIMÉTRICA....................................................................................................... 48 FIGURA 6-1 LCD 16X2 ................................................................................................................................................ 50 FIGURA 6-2 TELA DO PROGRAMA SERIAL RCOMSERIAL VERSÃO 1.1........................................................................... 52
vi
Lista de Tabelas TABELA 3-1 CARACTERÍSTICAS DO MICROCONTROLADORES PIC 16F877 .................................................................. 20 TABELA 3-2 EXEMPLO DA DETERMINAÇÃO DO BIT DE PARIDADE............................................................................... 26 TABELA 4-1 ESTIMATIVA DE CUSTOS........................................................................................................................... 43 TABELA 4-2 CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ................................................................................ 44 TABELA 6-1 RESULTADOS OBTIDOS ............................................................................................................................ 50
vii
Lista de Equações EQUAÇÃO 3-1 SOLENÓIDE IDEAL................................................................................................................................. 30 EQUAÇÃO 3-2 GANHO TOTAL ...................................................................................................................................... 34 EQUAÇÃO 6-1 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO ............................................................................................................. 49 EQUAÇÃO 6-2 TAXA DE TRANSMISSÃO ....................................................................................................................... 51 EQUAÇÃO 6-3 VALOR DIGITAL (10BITS) ..................................................................................................................... 52 EQUAÇÃO 6-4 VALOR ANALÓGICO.............................................................................................................................. 53
viii
Lista de Símbolos
Ø – diâmetro.
Ω - Ohm.
η - nano.
µ – micro.
ix
Lista de Siglas
NCET – Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas.
UNICENP – Centro Universitário Positivo.
V – Volts.
kHz – Kilo Hertz.
MHz – Mega Hertz.
A/D – Analógico Digital.
PC – Computador Pessoal.
g – Aceleração da Gravidade.
GND – Aterramento, nível lógico nulo.
VCC – Tensão de Alimentação.
INA – Amplificador de Instrumentação.
AOP – Amplificador Operacional.
m – metro.
A – Ampére
cm – centímetro.
7
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo mostrar o desenvolvimento e a
implementação de um sistema composto de hardware e firmware aplicado ao protótipo
de aquisição de dados, a ser utilizado como um sistema para produzir ondas através de
um método de impacto. Neste método, a aplicação e medição das ondas mecânicas
consistem no posicionamento de dois acelerômetros sobre a madeira a ser avaliada.
Uma onda acústica é introduzida na madeira de pinus ou eucalipto através do
choque de um martelo eletromecânico. Quando a onda atingi o acelerômetro de início,
uma contagem de tempo é iniciada e, quando esta onda atingir o acelerômetro de fim a
contagem de tempo cessa e o tempo decorrido de trânsito da onda sonora entre os
acelerômetros é armazenado. Com esse tempo pode-se calcular, a velocidade de
propagação da onda, que será utilizada para analisar as propriedades da madeira.
Conhecendo-se o tempo e a velocidade de propagação da onda e utilizando regressão
linear polinômial, poderão ser calculados modelos estatísticos para análise das
propriedades da madeira.
Para melhorar a qualidade do produto final será necessário o conhecimento
prévio das propriedades da madeira a ser utilizada. Para isso, as grandes empresas de
base florestal e os centros de pesquisa dispõem de laboratórios, onde são realizadas
análises convencionais e, em geral, com número restrito de amostras, uma vez que são
demoradas e com um custo considerado, desde a coleta das amostras até a obtenção
dos resultados finais.
Palavras- chave: Propriedades da madeira , Aquisição, propagação da onda
8
ABSTRACT
The present work has as objective to show to the development and the
implementation of a composed system of hardware and firmware applied to the
archetype of acquisition of data, to be used as a system to produce waves through an
impact method. In this method, the application and measurement of the mechanical
waves consist of the positioning of two accelerometers on the wood to be evaluated. A
wave acoustics is introduced in the wood of Pinus or Eucalipto through the shock of an
electromechanical hammer. When the wave I reached the beginning accelerometer, a
time counting is initiated e, when this wave to reach the end accelerometer the time
counting ceases and the passed time of transit of the sonorous wave between the
accelerometers is stored. With this time it can be calculated, the speed of propagation
of the wave, that will be used to analyze the properties of the wood. Knowing the time
and the speed of propagation of the wave and using polinômial linear regression,
statistical models for analysis of the properties of the wood could be calculated. To
improve the final product quality the previous knowledge of the properties of the wood to
be used will be necessary. For this, the great companies of forest base and the centers
of research make use of laboratories, where conventional analyses e are carried
through, in general, with restricted number of samples, a time that are delayed and with
a considered cost, since the collection of the samples until the attainment of the final
results.
Key Words: Properties of the wood, Acquisition, propagation of the wave.
9
1 INTRODUÇÃO
Os reflorestamentos no Brasil correspondem a 6 milhões de hectares, sendo 4,8
milhões com pinus e eucalipto, que se concentram nas regiões Sul e Sudeste do Brasil.
Desta área 1,6 milhões de hectares são povoamentos do gênero Pinus, sendo que
57% encontram-se nos estados do Paraná e Santa Catarina (SBS, 1996). Estes
povoamentos estão comprometidos com o setor de celulose, pasta de papel e,
atualmente, com redução significativa do uso de madeiras nativas, estão atendendo
também o setor de madeira sólida.
As estatísticas mostram uma demanda significativamente superior à oferta, e se
intensificará nos próximos anos. Mantendo-se a demanda atual dos dois estados, a
falta de madeira de Pinus será acentuada entre 2007 e 2016, alcançando seu pico
máximo em 2011 com um déficit de 12 milhões de metros cúbicos com casca, dado
preocupante para as indústrias de base florestal (VALOR FLORESTAL, 2004).
Além da falta de matéria-prima, outro fator que preocupa os consumidores é a
variada qualidade da madeira produzida que, em geral, não atende os padrões exigidos
pelos produtos. O tronco de algumas espécies apresenta forma inadequada, elevada
freqüência e diâmetro de galhos, gerando considerada quantidade de nós, grande
região medular, acentuados canais e bolsas de resina, além de outras que afetam as
características dessa madeira.
Para melhorar a qualidade dos produtos, é necessário o conhecimento prévio das
propriedades da madeira a ser utilizada. Para isso, as grandes empresas de base
florestal e os centros de pesquisa dispõem de laboratórios, onde são realizadas
análises convencionais e, em geral, com número restrito de amostras uma vez que são
demoradas e com um custo considerado, desde a coleta das amostras até a obtenção
dos resultados finais.
Este projeto concentra-se no desenvolvimento e implementação de um dispositivo
de aquisição de dados, a ser utilizado como um sistema para produzir ondas através de
um método de impacto, no qual, a aplicação e medição das ondas de tensão consistem
no posicionamento de dois transdutores do tipo acelerômetro sobre a madeira a ser
avaliada.
Uma onda acústica é introduzida no material através do choque de um martelo
eletromecânico. Quando a onda atingir o acelerômetro de início uma contagem de
tempo é iniciada e, quando esta onda atingir o acelerômetro de fim, a contagem de
10
tempo cessa e o tempo decorrido de transito da onda de tensão entre os transdutores é
armazenado.
2 OBJETIVOS
Especificar, projetar e implementar um sistema usando acelerômetro, para que
este fique fazendo a aquisição do tempo de propagação da onda.
O sistema fará o registro do tempo, o qual será utilizado para o cálculo da
velocidade de propagação das ondas e até mesmo avaliar as propriedades da madeira
através do método não destrutivo ou avaliar a qualidade da madeira.
3 REVISÃO DA LITERATURA
A madeira é um material lenhoso, formado por células dispostas no sentido radial
e axial, ligadas entre si pela lignina. Estas células passaram por vários estágios de
desenvolvimento, como a divisão celular, diferenciação e maturação, sendo
influenciadas em cada um desses estágios por fatores genéticos, climáticos,
geográficos entre outros, resultando em material não uniforme, com alta variabilidade
entre e dentro da árvore (ZOBEL; VAN BUIJTENEN, 1989). Se por um lado, esta
variabilidade torna a madeira um material utilizável para diferentes tipos de produtos,
por outro, torna um grande inconveniente na sua utilização como matéria prima para
produtos específicos, necessitando de um conhecimento prévio de suas propriedades e
variações. Seu uso depende da sua qualidade que pode ser determinada em função
dos requisitos exigidos pelo produto final. Vários autores referem-se ás propriedades
anatômicas, químicas, físicas e morfológicas, como sendo as principais variáveis de
qualidade da madeira (LARSON, 1969; BARRICHELO, 1979; ZOBEL; VAN
BUIJTENEN, 1989; MOURA, 2000) e as propriedades mecânicas, quando se considera
a madeira para fins estruturais (MATOS, 1997).
3.1 Propriedades Anatômicas da Madeira
3.1.1 Dimensões das Fibras
11
As madeiras de coníferas apresentam uma simples estrutura, construída
por dois tipos de células:
• As de raio que correspondem de 5% a 10% da madeira.
• As fibras axiais que correspondem de 90% a 95% da madeira.
• As fibras axiais são células longas e delgadas, e as mais importantes em
termos de utilização da madeira.
O termo fibras é tecnicamente utilizado para espécies de folhosas e, por ser mais
fácil, adota-se este termo em ambas as situações. Na presente pesquisa, também será
utilizado o termo fibras para se referir aos traqueóides de Pinus Taeda e de outras
espécies coníferas.
As dimensões das fibras são indicadores importantes do potencial de uma
madeira para a fabricação de papel. Estas exercem influências diretas nas variáveis de
processo, principalmente no grau de refino, na qualidade da pasta e,
conseqüentemente, nas resistências físicas e mecânicas do papel (FOELKEL, 1976;
BARRICHELO, 1979).
Os parâmetros usualmente considerados nos estudos de fibras compreendem
quatro medidas fundamentais:
• Comprimento;
• Largura;
• Espessura da parede;
• Ø do lúmen.
A Figura 3-1 apresenta o esquema de uma fibra da madeira.
Figura 3-1 Esquema de uma Fibra da madeira
12
As dimensões das fibras são controladas por diferentes processos fisiológicos
variando dentro da árvore nos sentidos radial e axial. O comprimento das fibras é
diretamente influenciado pelas divisões longitudinais - tangenciais que ocorrem no
câmbio, estas são controladas pela taxa de hormônios da árvore a qual está ligada a
sazonalidade, a condições ambientais e a fatores genéticos, dentre outros.
Quando as condições são propicias para um maior crescimento a taxa de
hormônios aumenta, induzindo as células cambiais às rápidas divisões, assim não há
tempo suficiente para o incremento em comprimento da fibra antes da próxima divisão,
sendo observadas mais fibras mais curtas em períodos de alto rítmo de crescimento.
Esta propriedade também é influenciada pela idade da árvore, com o aumento da
idade, as células cambiais passam a produzir células com maiores dimensões até
atingirem a estabilização em idades mais avançadas, dessa forma, há um aumento do
comprimento de fibras no sentido medula-casca, com fibras mais curtas na região
interna do tronco.
As espécies do gênero Pinus apresentam, no sentido axial, tendência de aumento
do comprimento de fibras até o meio do tronco, decrescendo em direção a copa, esta
redução se deve a alta concentração de hormônios de crescimento nas regiões
próximas a copa. A largura ou Ø externo das fibras e o Ø do lúmen são influenciadas
pela taxa de crescimento e pela idade das árvores.
Estudando a madeira de Pinus Taeda aos 30 anos de idade, observamos
acréscimos na largura e Ø do lúmen das fibras até o meio do tronco, estando
fortemente correlacionadas, indicando que as fibras mais largas são também as de
maior Ø do lúmen. Estas correlações são ainda mais fortes na idade juvenil.
Segundo KIBBLEWHITE (1984), fibras largas e com grandes diâmetros de lúmen
são bastante flexíveis e se entrelaçam facilmente na formação de papel, gerando uma
boa resistência, além disso, são fáceis de serem trabalhadas durante o refino da
celulose.
Com respeito à espessura da parede, uma fibra é formada pelas paredes
primárias e secundárias. Durante o crescimento em comprimento a fibra apresenta
apenas a parede primária, a parede secundária se forma após o crescimento superficial
ter cessado, esta parede pode representar até 90% da espessura total.
Igualmente as demais dimensões, a espessura da parede é influenciada por
fatores genéticos e ambientais, especialmente quando estes interferem no ritmo de
crescimento.
13
A Figura 3-2 apresenta a variação da espessura da parede das fibras de Pinus
Taeda ao longo do tronco.
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
5 25 50 75
Altura ( % )
Figura 3-2 Variação da espessura da parede das fibras de Pinus Taeda ao longo do tronco
Quanto à influências no produto final, a espessura da parede das fibras encontra-
se diretamente relacionadas às resistências mecânicas da celulose/pasta e papel.
Quanto maior a espessura da parede, maior é a resistência ao rasgo, mas não
apresentam bom desempenho nos processos de refino, reduzindo significativamente a
resistência à tração.
3.1.2 Relações entre as Dimensões de Fibras
Muitas vezes as dimensões das fibras, isoladamente, podem não apresentar
correlações significativas com a qualidade do produto final, especialmente da celulose,
pasta e do papel. Porém ao agrupá-las, as influências são mais acentuadas podendo
ser obtidas correlações significativas. Este agrupamento sob diversas formas resulta
em índices que auxiliam na interpretação da qualidade da madeira. Segundo FOELKEL
(1976), as relações entre as dimensões da fibra tem sido de considerável interesse na
interpretação da qualidade, podendo auxiliar na explicação dos resultados para as
resistências do produto final e, inclusive, na identificação e seleção de madeiras.
3.2 Propriedades Morfológicas da Madeira
3.2.1 Percentual de Lenhos
Esp
essu
ra d
a P
ared
e ( M
icra
)
14
A cada ano, são depositadas duas camadas de madeira entre casca e a madeira
propriamente dita. Estas camadas são denominadas de anéis de crescimento. Quando
formadas no outono/inverno são chamadas de lenho tardio, e na primavera/verão são
denominadas de lenho inicial. Os percentuais de lenho também são influenciados pela
idade da árvore. Nos primeiros anos o rítmo de crescimento é elevado, formando se
maior percentual de lenho inicial. Quando a árvore tende a maturidade, há um aumento
relativo no percentual de lenho tardio.
Os percentuais de lenho inicial aumentam em direção a copa da árvore, o que
explica a maior largura, maior Ø do lúmen e menor espessura da parede das fibras em
alturas mais elevadas do tronco.
Os percentuais de lenho inicial e tardio são propriedades importantes, tanto na
produção de celulose e papel quanto na obtenção de produtos, tais como laminados,
componentes de portas e janelas entre outros. Quanto maior o percentual de lenho
tardio, maior é o rendimento e a resistência desses produtos.
Para serrados e laminados a relação lenho inicial/tardio pode apresentar
problemas na resistência mecânica, na dureza do material e inclusive na secagem.
3.2.2 Ângulo Grã
O ângulo de inclinação do grã é a medida de desvio dos tecidos componentes da
madeira. Esta propriedade tem principal efeito sobre o valor e utilidade da madeira,
sendo especialmente importante para produtos sólidos. Quando o ângulo é alto,
praticamente impossibilita a manufatura de determinados produtos devido a
empenamentos, rachaduras e quebras, além de prejudicar a aparência do produto
acabado.
3.3 Propriedades Físicas da Madeira
3.3.1 Densidade Básica
A densidade básica da madeira é tida pelas indústrias de base florestal, como
uma das mais importantes propriedades por ser de fácil determinação e por estar
correlacionada com rendimentos e características de diversos produtos, além de ser
alterada através de tratos silviculturais e manipulada geneticamente.
15
Esta propriedade definida como a relação entre o peso seco da madeira e o seu
volume obtido acima do ponto de saturação das fibras, é resultante das características
químicas, anatômicas e morfológicas.
A densidade básica apresenta forte relação positiva com a espessura da parede
das fibras, por outro lado esta propriedade apresenta forte relação negativa com a
largura, lenho inicial e diâmetro do lúmen. No que diz respeito às relações entre
densidade básica e o comprimento de fibras, verificou que ambas são independentes.
No setor de celulose e papel, a densidade básica se relaciona ao rendimento e
qualidade dos produtos. No que diz respeito à madeira estrutural, a densidade básica
se relaciona diretamente ás propriedades de resistência, tanto da madeira verde,
quanto seca, tendo suas resistências aumentadas com incremento na densidade
básica.
3.4 Nós
Uma importante fonte de variação da madeira é a presença dos nós. Sua
frequência, tamanho, posição e tipo determinam a qualidade da madeira,
principalmente na obtenção de produtos sólidos. Na indústria de celulose estes defeitos
são menos importantes, sendo separados no inicio dos processos ou mesmo
desagregados nos processos químicos.
O nó é definido como uma porção de galho incorporado no tronco da árvore e
consiste basicamente de fibras de madeira de compressão. A madeira que
compreende a região dos nós apresenta desvios acentuados de suas células,
formando alto ângulo de grã.
Os nós estão relacionados a fatores genéticos, variando entre espécies, podendo
ser controlado por práticas silviculturais. A quantidade de nós aumenta
substancialmente com a altura do tronco, na direção da copa da árvore, contribuindo
para a redução do valor das toras, além disso, reduzem significativamente a resistência
da madeira e prejudicam sua aparência.
3.5 Técnicas de Avaliação das Propriedades da Madeira
A avaliação não destrutiva tem sido usada na área florestal para uma série de
finalidades, desde a matéria prima bruta até a classificação de produtos dentro das
indústrias. A avaliação não destrutiva é uma técnica de identificação das propriedades
16
de um determinado material sem alterar sua capacidade de uso futuro, utilizando
informações para tomada de decisões com relação às aplicações do material avaliado.
As vantagens dos métodos não destrutivos são: a possibilidade de utilização posterior
da peça; a rapidez de aplicação do método; confiabilidade nos resultados obtidos;
redução de perda de material; detecção de defeitos internos antes do derrubamento da
árvore; entre outros.
Existem várias técnicas classificadas como não destrutiva, entre elas podemos
citar os métodos visuais, métodos químicos, métodos mecânicos e os métodos físicos.
A maioria dos métodos não destrutivos usados para diversos materiais, pode ser
empregada para avaliação da madeira e seus componentes, a escolha depende da
aplicação específica e da adaptabilidade. Essas técnicas têm sido empregadas com
sucesso para a avaliação da madeira em diferentes etapas de processamento, desde
de a árvore em pé até os diferentes produtos obtidos.
3.6 Técnica de Avaliação das Propriedades da Madeira por Emissão de Ondas de Tensão
A técnica de avaliação não destrutiva de ondas de tensão vem sendo investigada
há mais de 30 anos e tem sido utilizada para diversas aplicações na indústria de
produtos florestais. Devido à dificuldade de aplicar uma vibração forçada ao objeto, a
maioria das avaliações é conduzida com base no método de impacto, no qual a
aplicação e medição das ondas consistem no posicionamento de dois sensores sobre a
madeira a ser avaliada. Uma onda de tensão é aplicada à madeira através do choque
de um martelo eletromecânico. Quando a onda alcança o acelerômetro de início, uma
contagem de tempo é iniciada no microcontrolador, quando esta atinge o acelerômetro
de fim, a contagem de tempo cessa e o microcontrolador registra o tempo decorrido. O
tempo registrado é utilizado para o cálculo da velocidade de propagação das ondas.
3.6.1 Aplicação de Ondas Acústicas em Produtos Sólidos e Componentes de Madeira
Vários estudos têm sido desenvolvidos para verificação de propriedades e
classificação de produtos da madeira, incluindo pequenas amostras, como madeiras
sem defeitos, tábuas, vigas, lâminas e produtos compostos da madeira. Estes estudos
mostram resultados satisfatórios na aplicação das ondas. Avaliações não destrutivas
17
através de ondas acústicas, têm sido utilizadas também em postes, ponte de madeiras
e outras estruturas, valorizando a aplicação no local onde estão montadas.
3.6.2 Aplicação de Ondas Acústicas em Toras
Estudos vêm sendo conduzidos com o objetivo de selecionar toras com
propriedades desejadas para determinados produtos. O método de ondas de tensão
tem-se mostrado eficiente na detecção de defeitos da madeira, indicando que é
possível estimar a qualidade potencial das árvores através da avaliação não destrutiva.
3.6.3 Aplicação de Ondas Acústicas em Árvores em Pé
Há um grande interesse por parte dos pesquisadores no desenvolvimento do
método adequado de avaliação das propriedades de árvores em pé, podendo-se prever
e antecipar a qualidade do produto final. Entretanto, sabe-se que uma árvore em pé
apresenta grandes variações no formato, tamanho e propriedades. As árvores em pé
tendem a apresentar condições adversas que podem interferir na avaliação das
propriedades da madeira através da aplicação de ondas de tensão, entretanto é
possível adaptar o método para avaliação mais eficiente e eficaz.
3.7 Influencias das Caracteristicas da Madeira Sobre a Propagação de Ondas de Tensão
A propagação de ondas de tensão na madeira é influenciada pelas propriedades
anatômicas, físicas e mecânicas deste material. Além destas propriedades, a
propagação de ondas de tensão na madeira é influenciada pela direção de propagação
e por defeitos encontrados no material.
3.8 Aspectos Tecnológicos
Fazer a aquisição de dados é o primeiro passo para análise de um sistema. A não
utilização automática de aquisição de dados torna esta ação vulnerável a erros
humanos, dificultando a análise de resultados, acarretando num alto custo.
É economicamente inviável a utilização de um sistema comercial de um
temporizador de onda de tensão “Stress Wave Timer”, por ter que preencher planilhas
18
manualmente, com o tempo e posteriormente calcular a velocidade da onda e as
propriedades físicas da madeira.
O desenvolvimento deste sistema tem como questões fundamentais:
• A seleção do hardware que será utilizado para coleta de dados será do tipo
microcontrolado. Adicionalmente deve-se fazer a programação do
microcontrolador adequado para a aplicação.
• A especificação do protocolo de comunicação mais adequado para
interconexão com o computador. Algumas opções são: RS232, RS485,
USB, IEE1394 (FireWire), etc.
Com o desenvolvimento deste sistema pretende-se reduzir o tempo com relação
ao preenchimento de planilhas e análise de resultados.
3.8.1 Microcontrolador
Um microcontrolador é um dispositivo eletrônico que apresenta incorporado
internamente, além da UCP (unidade central de processamento), outros elementos que
antes eram externos, como memórias (ROM e RAM – programa e dados),
respectivamente dispositivos de entrada e saída (buffers tri-states – entradas e latchs –
saídas), comunicação serial, temporizadores e contadores (T/C), etc. Um
microcontrolador seria então um microprocessador acrescido de periféricos. O custo
final foi reduzido, motivo pelo qual rapidamente se popularizou e hoje vemos em
aplicações corriqueiras do dia-a-dia.
Muitos componentes foram lançados no mercado com estas características. O
primeiro chip que se popularizou no mercado foi o 8051 da Intel (família MCS-51). Hoje
esta família é extensa, fabricada por 12 empresas no mundo (Siemens, Philips, Temic,
Dallas, Intel, etc). Os chips são compatíveis em software, diferenciando-se na
capacidade de memória, portas de entrada e saída periféricas internos, além de outros
aspectos.
Com a evolução da microeletrônica, outros dispositivos eletrõnicos entraram
fortes neste mercado competitivo: os microcontroladores de última geração, entre eles,
os PIC’s (Microchip) e AVR’s (ATMEL).
19
Antes de começar a trabalhar com microcontrolador é preciso conhecer um pouco
das estruturas disponíveis CISC e RISC (Ribeiro Jr. e Kimura 2004), o CISC e RISC
são:
• CISC, é uma abreviação para “Complex Instruction Set Computer”
(Computador com Conjunto de Instruções Complexo). O padrão CISC usa
comandos que incorporam um grande número de pequenas instruções
para executar uma simples operação. Como exemplo de processadores
CISC temos o 80486 da Intel e o Motorola 68030 que já utilizava essa
tecnologia.
• RISC, é uma abreviação para “Reduced Instruction Set Computer”
(Computador com Conjunto de Instruções Reduzido), e são encontrados
em processadores mais atuais. É um projeto menos complicado que usa
instruções mais simples para executar uma operação comparável e em
menos tempo que um processador CISC que executa um comando maior e
mais complicado. Os chips possuem algumas diferenças físicas, os RISC,
podem ser fisicamente menores que os chips CISC, usam menos
transistores, sua fabricação é geralmente mais barata em produz menos
calor.
Muitas previsões vêm afirmando que o futuro dos processadores caminha para
um projeto RISC, contudo não tem havido um movimento de venda em massa do
RISC, devido ao grande número de softwares desenvolvidos para trabalhar com
processadores Intel CISC mais antigos e você não recebe todos os benefícios da
arquitetura RISC, a não ser que possua um sistema operacional e aplicativos criados e
compilados especificamente para esta arquitetura de processadores.
O PIC tem um set de instruções bem reduzido, como é característico a um
processador RISC. Com isto, nem tudo que está sendo solicitado no algoritmo tem uma
instrução direta no conjunto de instruções. O programador deverá achar saídas via
software que, muitas vezes, devem ser bem criativas para implementar as soluções.
Isto significa um tempo maior de programa, implementação, testes e correções.
(CUNHA, n. 361, fev. 2003).
20
Na Tabela 3-1 são apresentadas as características do microcontrolador PIC
16F877, que será utilizado neste projeto.
Tabela 3-1 Características do Microcontroladores PIC 16F877 PIC16F877 MICROCHIP
PINAGEM 40
CPU RISC
Memória de Programação Flash 8k Bytes
EEPROM 256, 8-bits
RAM 368, 8-bits
Instruções 35
I/O Programáveis 33
Registros 73
Alimentação 2,0 – 5,5V
Oscilador 20 MHz
Timer/Counter 1 x 8-bits
2 x 16-bits
Saída PWM 2
Watchdog 1
Comunicação Serial SPI, MSSP, USART
Comunicação Paralela -
A/D 8 canais 10-bits
Encapsulamento PDIP
A Microchip fornece gratuitamente em seu site (www.microchip.com), uma
ferramenta que permite escrever, testar, simular e carregar o programa, permitindo
usar o assembler ou então a linguagem C. Esta ferramenta é o MPLAB e é de fácil uso.
Para programar o PIC, é preciso ter um equipamento de programação ou usar o
MPLAB ICD (In-Circuit Debugger, custo aproximado de US$ 300), que é um pequeno
módulo de interface entre o computador e o PIC.
Além da própria Microchip, algumas outras empresas (como a brasileira Mosaico)
fabricam módulos de programação a um custo acessível.
Para programadores em C, é preciso verificar se as ferramentas continuam sendo
apropriadas. Alguns compiladores C são gratuito para programas até 2 kBytes de
tamanho. Para programas com mais de 8 kBytes pode chegar ao preço de US$
21
2.4000,00 (FOB – USA). Já o compilador C da Microchip custa perto de US$750,00
(posto no Brasil). Numa produção média ou pequena o preço da ferramenta de
desenvolvimento pode refletir-se no custo final do produto.
Existem outras fontes de ferramentas, muitas gratuitas, que podem ser
encontradas na Internet e que merecem um estudo cuidadoso para saber se cumprem
todos os requisitos exigidos.
Deve-se levar em consideração, também, a vida útil do produto/projeto e a
necessidade de manutenção do software. Algumas ferramentas têm licenças de tempo
limitado e a capacidade de depuração (debug) é outro fator relevante e diretamente
responsável pela duração do desenvolvimento e manutenção futura.
Em resumo, escolher um microcontrolador exige muito cuidado e consciência dos
parâmetros do projeto e das condições em que o produto final será submetido. Isso
vale para qualquer outro componente de um projeto, em que se deseja um resultado
funcional, econômico e, inclusive elegante. (CUNHA, n. 361, fev. 2003).
No PIC, cada instrução demora apenas um ciclo de máquina para ser processada
(ou dois ciclos, no caso de uma instrução de desvio.
A quantidade de contadores e/ou temporizadores a serem utilizados em um
projeto irá depender do tipo de solução que este projeto requer. Os microcontroladores
PIC possuem uma quantidade de recursos suficiente para a grande maioria das
aplicações. Uma vez que o seu custo também é menor, o que justifica a sua aplicação
em projetos relativamente simples.(CUNHA, n. 361, fev. 2003).
O microcontrolador PIC 16F877 será utilizado seguintes aspectos:
• Maior número de I/O’s programáveis;
• Maior número de registros;
• Possibilidade de operação com maior freqüência de clock;
• Maior número de contadores / temporizadores de 16 bits;
• Menor preço.
3.8.2 Protocolo de Comunicação
3.8.2.1 Comunicação de Dados
Comunicação de dados estuda os meios de transmissão de mensagens digitais
para dispositivos externos ao circuito originado da mensagem. Através das portas de
22
comunicação serial (também conhecidos como COM1, COM2, COM3 e COM4) é
possível enviar / receber dados , reconhecer um evento, ler um sensor externo , etc.
(UEL,2005).
Um byte (conjunto de 8 bits) representa a menor configuração de uma informação
digital , que representa um dado digital. Pode-se dizer que uma comunicação digital é
realizável, quando for possível “enviar” ou “ler” um byte enviado pelo computador. O
computador dispõe de acessos para que esta troca de informações possa ser utilizada
pelo usuário, portas seriais ou paralelas. Geralmente a porta paralela (conhecida por
LPT, Line Printer), é conectada a uma impressora, realizando assim uma comunicação.
Na comunicação com portas paralelas todos os oito bits de um byte são transmitidos
simultaneamente. Para estas portas são necessárias oito linhas de transmissão do
byte, pois é transmitido um bit por linha (via do cabo paralelo), além de outros sinais de
controle para gerenciar o fluxo de informação. A vantagem neste tipo de comunicação
é a obtenção de uma velocidade de transmissão maior, porém pela alta quantidade de
fios necessários, em grandes distâncias ela se torna complexa e dispendiosa.
Na transmissão serial utilizada com portas seriais são utilizadas apenas duas
ligações, onde cada um dos bits é transmitido em seqüência, um a um até completar os
oito bits. O mesmo acontece repetidas vezes quando mais bytes forem transmitidos. A
menor quantidade de vias é uma das vantagens da transmissão serial.
No entanto, a velocidade neste tipo de transmissão é menor, já que o tempo de
transmissão de um byte é maior comparado ao sistema paralelo. Mas devido às
tecnologias atuais e CI´s de alta velocidade, a transmissão serial pode ser utilizada
com boa velocidade. Outra característica deste tipo de transmissão é a confiabilidade.
O valor final do byte estará comprometido se em uma transmissão de um bit
acorrer algum ruído no sinal, podendo assim ter seu valor erroneamente identificado.
Também para resolver este tipo de problema, hoje em dia existem sistemas que
garantem uma confiabilidade de quase 100%, sendo designados por Protocolos de
transmissão. O mais simples consiste em se mandar ao final da transmissão um dígito
verificador que pode traduzir, por exemplo, a soma dos dígitos do byte ou sua paridade,
conforme será visto em seção específica adiante.
23
Figura 3-3 Exemplo de níveis de sinais em uma comunicação digital
(GEOCITES,2005)
3.8.2.2 Comunicação Serial de Dados
A maioria das mensagens digitais é mais longa que alguns poucos bits. A
mensagem é quebrada em partes menores e transmitida seqüencialmente, pois não é
prático nem econômico transferir todos os bits de uma mensagem simultaneamente. A
comunicação de dados estuda os meios de transmissão de mensagens digitais para
dispositivos externos ao circuito originador da mensagem. Dispositivos externos são
geralmente circuitos com fonte de alimentação independente dos circuitos relativos a
um computador ou outra fonte de mensagens digitais. Como regra, a taxa de
transmissão máxima permitida para uma mensagem é inversamente proporcional ao
ruído e diretamente proporcional a potência do sinal. A função de qualquer sistema de
comunicação é fornecer a maior taxa de transmissão possível com a menor potência e
com o menor ruído possível. (CAZIAN, 2005).
A distância que um dado sinal percorre em um computador varia de alguns
milímetros, até vários centímetros quando a conexão de sinais envolve, por exemplo,
uma placa mãe com conectores para diversos circuitos. Para estas distâncias, o dado
digital pode ser transmitido diretamente.
Entretanto, freqüentemente os dados devem ser enviados para fora dos circuitos
que constituem o computador. No entanto, a dificuldade de estabelecer uma
transmissão precisa de dados aumenta juntamente com a distância entre a fonte e o
destino. Isso é resultado de distorções elétricas dos sinais que trafegam através de
condutores longos, e de ruídos adicionados ao sinal que se propagam através do meio
de transmissão. A distorção e o ruído podem tornar-se tão severos que a informação é
perdida. Se alguns cuidados não forem tomados na troca de dados dentro de um
computador, principalmente quando dados são transferidos para dispositivos fora dos
circuitos do computador onde o problema é bem mais acentuado.
24
3.8.2.3 Canais de Comunicação
Um canal de comunicação é um caminho por onde pode trafegar as informações.
Podendo ser definida por uma linha física (condutor) que conecta dispositivos de
comunicação, ou por um rádio ou por um emissor de laser, ou ainda outra fonte de
energia radiante.
Na comunicação digital um byte é um exemplo de uma unidade de mensagem
que pode ser agrupada em um “frame” ou outra unidade de mensagem de maior nível.
Devido a esses múltiplos níveis de encapsulamento o reconhecimento de mensagens e
interconexões de dados complexos é facilitado.
Um canal simplex é o tipo de canal onde a direção de transmissão é inalterada.
Uma estação de rádio pode ser considerada como um canal simplex, pois ela sempre
transmite o sinal para os ouvintes e a transmissão inversa nunca acontece.
Um canal half-duplex é um canal físico simples onde as mensagens podem fluir
nas duas direções, mas nunca ao mesmo tempo. Um exemplo é uma chamada
telefônica, em que enquanto uma parte fala a outra escuta e após uma pausa, a outra
parte fala e a primeira escuta. Falar simultaneamente resulta em sons que não podem
ser compreendidos.
Um canal full-duplex permite que mensagens sejam trocadas simultaneamente
em ambas as direções. (CAZIAN, 2003).
3.8.2.4 Taxa de Transferência (BAUD RATE)
A taxa de transferência refere-se a velocidade com que os dados são enviados
através de um canal e é medido em transições elétricas por segundo. Na norma EIA
232/485, ocorre uma transição de sinal por bit, e a taxa de transferência e a taxa de bit
(bit rate) são idênticas. Nesse caso, uma taxa de 115kbauds corresponde a uma
transferência de 115200 dados por segundo.
Outro conceito é a eficiência do canal de comunicação que é definido como o
número de bits de informação utilizável (dados) enviados através do canal por
segundo. Ele não inclui bits de sincronismo, formatação, e detecção de erro que podem
ser adicionados à informação antes da mensagem ser transmitida, e sempre será no
máximo igual a um.
25
3.8.2.5 Transmissão Assíncrona x Transmissão Síncrona
Em geral, dados serializados são enviados através de um canal de maneira
desuniforme. Os pacotes de dados binários são enviados com informações regulares
seguidos de uma pausa, provavelmente com comprimentos de pausa variável entre
pacotes, até que a mensagem tenha sido completamente transmitida. A transferência
de dados tornar-se-á possível depois que o receptor estiver sincronizado com o
transmissor. Mas o circuito receptor dos dados deve saber o momento adequado para
ler os bits individuais do canal, deve saber exatamente quando um pacote inicia e
quanto tempo percorre entre bits. Se durante a transmissão ocorrer falhas isto irá
causar a corrupção ou perda de dados.
Em sistemas síncronos, canais separados são utilizados para transmitir dados e
informação de tempo. Os pulsos de clock para o receptor são transmitidos através do
canal de temporização. Através da recepção de um pulso de clock, o receptor lê o
canal de dado e armazena o valor do bit encontrado naquele momento. Mas até que o
próximo pulso de clock chegue o canal de dados não é lido novamente. A
sincronização esta garantida, pois como o transmissor é responsável pelos pulsos de
dados e de temporização, o receptor irá ler o canal de dados apenas quando
comandado pelo transmissor.
Há maneira de se compor o sinal de clock e de dados em um único canal. Sendo
utilizado quando as transmissões síncronas são enviadas através de um modem.
(CAZIAN, 2005).
Em sistema assíncrono, a informação é transmitida por somente um canal. O
transmissor e o receptor devem ser configurados antecipadamente para que a
comunicação seja estabelecida satisfatoriamente. Um oscilador preciso no receptor irá
gerar um sinal de clock interno que é igual (ou muito similar) ao do transmissor. Para o
protocolo serial mais comum, os dados são enviados em pequenos pacotes de 10 ou
11 bits, dos quais 8 constituem a mensagem. O sinal correspondente no canal tem um
nível lógico ‘1’, quando o canal está em repouso. Para sinalizar ao receptor que uma
transmissão foi iniciada. O “start bit” inicializa um temporizador interno no receptor
avisando que a transmissão começou e que serão necessários pulsos de clock.
Seguido do start bit, 8 bits de dados de mensagem são enviados na taxa de
transmissão especificada. O pacote é concluído com os bits de paridade e de parada
“stop bit”.
26
Para minimizar o risco do oscilador do transmissor e do oscilador de receptor não
serem iguais, em sistemas assíncronos o comprimento do pacote de dados é pequeno.
A sincronização pode ser garantida sobre os 11 bits do período, principalmente quando
osciladores a cristal são utilizados. O “start bit reinicia a sincronização a cada novo
pacote enviado, portanto a pausa entre pacotes pode ser longa”.
3.8.2.6 Paridade
A paridade é um método confiável de detecção de erro. Uma análise estatística
dos erros de comunicação de dados tem mostrado que na presença de ruído
randômico um erro com bit simples é muito mais provável que erros em múltiplos bits.
Para que o erro seja detectado é utilizado o bit de paridade no pacote de dados.
Na convenção de paridade-par, o valor do bit de paridade é escolhido de tal maneira
que o número total de dígitos ´1´ dos dados adicionados ao bit de paridade do pacote
seja sempre um número par. Na recepção do pacote, a paridade do dado precisa ser
recomputada pelo hardware local e comparada com o bit de paridade recebido com os
dados. A paridade coincidirá e o dado com erro será validado, caso um número par de
bits seja trocado. (TOCCI, WIDMER, 2003).
A mensagem recebida sairá errada se o receptor falhar ao detectar ruídos e
distúrbios elétricos momentâneos, podendo acarretar em mudanças nos dados quando
estão trafegando pelos canais de comunicação, podendo causar sérias conseqüências.
Para que os erros sejam evitados, primeiramente deve-se detectá-los para prevenir que
os dados sejam tomados como corretos pode-se pedir que o pacote com erro seja
reenviado, ou no mínimo que um erro seja sinalizado. Caso haja uma redundância nos
dados que forem encaminhados, um ou dois bits de erros poderão ser corrigidos pelo
hardware no receptor antes que o dado chegue ao seu destino.
Tabela 3-2 Exemplo da Determinação do Bit de Paridade
Fonte: CAZIAN – RS232
Dado Bit de Paridade
1 0 1 1 0 0 1 0 0
1 0 0 0 1 0 1 0 1
27
3.8.2.7 Chescksum
O cálculo de um “checksum”, utilizado quando mensagens com mais de um byte
são enviadas através do canal de comunicação, é outra maneira de se detectar um
erro. Dessa maneira, os pacotes que constituem uma mensagem são adicionados
aritmeticamente. Um número de checksum é adicionado à seqüência do pacote de
dados de tal forma que a soma dos dados mais o checksum seja zero. Quando
recebido, os dados devem ser adicionados pelo processador local. Significará que
ocorreu um erro caso a soma do pacote der resultado diferente de zero. Na ocorrência
de erros é improvável (porém não impossível) que qualquer corrupção de dados
resultem em checksum igual a zero.
3.8.2.8 Interface RS232
A interface RS 232 (Recommended Standard) é um padrão que especifica as
funções de sinais, tensões , temporizações, conexões mecânicas e protocolo para as
informações. Ela surgiu em meados da década de 60, através do EIA, ”Electronic
Industries Association”. Esta norma sofreu algumas alterações para simplificar diversas
soluções, adotados por muitos fabricantes, de maneira que tornou-se impossível a
simplificação da padronização sugerida. Sendo que os principais problemas
apresentados na utilização para comunicação de dados RS 232 pelos usuários seguem
abaixo:
• Inversão de uma ou mais linhas de controle ou inversão das linhas de
transmissão e recepção devido à função incorreta da comunicação para o
cabo em uso.
• A ausência ou conexão errada de sinais de controle, que resultam em
estouro do buffer ou travamento da comunicação.
Contudo, os drivers utilizados são bastante tolerantes aos abusos cometidos, e os
CI´s normalmente sobrevivem.
A interface RS-232 define três tipos de conexão: elétrica, funcional e mecânica. É
uma interface muito utilizada para conexões a 0-115 kbauds por 15,2m. Utiliza-se
normalmente o conector DB-25 para ligar DTE’s e DCE’s. DTE utilizam conectores
machos enquanto os DCE, conectores fêmeas.
28
O padrão RS-232 C, que consiste num método de comunicação serial assíncrono,
enquanto que a interface física fica por conta de um conector do tipo DB-25, que é
composto de 25 pinos com largura de 47,04 (para + ou – 0,13 mm – de centro para
centro de parafuso).
A fila superior tem pinos de 1 a 13 e a fila inferior tem pinos de 14 a 25
numeradas da esquerda para a direita com uma taxa de transmissão de até 115200
bit/s com cabos de até 15 metros. A especificação elétrica é de –3V (1 binário) e +3V (0
binário). Já a especificação funcional informa quais são os circuitos conectados a cada
pino. Porém, atualmente são bastante utilizados também os conectores do tipo DB-9,
composto de 9 pinos, que tem na sua fila superior, pinos enumerados de 1 a 5 e de 6 a
9 na fila inferior. (UEL,2005).
Os dados seriais são transmitidos e recebidos através da porta RS-232C via pino
TD (Transmit Data) e RD (Receive Data), respectivamente. O RS-232 é compatível
com os padrões: ITU V.24, V.28; ISO IS2110.
Abaixo são descritos a funcionalidade de cada pino do DB9:
1. Carrier Detect – Enviado pelo modem ao terminal, indica que o modem
está recebendo um sinal na linha com característica de portadora.
2. Received Data – Os dados recebidos pelo modem sofrem a demodulação
(modem analógico) ou a decodificação (modem digital) e são
encaminhados ao ETD 3 na forma digital.
3. Transmitted Data – Os dados (na forma digital) vindos do dispositivo ETC
são encaminhados para o ECD para a transmissão. Esses dados sofrerão
modulação (modem analógico) ou codificação (modem digital) para serem
colocados no meio de transmissão.
4. Data Terminal Ready – Controla a conexão do modem à linha telefônica.
5. Signal Ground – Estabelece uma referência de aterramento para as linhas.
Pode ser associado a pino 1.
6. Data Set Ready – Indicação do modem ao terminal indicando que o mesmo
está pronto para operar.
7. Request to Send – Indicação do terminal para o modem alertando que a
transmissão.
8. Clear to Send – Indicação do modem ao terminal informando que o mesmo
está pronto para transmitir dados. É um sinal de resposta ao sinal RTS.
29
9. Ring Indicator – O modem avisa ao terminal a detecção de uma chamada
telefônica (Ring).
3.8.3 Solenóide
O campo magnético do solenóide é a soma vetorial dos campos criados por cada
uma de suas espiras (HALLIDAY 1996). A Figura 3-4 apresenta um solenóide
transportando corrente.
Figura 3-4 Solenóide transportando corrente
No caso limite de um solenóide ideal, infinitamente longo e que consiste em
espiras estritamente espaçadas de fio de seção reta quadrada, o campo no interior do
solenóide é uniforme e paralelo ao eixo do solenóide, já o campo magnético fora do
solenóide é zero (HALLIDAY 1996). A Figura 3-5 apresenta as linhas de campo
magnético.
Figura 3-5 Linhas de Campo Magnético
O sentido do campo magnético ao longo do eixo do solenóide é dado pela regra
da mão direita, interpretada do seguinte modo: segure o solenóide com a mão direita
de modo que seus dedos sigam o sentido da corrente nos enrolamentos; seu polegar
direito estendido apontará, então, no sentido do campo magnético axial (HALLIDAY
1996). A Figura 3-6 apresenta a regra da mão direita.
30
Figura 3-6 Regra da mão direita
Aplicando a lei de Ampère teremos a Equação 3-1 do solenóide ideal.
Equação 3-1 Solenóide ideal
niB 00µ= (3-1)
Um solenóide fornece um meio prático de se obter um campo magnético uniforme
conhecido para fins experimentais, da mesma forma que um capacitor de placas
paralelas fornece um meio prático para obter-se um campo elétrico uniforme
conhecido.
3.8.4 Conversores Analógicos/Digitais
Um conversor A/D recebe uma tensão analógica de entrada e depois de um certo
tempo produz um código digital de saída que representa a entrada analógica. Muitos
tipos importantes de conversores A/D possuem um conversor D/A como parte de seus
circuitos (SIDNEY, 2000).
3.8.4.1 Funcionamento de um conversor A/D
• Um pulso START inicia a operação;
• Numa taxa determinada pelo CLOCK, a unidade de controle modifica o
valor armazenado no registrador;
• O valor binário armazenado no registrador é convertido para uma tensão
analógica, Vax, pelo conversor D/A;
• O amplificador operacional compara Vax com a entrada analógica Va. Se
Vax < Va, a saída do comparador fica em ALTO. Quando Vax > Va (por, no
mínimo, uma tensão limiar Vt), a saída do comparador vai para BAIXO e
31
pára o processo de modificar o número no registrador. Neste ponto Vax ≅
Va, dentro da resolução e precisão do sistema;
A lógica de controle sinaliza o fim da conversão (EOC).
Em muitas aplicações, dados analógicos devem ser digitalizados e transferidos
para o microcomputador. Este processo é chamado aquisição de dados. Numa
aplicação de armazenamento (por exemplo, áudio) os dados são transferidos para a
memória do computador e depois podem ser convertidos novamente em sinais
analógicos. Em aplicações de controle, esses dados constituem informações e, através
delas, o computador irá acionar ou não suas saídas de controle (FACENS, 2005).
A Figura 3-7 apresenta a aquisição de dados usando conversor A/D.
Figura 3-7 Aquisição de dados usando conversor A/D
3.8.5 Acelerômetro
Acelerômetros são sensores capazes de converter a aceleração da gravidade ou
movimento em sinais elétricos (NETO, 2000).
Os acelerômetros baseiam-se em dois princípios bastante conhecidos da física, a
Lei de HOOK e a Segunda Lei do Movimento de Newton.
Um sistema formado por uma massa e uma mola é apresentado na Figura 3-8.
Quando se aplica uma força a esta mola, com a intenção de estendê-la, esta
responderá com uma força restauradora proporcional ao seu deslocamento; o mesmo
vale para o caso onde se comprime a mola. Este princípio é a Lei de HOOK,
matematicamente representada por: xkF ×= , onde ( )F é a força, ( )x é o
deslocamento e k é a constante de proporcionalidade entre a força e o deslocamento
(BUDZINSKI, 1999).
32
O segundo princípio que rege o funcionamento do acelerômetro diz que uma
força, agindo sobre uma massa que sofre uma aceleração, terá a magnitude de
amF ×= . Este é conhecido com Segunda Lei do Movimento de Newton.
Figura 3-8 Sistema massa-mola (BUDZINKI, 1999)
Novamente observa-se na Figura 3-8, que se a massa sofre uma aceleração em
qualquer sentido, esta sofre a ação de uma força de intensidade igual a am × , mas
também sabemos que esta mesma magnitude pode ser representada por xk × , então
se obtém xkam ×=× . Isolando a aceleração na equação anterior temos, mxka )( ×= .
Como geralmente conhece-se a constante (k) que é uma característica da mola,
e a massa (m) conectada à mola, o problema de medir a aceleração, na condição de
medição do deslocamento (x), é reduzido (BUDZINSKI, 1999).
Existem vários tipos de sensores para medir aceleração. Considerando o método
de deslocamento de massa, pode-se contar com potenciômetros, LVDT, piezoelétricos
e capacitivos.
O acelerômetro do tipo capacitivo possui como elemento sensor um capacitor
diferencial cuja saída é proporcional à aceleração. É formado por várias hastes
milimétricas entrecortadas por placas de mesma proporção cuja capacitância
diferencial será atribuída à área entre a haste e as placas de acordo com a
movimentação da haste.
O movimento da haste é controlado por um material elástico de polisilicone que
sustenta as hastes e, a partir daí, o comportamento do sistema segue as leis da física.
As variáveis força, massa e aceleração se relacionam conforme a Lei de Newton
que é F = m.a (WEINBERG, 1999).
33
A grandeza de medida utilizada para os acelerômetros é o g de força da
gravidade em que g corresponde a 9,8m/s2.
Este tipo de acelerômetro é construído com a tecnologia MEMS (Micro-Electro-
Mechanical Systems) que é a integração de elementos mecânicos, sensores,
atuadores e eletrônicos em um mesmo substrato de silício através de uma tecnologia
de microfabricação. Desta forma, a tecnologia passa a se chamar de IMENS
(Integrated Micro-Electro-Mechanical Systems), devido a ser a fabricação de um
componente “integrado”, como os conhecidos circuitos integrados (IC – Integrated
Circuit).
Dentre as vantagens deste acelerômetro, destacam-se as seguintes (Freescale
Semiconductor, 2006):
• Três eixos (x,y e z) em um único chip;
• Alimentação simples;
• Baixo consumo;
• Baixo custo;
• Alta resolução;
• Oscilador interno;
• Função de calibração;
• Resistente a fortes impactos (2000 vezes maiores que a sua escala
máxima).
3.8.6 Amplificadores de Instrumentação
São amplificadores diferenciais acoplados diretamente e que apresentam alto
ganho, alta impedância de entrada e alta taxa de rejeição em modo comum
(BOYLESTAD, 1998).
Os amplificadores de instrumentação amplificam sinais diferenciais de baixa
amplitude, como, por exemplo, os produzidos por transdutores que podem ter um alto
nível de ruído em modo comum.
São geralmente utilizados em sensores e transdutores ou qualquer outro tipo de
sistema que necessita a amplificação ou apenas o tratamento de dois sinais
diferenciais.
As CMRR´s dos amplificadores de instrumentação podem chegar facilmente a 80
ou 120 dB. A Figura 3-9 apresenta a configuração de um amplificador de
34
instrumentação, que é formada basicamente por amplificadores operacionais e
resistores.
Figura 3-9 Estrutura de um Amplificador de Instrumentação
Verificando na Figura 3-9 , os amplificadores operacionais do estágio de entrada
(que possuem as entradas V1 e V2) estão configurados como amplificadores não
inversores. O circuito elimina a desvantagem da baixa impedância de entrada do
amplificador diferencial (estágio de saída), visto que os amplificadores operacionais de
entrada estão configurados como buffers ( BOYLESTAD, 1998).
Como os buffers tem ganho unitário, o amplificador de estágio de saída terá uma
alta CMRR, desde que os amplificadores operacionais utilizados na montagem tenham
alta CMRR. Também é necessário que os resistores utilizados sejam de pressão
(PERTENCE, 1996).
O ganho total do amplificador de instrumentação da Figura 3-9 é dado pela
equação 3-2.
Equação 3-2 Ganho total
+=
3
4
1
2 12
RR
RR
G
(3-2)
Resumindo, as principais vantagens dos amplificadores de instrumentação são:
• Alta impedância de entrada;
35
• Elevado CMRR;
• Baixa impedância de saída;
Existem amplificadores de instrumentação implementados em um único circuito
integrado, que são muito mais precisos e apresentam outras características de
qualidade como (BURR-BROWN, 2004):
• Baixa tensão de offset (escala de µV);
• Baixo drift (variação da precisão ocasionada pela variação de temperatura);
• Baixa corrente de bias de entrada (devido à alta impedância de entrada);
• Larga faixa de freqüência (200KHz – depende do ganho);
• Baixo ruído (depende da freqüência).
O amplificador operacional é um amplificador diferencial (possui duas entradas e
a tensão de saída é uma cópia amplificada da diferença entre as entradas).
3.8.7 Comparador
V- é uma tensão ajustável entre Vs e gnd. Já que não há realimentação, o
operacional amplificador satura para +Vs quando Vent>Vconj e para –Vs quando
Vent<Vconj.
Uma utilização de um amplificador operacional com um grande ganho de malha
aberta é um comparador.
Se Vent é maior que a tensão configurada, a saída será no nível de alimentação
positivo e, do contrário, será no negativo. O ganho é tão alto que você não poderá
configurar a saída entre níveis. A Figura 3-10 apresenta o diagrama esquemático do
amplificador operacional LM 741.
36
Figura 3-10 Diagrama esquemático do amplificador operacional LM 741
3.8.8 Multiplexador
Um multiplexador é um circuito com múltiplas entradas e um única saída.
Entradas de seleção, endereços, são utilizadas para controlar qual sinal de entrada
será colocado na saída do circuito.
Multiplexadores estão disponíveis na forma de circuito integrado em uma grande
variedade. O 4051 é um multiplexador/demultiplexador 8/1 e 1/8 (CMOS).
A Figura 3-11 apresenta o estrutura de um multiplexador/demultiplexador.
37
Figura 3-11 Estrutura de um multiplexador/demultiplexador
3.8.9 LCD
Um cristal líquido é utilizado para apresentar a distância, o tempo e a velocidade
de propagação da onda sonora configurada através do firmware de interface.
4 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
Neste tópico é especificado o hardware e o firmware do sistema que foi
desenvolvido, apresentando diagramas em blocos, fluxogramas. Além disso foi feito
uma estimativa de custos que será necessário para o desenvolvimento do protótipo do
projeto. A Figura 4-1 ilustra o sistema como um todo.
38
Figura 4-1 Sistema com a Disposição dos Acelerômetros
4.1 Aspectos Funcionais
Um martelo eletromecânico que converte a energia elétrica em energia mecânica
será montado para gerar uma onda sonora na madeira.
Dois acelerômetros farão a aquisição dos sinais. O sistema fará a coleta de
dados na madeira, com um sensor de início e outro de fim, como mostrado na Figura 4-
2.
Figura 4-2 Disposição dos acelerômetros na madeira
O sistema é basicamente composto, de um martelo eletromecânico que gera a
onda sonora, da composição, por dois acelerômetros que fazem a aquisição dos sinais
referentes as ondas sonoras, posicionados em dois pontos diferentes da madeira.
Quatro amplificadores de instrumentção, dois comparadores, um amplificador
operacional e um multiplexador, da aquisição, pelo microcontrolador, conversor RS 232
e pelo display LCD.
O firmware fará o cálculo da velocidade de propagação para posterior análise do
modelo estatístico.
39
4.2 Especificação do Hardware
4.2.1 Funções do Hardware
O hardware tem a função de fazer a aquisição do tempo de propagação da onda
entre o acelerômetro de início e fim, gerada pelo martelo eletromecânico. O
microcontrolador deverá processar estes tempos, calcular a velocidade de propagação
e mostrá-los no LCD.
4.2.2 Componentes Utilizados
• Acelerômetros MMA7260Q;
• Microcontrolador PIC 16F877;
• Bobina Solenóide;
• INA 128P;
• Fonte de alimentação (127V / 2,5A – 1A);
• Comparadores LM741;
• Amplificador LM741;
• LCD 16x2 HD44780
• Multiplexador HEF4051B.
4.2.3 Diagrama em Blocos do Hardware
A Figura 4-3 apresenta o diagrama em blocos do projeto do hardware.
Figura 4-3 Diagrama em blocos do projeto de hardware
40
Martelo eletromecânico: a montagem do martelo eletromecânico é feita utilizando
uma bobina solenóide, uma mola e uma fonte de alimentação (30V/1A).
Aquisição: A aquisição do tempo de propagação da onda sonora será feita por 02
acelerômetros modelo MMA7260Q da Freescale Semiconductor que possui +/- 1,5g de
range de medição mínimo e +/- 6,0g de range de medição máximo (Freescale, 2006)
fixado sobre a madeira. Estes acelerômetros ficarão posicionados de forma a medir a
aceleração longitudinal da onda. Os acelerômetros ficam dispostos de forma a medir o
tempo de início e fim da onda sonora.
A estrutura interna dos acelerômetros utilizados é apresentado na Figura 4-4.
Figura 4-4 Estrutura interna do acelerômetro (Freescale, 2006)
Gerenciamento da comunicação: O gerenciamento da comunicação, do sistema
com o computador, é feito pelo microncontrolador PIC 16F877 por possuir todas as
ferramentas necessárias para executar o sistema, como: interface digital e analógica,
timer interno e porta serial. As ações tomadas pelo microcontrolador são realizadas
pelo firmware inserido no PIC 16F877, que foi desenvolvido especialmente para este
projeto. A Figura 4-5 apresenta o microcontrolador PIC 16F877.
41
Figura 4-5 Microcontrolador PIC 16F877 (Freescale, 2006)
Comunicação com o Computador: a comunicação com o computador foi feita
através da porta serial, visto que só envia um bit de cada vez, sendo normalmente
utilizada em periféricos de baixa velocidade ou cuja transmissão é típica de
transmissão bit a bit, em um computador padrão.
4.3 Ambiente de Desenvolvimento
O ambiente utilizado para a programação do microcontrolador PIC 16F877, em,
linguagem C ProgPIC2. Para os esquemáticos foi utilizado o Proteus 6.5, que se
caracteriza por possuir uma biblioteca com vários componentes destinados à
elaboração de diagramas.
4.3.1 Interface com o Usuário
A interface do protótipo com o usuário é feita através do monitor LCD 16x2
caracteres.
42
4.3.2 Firmware
As funções que o firmware possuirá inicialmente,é:
• Visualização do tempo de propagação da onda entre o sensor de início e o
sensor de fim;
• Visualização da distância entre os acelerômetros;
• Visualização da velocidade de propagação da onda calculada, a partir do
tempo de propagação e da distância entre os acelerômetros.
Figura 4-6 Fluxograma Básico do Funcionamento do Firmware
43
4.4 Estimativa de Investimento
Na Tabela 4-1 é apresentada a estimativa de investimento e custos deste projeto,
não levando em conta a quantidade de horas de trabalho, somente os princípais
componentes que foram utilizados. Não foi considerado os custos de utilização dos
equipamentos necessários para testes do circuito eletrônico e dos softwares utilizados
que estarão disponíveis para utilização nos laboratórios do curso de Engenharia da
Computação do Unicenp.
Tabela 4-1 Estimativa de custos Recurso Quantidade
Custo Unitário
(R$)
Custo
(R$)
Solenóide 1 38,00 38,00
Acelerômetro MMA7260Q 2 15,28 30,56
Microcontrolador PIC
16F877
1 19,50 19,50
Regulador LM 7805 1 0,70 0,70
Regulador LM78M33 1 1,54 1,54
MAX 232 1 3,00 3,00
Conector DB-9 Macho 1 1,65 1,65
Resistores Diversos 10 0,03 0,30
Capacitores Diversos 20 0,10 2,00
Diodo Diversos 1 0,60 0,60
Cristal 20MHz 1 1,80 1,80
INA 128 4 35,00 140,00
4051B 1 1,92 1,92
Amplificador Operacional
LM741
3 1,23 3,69
Regulador LM7905 1 1,32 1,32
LCD 1 22,00 22,00
Push Button 3 2,74 8,22
Total 52 146,41 276,80
44
4.5 Cronograma de Desenvolvimento do Projeto
A Tabela 4-2 apresenta um cronograma básico com as datas importantes para
entrega de documentação e de implementações do sistema apresentado.
Tabela 4-2 Cronograma de desenvolvimento do projeto Data Atividade a ser apresentada
06/03/2006 Entrega das propostas de projeto para avaliação do colegiado.
03/04/2006 Entrega das especificações técnicas do projeto a ser desenvolvido; Inicio do desenvolvimento do hardware; Inicio do desenvolvimento do software.
12/06/2006 Finalização do desenvolvimento do hardware; Finalização do desenvolvimento do software. Entrega da monografia e do resumo/abstract do artigo para congresso; Testes preliminares dos módulos do projeto; Inicio da implementação e modelagem do software de interface com o usuário.
28/08/2006 Finalização da implementação e modelagem do software de interface com o usuário
25/09/2006 Finalização do desenvolvimento do sistema; Testes gerais com o sistema desenvolvido.
09/10/2006 Apresentação do projeto implementado; Qualificação para a fase final
06/11/2006
Entrega da documentação completa em espiral para a banca examinadora, em 3 vias, contendo a monografia, manual técnico, manual do usuário e artigo científico.
28/11/2006
Defesa formal dos projetos, com apresentação oral para a banca examinadora.
11/12/2006 Entrega da documentação completa, revisada e corrigida, encadernada no padrão da biblioteca (capa dura) em duas vias, contendo a monografia, manual técnico, manual do usuário e artigo científico; Entrega do CD contendo, no formato WEB, todo o conteúdo dos manuais.
5 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Nesta fase será apresentado o sistema como um todo,ou seja, como foi projetado
e como foi utilizado para a implementação.
5.1 Hardware
A aquisição do tempo de propagação da onda na madeira foi feita por dois
acelerômetros. Os acelerômetros de início e fim são do modelo MMA7260Q que opera
sobre 2. e 3,6 VDC e usa uma corrente de 500µA. Estes têm três saídas analógicas x,
45
y e z , além disso permite que a sensibilidade do acelerômetro seja ajustada
dependendo da força que será necessária na aplicação, possui escala mínima de
medição de 1,5g e escala máxima de 6g. Na figura 5-1 é apresentado o diagrama dos
acelerômetros que vão fixados na madeira.
Figura 5-1 Diagrama do acelerômetro MMA7260Q
Observa-se que em cada saída da linha central do acelerômetro é conectado um
capacitor de 0.1µF e um resistor de 1kΩ como filtro RC, assim como entre VDD e VSS
é usado um capacitor de 0.1µF.
5.1.1 Placa de Composição do Sinal
A composição dos sinais provenientes das saídas x, y e z do acelerômetro de
início é feita através de dois amplificadores de instrumentação INA 128P, configurados
para ganho unitário, portanto, sem resistor Rg entre os pinos 1 e 8. Um capacitor de
1ηF é acoplado à saída para retirar qualquer nível DC que possa haver. E um circuito
de detectção de sinal, formado pelos diodos D1 e D2, com o objetivo de retificar o sinal
para o próximo estágio. Utilizamos um comparador em sua entrada não-inversora
aplicamos uma tensão de referência de 4,6V e na entrada inversora o sinal a ser
comparado. Neste mesmo circuito temos um multiplexador para o tratamento de
interrupção ao microcontrodador. Já a composição dos sinais provenientes das saídas
x, y e z do acelerômetro de fim é feita da mesma forma, a única diferença é que antes
do sinal passar pelo comparador ele é amplificado pelos amplificadores operacionais
741. A Figura 5-2 apresenta o esquemático da placa de composição do sinal.
46
Figura 5-2 Esquemático da Placa de Composição dos Sinais
47
5.1.2 Placa de aquisição de dados microncontrolados
A placa de aquisição de dados é composta por um LCD com 32 caracteres, um
conversor RS-232, uma fonte simétrica, um relé e três push-button.
O protótipo pode fazer a aquisição do tempo de propagação da onda sonora que
é enviada para o microcontrolador, que através da fórmula tdV /= calcula a
velocidade de propagação da onda sonora, bem como envia estes valores para o LCD
de 2 x 16 caracteres.
O conversor RS-232 faz a comunicação entre a placa de aquisição de dados e o
computado para a programação do firmware. Esse trabalho é feito com ajuda do
circuito integrado MAX232.
A comunicação com o computador é feita através da porta serial que envia a
programação do firmware para o microcontrolador PIC 16F877 para os pinos 11 E 12 .
Como o microcontrolador trabalha com níveis TTL na comunicação serial, utilizamos o
MAX232 para acoplamento TTL RS232. A Figura 5-3 apresenta o Placa de aquisição
de dados microncontrolados.
Figura 5-3 Esquemático da Placa de aquisição de dados microncontrolados
48
5.1.3 Desenvolvimento do Microcontrolador PIC16F877
No protótipo é usado um microcontrolador PIC16F877 que gerencia as portas de
entradas e saídas, multiplexador, LCD e a porta serial USART. O programa inserido no
microcontrolador executa várias tarefas: comunicação com o microcomputador,
acionamento do martelo eletromecânico, leituras das entradas e envio de caracteres
para o LCD.
Para o desenvolvimento do programa de execução do microcontrolador, foram
importantes as definições iniciais para o desenvolvimento tais como: pinagens I/O’s do
microcontrolador definindo a função de cada porta ou pinagem, usado na programação
do microcontrolador.
Todo o controle de atividades do circuito na placa de aquisição de dados é
praticamente executado por um único componente, o microcontrolador PIC16F877 por
possuir todas as ferramentas necessárias para executar o protótipo, como: interfaces
digitais e analógicas, interrupção e porta serial USART. As ações tomadas pelo
microcontrolador são realizadas pelo programa do firmware inserido no PIC16F877,
desenvolvido especificamente para este projeto.
5.1.4 Fonte de Alimentação
Para alimentar os circuitos foi necessário saídas simétricas e estabilizadas de
tensão, em +5V e -5V, para o trabalho com os amplificadores operacionais. Ainda para
atender a necessidade de alimentação dos acelerômetros foi necessário uma fonte de
tensão de +3,3V. Desta forma foi projetada uma fonte com três saídas de tensão para a
alimentação destes circuitos especialmente para este projeto. A Figura 5-4 mostra o
esquemático da fonte de alimentação.
Figura 5-4 Esquemático da Fonte Simétrica
49
6 TESTES E RESULTADOS
Foram realizados testes e medições em bancada com o propósito de avaliar o
desempenho e a confiabilidade do sistema. Os pontos verificados, assim como o
método utilizado e os resultados obtidos são apresentados abaixo.
Primeiramente foi selecionado três caibros de 5x10x70cm secos de Pinus, uma
das espécie mais plantadas e utilizadas na região sul do Brasil, por essa razão foi
escolhido para o desenvolvimento do presente trabalho.
Após seleção da madeira, mensurou-se, com fita métrica, a altura, largura e
comprimento. Posteriormente foi utilizado o protótipo para determinação do tempo e
velocidade de propagação das ondas sonoras.
As ondas sonoras foram aplicadas empregando-se o método de impacto com um
martelo eletromecânico, construído especialmente para este projeto, e dois
acelerômetros. Visando a padronização do impacto do martelo eletromecânico, utilizou-
se push-button que envia pulsos para o microcontrolador, o qual aciona um relé a onda
sonora produzida passa pelo acelerômetro de início habilitando o multiplexador 4051
para interrupção deste acelerômetro e ao chegar no acelerômetro fim habilita a
interrupção do acelerômetro fim, desta forma foi obtido o tempo de propagação da
onda sonora.
A velocidade de propagação da onda sonora foi determinada através da Equação
6-1:
Equação 6-1 Velocidade de propagação
(6-1)
A distância entre os sensores (d) foi fixada em 0,60m.
A Tabela 6-1 mostra os resultados obtidos com os testes realizados no
Laboratório do Unicenp.
( )smtdV =
50
Tabela 6-1 Resultados Obtidos
Distância(m) Tempo(s) Velocidade
(m/s) 0,60 0,926 0,648 0,60 0,944 0,636 0,60 0,860 0,698 0,60 0,872 0,688 0,60 0,935 0,642 0,60 0,947 0,633 0,60 0,888 0,676 0,60 0,888 0,675 0,60 0,907 0,662 0,60 0,898 0,668 0,60 0,855 0,701 0,60 0,971 0,618 0,60 0,851 0,705 0,60 0,896 0,670 0,60 0,885 0,678 0,60 0,869 0,690 0,60 0,913 0,657 0,60 0,827 0,726 0,60 0,887 0,676 0,60 0,916 0,655 0,60 0,919 0,653 ,0,60 0,917 0,655 0,60 0,920 0,652 0,60 0,887 0,676 0,60 0,834 0,719 0,60 0,872 0,688 0,60 0,935 0,642 0,60 0,898 0,668 0,60 0,855 0,701 0,60 0,913 0,657
O monitor de cristal liquido é acionado pelo microcontrolador. O microcontrolador
recebe as informações da palca de composição do sinal faz o cálculo da velocidade e
apresenta no LCD 16x2 caracteres. A Figura 6-1 apresenta o LCD usado no projeto.
Figura 6-1 LCD 16x2
51
O módulo LCD permite um ajuste na intensidade da luz emeitida ou um ajuste de
contraste, isto é possível variando-se a tensão no pino 3.
6.1 Frequência de Oscilação
A freqüência de oscilação é gerada por um cristal de 20MHz que foi medido com
um osciloscópio digital 500MHz, foi obtido leitura de 20,000MHz.
6.2 Comunicação Serial
A taxa de transmissão para 9600bps do microcontrolador é configurado pela
Equação 6-2:
Equação 6-2 Taxa de Transmissão
)1.(16_ += SPBRGFoTransmissãTaxa OSC
(6-2)
Onde:
• SPBRG=10 (RB9600bps
• Fosc = 20MHz
• Cálculo:
• BR = 20M / (16*(10+1)) = 113636bps -> erro:-1,36%
Com um programa serial chamado RcomSerial.exe como mostrado na Figura 6-2
foi possível testar a performance dos dados de transmissão e recepção da
comunicação serial entre computador e placa de aquisição de dados. Para realização
dos testes foram enviados as instruções de comandos 1 e 2 para a placa de aquisição
de dados e depois analisado a resposta da placa de aquisição, com o retorno de
transmissão e mostrador LCD. Os resultados foram sem erros e sem perda de dados
para a velocidades de taxa de transmissão: 9600bps.
52
Figura 6-2 Tela do programa serial RComSerial versão 1.1.
6.3 Sinais de Entrada Digitais
Todas as entradas estão em nível alto (1) por estarem ligados individualmente a
um resistor de 10kΩ, com a outra extremidade do resistor ligado ao +Vcc. Para nível
baixo (0) deve-se comutar a entrada para 0V (GND).
6.4 Interrupção
A interrupção é uma função dos timers internos do próprio PIC para a geração de
interrupções em intervalos de tempo.
6.5 Sinais de Entrada Analógica
O microcontrolador converte o sinal analógico para digital utilizando a Equação 6-
3:
Equação 6-3 Valor Digital (10bits)
53
.)10(
1023._
REF
ANALÓGICOBITS V
VdigitalValor =
(6-3)
Para conversão do valor digital para analógico usa-se a Equação 6-4:
Equação 6-4 Valor Analógico
)10(_.1023 BITS
REFANALÓGICO digitalValor
VValor =
(6-4)
As medições dos sinais analógicos para digitais são realizados nos canais 1 e 2.
6.6 Texto no LCD
O LCD deve ter um número constante de 16 caracteres por linha, enviou-se textos
com número de caracteres superior e inferior e verificou-se que em ambos os casos
eles são transmitidos e mostrados normalmente.
Devido a possíveis mudanças no projeto as placas do hardware não foram
confeccionadas em uma máquina de prototipagem comercial, foram feitas em placas
padrões, o que comprometeu o tamanho físico do sistema. Ao término dos ajustes do
projeto o hardware ficará com seu tamanho consideravelmente reduzido.
7 CONCLUSÃO
A proposta deste projeto de especificar, projetar e implementar um sistema
usando acelerômetro para aquisição do tempo de propagação foi cumprida. Especificar
os elementos de hardware (microcontrolador e interface física de comunicação com
computador) foi à primeira etapa do projeto a ser concluída. O microcontrolador a ser
implementado neste protótipo deveria ter entradas analógicas, LCD, comunicação
serial a um computador, ao longo do trabalho concluiu-se que todas estas
características são obtidas através do PIC16F877. Para este hardware o firmware para
a aquisição foi desenvolvido em linguagem C. Alguns ajustes posteriores no firmware
certamente serão necessários.
54
8 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O Sistema de aquisição de dados desenvolvido, mostrou-se satisfatório em seus
resultados, atingindo a maioria dos objetivos propostos. Esta conclusão esta baseada
nas etapas descritas neste projeto e nas dificuldades encontradas. A seguir são
relatados alguns aspectos considerados relevantes no desenvolvimento do projeto.
Para que o trabalho pudesse ser realizado a tempo, procurou seguir o
cronograma traçado no início do projeto. As dificuldades encontradas começaram por
não conhecer o microcontrolador PIC, item pouco explorados no curso de Engenharia
da Computação desta instituição. Isso demandou um tempo bastante grande com
relação a teoria, desenvolvimento de firmware e ao aprendizado. Um dos pontos mais
críticos foi quando da minha transferência profissional para Florianópolis. Com isso,
perdeu-se um tempo considerável para a realização dos testes e calibração do sistema.
O pouco tempo disponível também se tornou uma dificuldade a mais, já que em
paralelo tinha as disciplinas a serem concluídas na faculdade.
Foi trabalhoso o desenvolvimento do firmware do microcontrolador por envolver
gerenciamento com meios externos, como a utilização da porta de comunicação serial,
comunicação com o LCD 16x2 e leitura de sinais analógicos. A programação do PIC foi
feita em C, utilizando o software gratuito do próprio fabricante Microchip. A gravação do
PIC16F877 foi feita pelo software ProgPIC2. Durante os testes com o microcontrolador
foi preciso gravar várias vezes o PIC16F877 até resolver os problemas no
desenvolvimento do firmware.
As placas de circuito impresso e a montagem foram feitas pela própria aluna, que
envolveu a elaboração do circuito, layout da placa, confecção da placa e soldagens dos
componentes eletrônicos.
O hardware do sistema, será futuramente validado durante a utilização do sistema
em testes práticos, o qual deverá mostrar as mesmas informações de um cronômetro
comercial “ Stress Wave Timer”.
Abaixo seguem algumas sugestões para trabalhos futuros, a partir deste
realizado:
• Implementar o sistema para utilização em campo;
• Implementar um software para análise estatística;
• Implementar um sistema via PC para análise das propriedades da madeira
55
Apesar de todas as dificuldades encontradas, há a imensa satisfação do trabalho
concluído e do crescimento pessoal. O que se pode notar também é o entusiasmo para
ir além do proposto e continuar trabalhando no protótipo. Todos esses fatores são
comemorados e reconhecidos como resultado.
56
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