UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI
INSTITUTO DE CINCIA E TECNOLOGIA
CURSO DE BACHARELADO EM CINCIA E TECNOLOGIA
PLANEJAMENTO DO SISTEMA DE ELETRNICA EMBARCADA PARA MINI
BAJA EQUIPE BAJA ESPINHAO UFVJM
Orlindo Wagner Soares Pereira
Diamantina
2013
UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI
INSTITUTO DE CINCIA E TECNOLOGIA
PLANEJAMENTO DO SISTEMA DE ELETRNICA EMBARCADA PARA MINI
BAJA EQUIPE BAJA ESPINHAO UFVJM
Orlindo Wagner Soares Pereira
Orientador:
Manoel Jos Mendes Pires
Trabalho de Concluso de Curso apresentado
ao Curso de Bacharelado em Cincia e
Tecnologia, como parte dos requisitos exigidos
para a concluso do curso.
Diamantina
2013
Ficha Catalogrfica - Servio de Bibliotecas/UFVJM Bibliotecria Nathlia Machado Laponez Maia
CRB6-3002
P436p Pereira, Orlindo Wagner Soares. Planejamento do sistema de eletrnica embarcada para mini baja Equipe Baja Espinhao UFVJM / Orlindo Wagner Soares Pereira. Diamantina: UFVJM, 2013. 59 p. : il.
Orientador: Prof. Dr. Manoel Jos Mendes Pires Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Bacharelado em Cincia e Tecnologia) - Instituto de Cincia e Tecnologia, Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, 2013.
1. Mini baja. 2. Baja Espinhao. 3. Eletrnica embarcada. 4. Arduino. I. Pires, Manoel Jos Mendes. II. Ttulo.
CDD 623.8504
Elaborada com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).
DEDICATRIA
Dedico este trabalho a minha famlia e amigos que sempre me incentivaram a
continuar estudando.
AGRADECIMENTOS
Agradeo a toda minha famlia e amigos prximos pelo apoio que me deram
durante estes ltimos trs anos.
Aos professores e tcnicos do Instituto de Cincia e Tecnologia pelo trabalho que
fizeram e que fazem para a formao de futuros engenheiros.
A toda Equipe Baja EspinhAo pela oportunidade de fazer parte deste projeto, a
qual eu tenho o prazer de participar.
Um agradecimento especial ao professor Manoel Jos Mendes Pires, por ter me
orientado durante estes ltimos meses para o desenvolvimento deste trabalho, pela
pacincia e por sua experincia profissional.
Um agradecimento especial tambm professora Raquel Anna Sapunaru, pelo seu
apoio moral e intelectual, que me fez enxergar o mundo de outra maneira e acreditar que,
por mais difcil que as coisas sejam, o melhor sempre est por vir!
No olhe para o dedo. Olhe para a lua.
Plato
RESUMO
PEREIRA, O. W. S; PLANEJAMENTO DO SISTEMA DE ELETRNICA
EMBARCADA PARA MINI BAJA EQUIPE BAJA ESPINHAO UFVJM, 59p, 2013. Trabalho de Concluso de Curso. Bacharelado em Cincia e Tecnologia.
Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri. Diamantina. Minas
Gerais.
Este trabalho apresenta e discute o primeiro projeto de eletrnica embarcada do
veculo Mini Baja da Equipe Baja EspinhAo UFVJM. As competies SAE Brasil de
Mini Baja renem Instituies de Ensino Superior de todo o Brasil, com o objetivo de
promover o desenvolvimento acadmico de alunos de engenharia com interesse no setor
automotivo. Atravs de anlises e comparaes de sensores e da plataforma de aquisio e
gerenciamento de sinais escolhida para o Baja EspinhAo, vrios aspectos so abordados,
desde a concepo at o funcionamento dos sistemas projetados. Visando a construo de
um painel de instrumentos e coleta de dados, optou-se pelo uso da plataforma de
prototipagem Arduino como central eletrnica. Essa central registra e apresenta em tempo
real ao piloto informaes como rotao e temperatura do motor, assim como a quantidade
de combustvel no tanque.
Palavras chaves: Mini Baja , Baja Espinhao, Eletrnica embarcada, Arduino
ABSTRACT
This work presents and discusses the first project of on board electronics of the Mini Baja
of the EspinhAo UFVJM team. The SAE Brasil competitions of Mini Bajas involve
universities and colleges from different parts of Brazil in order to promote de academic
development of engineering students with interest in the automotive sector. Several aspects
of the projected systems are discussed through analysis and comparisons of sensing probes,
and of the chosen platform for data acquisition and management of signals. The Arduino
prototype platform has been chosen as the electronic central seeking for the construction of
the instruments panel and data acquisition. This central records and provide to the pilot live
information as the rotation and temperature of the motor, as well as the amount of fuel in
the tank.
Keywords: Mini Baja , Baja Espinhao, Onboard electronics, Arduino
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Mini bajas ........................................................................................................ 18
Figura 2 Logo da Equipe Espinhao Baja SAE; Integrantes da equipe participando como comissrios em Piracicaba SP ............................................................................... 19
Figura 3 Esquema da placa Arduino UNO..................................................................... 21
Figura 4 Modelos de plataformas de prototipagem Arduino......................................... 22
Figura 5 Exemplos de Shilds comumente utilizados com o Arduino............................ 22
Figura 6 Montagem de vrios Shilds.............................................................................. 23
Figura 7 IDE do Arduino .............................................................................................. 23
Figura 8 Cdigo bsico de programao do Arduino..................................................... 24
Figura 9 Ciclo de desenvolvimento para a programao do Arduino............................ 24
Figura 10 Curvas de um dispositivo ohmico esquerda, e no hmico direita. ....... 26
Figura 11 Efeito Hall ................................................................................................... 27
Figura 12 Sensor de temperatura LM35CZ, e sua configurao de pinagem .............. 29
Figura 13 Sensor reedswitch e sua aplicao para a medio de velocidade ............ 29
Figura 14 Sensor indutivo e sua aplicao para a medio de velocidade .................... 30
Figura 15 Display LED de 7 segmentos ........................................................................ 31
Figura 16 Display LCD 16 x 2 ..................................................................................... 31
Figura 17 Rede de Comunicao I2C .......................................................................... 32
Figura 18 Dispositivos eltricos obrigatrios para os veculos mini-bajas: bateria, luz de freio e boto killswitch........................................................................................................ 34
Figura 19 Circuitos eltricos dos itens obrigatrios dos veculos mini-bajas, esquerda o circuito da chave geral e direita o circuito da luz de freio .............................................. 34
Figura 20 Organograma do painel de instrumentos ....................................................... 35
Figura 21 Disposio dos itens de eletrnica embarcada do Baja EspinhAo............... 36
Figura 22 Layout do painel, feito no software AutoCAD............................................ 36
Figura 23 Esquema de montagem do painel de instrumentos ...................................... 38
Figura 24 Esquema eltrico da central do painel de instrumento, feito no CAD software Eagle ................................................................................................................................ 38
Figura 25 Layout para a produo da placa de circuito impresso do PainelShield ........ 39
Figura 26 Imagem do sensor Hall SS41....................................................................... 40
Figura 27 Desenho esquemtico do tanque de combustvel ....................................... 41
Figura 28 Desenho esquemtico do circuito RTC....................................................... 42
Figura 29 Acionamento de um display de 7 segmentos utilizando o shift register PCF8574AP usando apenas duas portas do Arduino........................................................ 43
Figura 30 Esquema eltrico do dispositivo PCF8574 .................................................. 44
Figura 31 Display LCD e Arduino na protonboard .................................................. 44
Figura 32 Fluxograma do sistema eletrnico do painel de instrumentos ...................... 45
Figura A1 Figura 32 Fluxograma do sistema eletrnico do painel de instrumentos ................................................................................................................................... 51
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 Organizao do Regulamento da Competio Baja SAE Brasil ...................................................................................................................................
TABELA 2 Anlise da Figura 3, significados das partes destacadas ................................................................................................................................... 21
TABELA 3 - Componentes eletrnicos do painel de instrumentos .......................... 37
SUMRIO
1. INTRODUO................................................................................................... 15
1.1 Objetivo .......................................................................................................... 15
1.2 Justificativa ..................................................................................................... 16
1.3 Organizao do Trabalho ................................................................................. 16
2. CONCEITOS E DEFINIES.......................................................................... 16
2.1 O Projeto Baja SAE ......................................................................................... 16
2.1.1 Os mini bajas ........................................................................................... 17
2.2 A Equipe Baja EspinhAo UFVJM ................................................................. 18
2.3 O Regulamento da Competio........................................................................ 19
2.4 O Microcontrolador Arduino ........................................................................... 20
2.4.1 O que o Arduino? ................................................................................. 20
2.4.2 Shields do Arduino .................................................................................. 22
2.4.3 Processo de gravao do cdigo .............................................................. 23
2.5 Sensores e Dispositivos Eletroeletrnicos ....................................................... 25
2.5.1 Princpios de Eletricidade e Eletromagnetismo ...................................... 25
2.5.1.1 Lei de Ohm ................................................................................... 25
2.5.1.2 Leis de Kirchoff ............................................................................ 26
2.5.1.3 Lei de Faraday ............................................................................... 26
2.5.1.4 Efeito Hall ..................................................................................... 27
2.5.2 Sensores .................................................................................................. 27
2.5.2.1 Potencimetro................................................................................ 28
2.5.2.2 Sensores de Temperatura............................................................... 28
2.5.2.3 Sensores de Velocidade e RPM..................................................... 29
2.5.3 Mostradores (Displays) ........................................................................... 30
2.6 Comunicao de Dispositivos .................. ....................................................... 31
2.6.1 Comunicao Serial ................................................................................ 31
2.6.2 Comunicao I2C .................................................................................... 32
3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ........................................................ 33
3.1 Montagem dos Itens Obrigatrios .................................................................... 33
3.2 Montagem do Painel de Instrumentos .............................................................. 34
3.3 Implementao do Sistema .............................................................................. 35
3.3.1 Desenvolvimento dos layouts e circuitos eletrnicos ............................. 36
3.3.2 Medies de velocidade e RPM ............................................................ 39
3.3.3 Medies de temperatura e nvel de combustvel .................................. 40
3.3.4 Relgio Digital ........................................................................................ 42
3.3.5 Utilizao dos displays no painel projetado ............................................ 42
3.3.6 A programao ......................................................................................... 45
3.4 Anlise do Projeto ............................................................................................ 46
3.5 Perspectivas Futuras ......................................................................................... 47
4. CONCLUSO...................................................................................................... 47
REFERNCIAS ...................................................................................................... 49
ANEXOS................................................................................................................... 51
Anexo A Detalhes especficos do ATMEGA328PU ............................................. 51
Anexo B A Programao....................................................................................... 52
15
1. INTRODUO
A indstria automobilstica responsvel por boa parte do desenvolvimento da economia.
H uma grande quantidade de reas envolvidas na produo de um veculo, como a indstria
eletrnica, qumica, txtil, tecnologia da informao, autopeas, automao, etc.
Pode-se entender como eletrnica embarcada, qualquer conjunto ou sistema eletrnico
instalado em um veculo (carro, avio, navio). (CAPELLI, 2010, p.5) Nos ltimos anos a
eletrnica embarcada tem aumentado significativamente nos automveis. Se antes ela se aplicava
apenas ignio e sinalizao, hoje os vrios veculos automotores j saem de fbrica com
sistemas de injeo eletrnica, sistema de freios ABS, computador de bordo, etc. Alm disso, h
uma forte preocupao quanto ao consumo, e exigncias quanto ao desempenho e emisso de
poluentes.
O mini baja tambm um veculo que possui a sua eletrnica embarcada. Uma vez que,
por ser um veculo de competio, necessita de um sistema eletroeletrnico para alcanar o
desempenho desejado pela equipe e seguir os requisitos das competies.
O sistema eletroeletrnico do Baja EspinhAo composto pelos itens obrigatrios e os
itens adicionais visando segurana e conforto ao piloto. Por outro lado a construo de um painel
de instrumentos oferece informaes do veculo, alm de proporcionar conforto e praticidade ao
piloto.
Para o desenvolvimento de tais sistemas, torna-se interessante o uso da simulao,
modelagem matemtica, informtica, processos de fabricao, custos e design do produto, que
garante boa aceitao do produto, alm do uso de boas prticas de engenharia para o
desenvolvimento do projeto.
1.1 Objetivo
Este trabalho tem como objetivo projetar um sistema de eletrnica embarcada para um
veculo Baja SAE (Society of Automotive Engineers), visando praticidade e conforto para o
piloto. Assim como prover a anlise das caractersticas necessrias para que o veculo tenha um
bom desempenho nas competies realizadas pela SAE na categoria Baja off-road, nas quais as
equipes competidoras so compostas por estudantes de graduao em Engenharia.
16
1.2 Justificativa
O projeto de construo de um veculo envolve muitas variveis, tais como o estudo de
projeto, anlise de materiais e tecnologias aplicadas. Assim como a aplicao dos conhecimentos
adquiridos na academia. tambm uma forma de difuso do conhecimento. Alm disso, a
montagem de um prottipo possibilita aos alunos tudo o que est relacionado ao projeto como,
oportunidade de idealizao, concepo, dimensionamento, anlise, simulaes, fabricao,
montagem, testes, alm de oferecer a oportunidade de desenvolver habilidades tcnicas,
econmicas, sociais e interpessoais.
1.3 Organizao do Trabalho
Para o desenvolvimento deste trabalho optou-se pela seguinte organizao:
Conceitos e definies: Diz respeito competio Baja SAE, a Equipe e reviso
bibliogrfica.
Planejamento e desenvolvimento do projeto em si, explicando a metodologia e
tecnologias utilizadas para a implementao do sistema.
Detalhes do projeto e Perspectivas Futuras
Concluso
Optou-se, tambm, por incluir alguns anexos referentes ao assunto do trabalho, como detalhes
especficos de dispositivos e o cdigo da programao.
2. CONCEITOS E DEFINIES
2.1 O Projeto Baja SAE
O projeto Baja SAE tem como objetivo estimular o aprendizado em engenharia e
introduzir conhecimentos prticos de projeto, construo, montagem e manuteno a partir do
desenvolvimento de um veculo off-road, denominado mini baja. Com essa iniciativa, a SAE
estimula o desenvolvimento de novas ideias e tecnologias. (ARAJO et al, 2006, p.777)
17
O projeto Baja SAE foi criado na Universidade da Carolina do
Sul, Estados Unidos, sob a direo do Dr. John F. Stevens, sendo que a
primeira competio ocorreu em 1976. O ano de 1991 marcou o incio das
atividades da SAE BRASIL, que, em 1994, lanava o Projeto Baja SAE
BRASIL.
No ano seguinte, em 1995, era realizada a primeira competio
nacional, na pista Guido Caloi, bairro do Ibirapuera, cidade de So Paulo. No
ano seguinte a competio foi transferida para o Autdromo de Interlagos, onde
ficaria at o ano de 2002. A partir de 2003 a competio passou a ser realizada
em Piracicaba, interior de So Paulo, no ECPA Esporte Clube Piracicabano de Automobilismo.
Desde 1997 a SAE BRASIL tambm apoia a realizao de eventos
regionais do Baja SAE BRASIL, atravs de suas Sees Regionais. Desde ento
dezenas de eventos foram realizados em vrios estados do pas como Rio
Grande do Sul, So Paulo, Minas Gerais e Bahia. (Regulamento Baja SAE
Brasil - RBSB1, 2010, p.2 )
A SAE uma entidade fundada em 1905 nos Estados Unidos, responsvel pela criao do
projeto, assim como pela realizao das competies. O objetivo desta instituio promover a
difuso e o intercmbio de informaes tecnolgicas entre profissionais da iniciativa privada, das
comunidades acadmicas e entidades pblicas. Para isso, rene mais de 90 mil associados,
distribudos em 93 pases, atuando nas reas terrestre, naval, area e espacial e estabelecendo
normas e procedimentos.
2.1.1 Os mini bajas
Os mini bajas, so veculos monopostos, e possuem chassis tubulares em ao, condizentes
com as normas e procedimentos de segurana, alm de suspenses independentes nas quatro
rodas, carroceria em fibra de vidro, carbono ou kevlar, e motores estacionrios de 10 HP
padronizados para todas as equipes (Figura 1).
18
Figura 1 Mini bajas
Fonte:
As competies realizadas no Brasil se dividem em duas etapas anuais, sendo uma
modalidade regional e outra nacional1. Os projetos das equipes passam por vrios testes divididos
em trs fases distintas: provas estticas, provas dinmicas e enduro de resistncia. A colocao
final de cada veculo calculada pela soma das notas, cada qual multiplicada pelo seu respectivo
peso.
Nesta Competio, as equipes devem mostrar suas habilidades de projeto,
desenvolvimento e construo do Mini Baja, alm de pilotarem os seus prprios prottipos.
Desde o projeto at o carro j pronto, os integrantes devem obedecer s normas estabelecidas pela
SAE.
Os estudantes que participam do Projeto Mini Baja obtm uma completa viso do
desenvolvimento de um produto na indstria automobilstica, desde o conceito at a construo
do prottipo.
2.2 A Equipe Baja EspinhAo
A equipe Baja EspinhAo formada pelos alunos dos cursos Bacharelado em Cincia e
Tecnologia e Engenharia Mecnica da UFVJM. Criada em Novembro de 2011, teve o seu
1 As trs equipes mais bem colocadas na modalidade Nacional se classificam para a competio mundial realizada
nos Estados Unidos.
19
primeiro contato com a competio no ano de 2012 quando os membros foram cidade de
Piracicaba - So Paulo - participar como voluntrios da competio nacional.
Figura 2 Logo da Equipe EspinhAo Baja SAE; Integrantes da equipe participando como
comissrios em Piracicaba-SP. foto tirada em 26/03/2012)
A equipe conta com o apoio de diversos professores do Instituto de Cincia e Tecnologia
alm de utilizar a estrutura da Universidade para o desenvolvimento do projeto.
A equipe desenvolveu o projeto escrito para ser apresentado na Competio Nacional
2013, que ocorreu nos dias 14 a 17 de maro. A equipe foi bem na apresentao, ficando bem
colocado na competio (61 colocao em um ranking de 82 equipes participantes), mesmo sem
ter o prottipo pronto, o que serviu de estmulo para os trabalhos da equipe.
2.3 O Regulamento da Competio
O regulamento da competio de mini bajas no Brasil encontrado no site da SAE Brasil.
E o mesmo est dividido em 5 partes: RBSB 1, RBSB 3, RBSB 5, RBSB 7, RBSB 9, RBSB 11.
A Tabela 1 descreve cada tpico do regulamento (RBSB: Regulamento Baja SAE Brasil ):
20
Tabela 1: Organizao do Regulamento da Competio Baja SAE Brasil.
CAPTULO ASSUNTO
RBSB 1 Definies
RBSB 3 Competio Baja SAE BRASIL
RBSB 5 Requisitos Gerais do Veculo
RBSB 7 Requisitos Mnimos de Segurana
RBSB 9 Avaliaes e Pontuao
RBSB 11 Procedimentos da Competio
Do ponto de vista da eletrnica embarcada no veculo, o captulo RBSB 7, itens de
segurana e conforto agregam as informaes pertinentes aos itens eletroeletrnicos do veculo,
tais como a luz de freio, chave geral e bateria. Todas as equipes devem seguir rigorosamente o
regulamento, uma vez que este um dos requisitos bsicos para um bom desenvolvimento do
prottipo.
2.4 O microcontrolador Arduino
2.4.1 O que o Arduino?
O Arduino uma plataforma de prototipagem que contm o circuito integrado
ATMEGA328PU2, pertencente categoria dos microcontroladores, ou seja, um componente
integrado onde um nico dispositivo contm todos os circuitos necessrios para realizar um
completo sistema digital programvel.
Por ser open source, isto , de cdigo livre, o Arduino permite a construo e
desenvolvimento de projetos eletrnicos sem a necessidade de um conhecimento tcnico
aprofundado sobre o assunto. Alm disso, possui carter colaborativo uma vez que possui
desenvolvedores em vrios pases.
Basicamente o Arduino, recebe, gera e interpreta dados. Com base nos valores de entrada
e sada, permite, por exemplo, o desenvolvimento de controle residencial e robtica com
2 Circuito integrado produzido pela ATMEL. Os detalhes especficos deste componente esto no Anexo A deste
trabalho.
21
capacidades de controle, resposta e aquisio de dados. A Figura 3 a seguir descreve a estrutura
do hardware, cujos componentes esto listados na Tabela 2.
Figura 3 Esquema da placa Arduino UNO.
Fonte:
Tabela 2: Anlise da Figura 3, significado das partes destacadas
Componente Descrio Cor
Digital Pins Pinos de Entrada e sada Digital Verde Claro
Analog In Pins Pinos de Entrada e sada Analgica (0-5V) Azul Claro
Power and Ground
Pins Pinos de Energia Laranja e Laranja Claro
Jack / Entrada de
energia Suprimento Externo de energia (9 - 12VDC) Rosa
USB Usada para gravar os programas; Comunicao
serial entre placa e computador; Amarelo
RX - TX Pins Pinos usados para comunicao Serial com
dispositivos Verde Escuro
O Arduino est disponvel em uma ampla gama de modelos para melhor adaptar-se as
exigncias de projetos especficos, diferenciando-se pelo nmero de linhas de I/O (entrada e
sada) e pelo contedo do dispositivo. Alguns exemplos de plataformas Arduino so apresentados
na Figura 4.
22
Figura 4 Modelos de plataformas de prototipagem Arduino.
Fonte:
2.4.2 Shields do Arduino
Os shields3 so dispositivos eletrnicos que podem ser conectados (encaixados) no
Arduino. So extenses do Arduino que permitem interagir com tecnologias diversas com
facilidade. As Figuras 5 e 6 trazem alguns exemplos de shields.
Figura 5 Exemplos de Shilds comumente utilizados com o Arduino.
Fonte:
3 Shield em ingls significa escudo. O significado deste termo, no contexto, est no fato do mesmo se conectar ao
arduino formando uma espcie de escudo como pode ser observado na Figura 6.
23
Figura 6 Montagem de vrios Shilds .
Fonte:
2.4.3 Processo de gravao do cdigo
Para gravar um cdigo no microcontrolador preciso inicialmente fazer o download do
software do arduino no link: . O passo seguinte fazer a
instalao dos drivers ao conectar o dispositivo no computador.
Realizada as etapas anteriores preciso abrir a IDE (ver Figura 7), ou seja, o ambiente de
programao para escrever o cdigo, na linguagem especfica.
A linguagem de programao do arduino semelhante linguagem C/C++ uma vez que
possui estruturas comuns (como if, else, switch, case, for, etc). importante ressaltar que a
linguagem de programao do arduino bastante especfica pois as bibliotecas utilizadas so
diferentes.
Figura 7 IDE do Arduino.
Fonte:
24
Para o comando do circuito o microcontrolador utiliza duas funes bsicas, que so a
funo void setup() e a funo void loop(), a primeira configura as portas do dispositivos para os
modos de entrada ou sada, enquanto a segunda executa um loop (lao) infinito, ou seja com esta
funo o programa fica executando infinitamente no dispositivo. A Figura 8 apresenta a sintaxe
bsica de programao do Arduino enquanto a Figura 9 representa o ciclo de desenvolvimento do
Arduino, isto o processo geral de gravao do cdigo no dispositivo.
Figura 8 Cdigo bsico de programao do Arduino.
(retrato de tela do computador print screen)
Figura 9 Ciclo de Desenvolvimento para a programao do Arduino.
Fonte:
25
2.5 Os Sensores e Dispositivos Eletroeletrnicos
Para a escolha dos dispositivos eletrnicos importante o conhecimento do princpio de
funcionamento dos mesmos assim como os detalhes de sua instalao, e a aferio dos
resultados.
2.5.1 Princpios de Eletricidade e Eletromagnetismo
Os princpios fsicos so importantes para o desenvolvimento dos projetos de engenharia.
Em reas como eletromagnetismo e eletrnica, alguns conceitos fundamentais tais como, a Lei
de Ohm, a Lei de Kirchhoff e outras teorias so ferramentas indispensveis para o entendimento
do funcionamento de dispositivos e sistemas mais complexos. Apresentamos brevemente alguns
desses conceitos relevantes no caso desse trabalho.
2.5.1.1 A Lei de Ohm
A lei fundamental da eletricidade a Lei de Ohm. Ela relaciona: Tenso (V), Corrente (I)
e Resistncia (R). Vrias de suas aplicaes so vistas diariamente, at mesmo sem conhec-la.
Segundo HALLIDAY et al. (2010, p. 151), a lei de Ohm definida da seguinte maneira:
A Lei de Ohm a afirmao de que a corrente que atravessa um dispositivo sempre
diretamente proporcional diferena de potencial aplicada ao dispositivo. HALLIDAY et al.,
2010, p. 151).
Caso seja constante o valor da resistncia, aumentando o valor da tenso, observa-se um
aumento proporcional do valor da corrente e vice-versa.
Ou seja,
V = RI
26
Um dispositivo hmico aquele que obedece a afirmao citada anteriormente, e um no
hmico o contrrio. A Figura 10 apresenta as curvas IxV de um dispositivo hmico e um no
hmico:
Figura 10 Curvas de um dispositivo ohmico esquerda, e no hmico direita.
Fonte: HALLIDAY et al., 2009, p. 151
No caso de um dispositivo hmico, a inclinao da reta a resistncia eltrica R do
trecho onde a diferena de potencial foi medida.
2.5.1.2 Leis de Kirchoff
As regras ou leis de Kirchhoff so leis bsicas para o entendimento de circuitos eltricos.
Tambm conhecida como Lei das Malhas e Lei dos ns, elas se resumem nas seguintes
afirmativas:
REGRA DAS MALHAS: A soma algbrica das variaes de potencial encontradas ao
percorrer uma malha fechada sempre zero. (HALLIDAY et al., 2010, p.176)
REGRA DOS NS: A soma das correntes que entram em um n igual soma das
correntes que saem do n. HALLIDAY et al., 2010, p.176)
2.5.1.3 Lei de Faraday
Essa lei corresponde observao de que correntes variveis em um circuito induzem
uma corrente em um circuito prximo. A corrente varivel do circuito produz um campo
27
magntico varivel, que, por sua vez, gera uma corrente eltrica no segundo circuito.
Similarmente, o movimento de um m em um circuito gera neste uma corrente.
Observa-se tambm que, mantendo o campo fixo, mas variando a rea de um circuito em
contato com o campo magntico, ou ainda a orientao do circuito relativa ao campo, uma
corrente no circuito tambm gerada.
Em conjunto, estas observaes indicam que a variao do fluxo magntico gera um
campo eltrico associado a uma tenso que, na presena de cargas, gera uma corrente induzida.
2.5.1.4 Efeito Hall
O efeito Hall um fenmeno que ocorre quando um condutor eltrico submetido a um
campo magntico (H) perpendicular direo da corrente eltrica (I) que o percorre, o que
ocasiona uma diferena de potencial (e) nas laterais desse. Esse efeito significativo apenas em
certos materiais, geralmente semicondutores de alta pureza. Na Figura 11 apresentamos um
esquema geral da geometria envolvida.
Figura 11 Efeito Hall.
Fonte: (BRAGA, 2012, p.29)
O efeito ocorre devido ao fato das cargas eltricas tenderem a desviar-se de sua trajetria
por causa da fora de Lorentz. Desta forma cria-se um acmulo de cargas nas superfcies laterais
do condutor produzindo uma diferena de potencial.
2.5.2 Sensores
Atualmente existe uma diversidade de sensores no mercado para diversas aplicaes.
Dentro do ramo do automobilismo, alguns sensores ganham destaque, uma vez que possibilita a
28
medio de variveis como nvel de combustvel, velocidade, temperatura, etc. Vrios deles so
baseados nas leis e princpios citados nas sees anteriores.
2.5.2.1 Potencimetro
O potencimetro um dispositivo que varia sua resistncia eltrica atravs de um
acionamento mecnico. Uma outra maneira de compreender um potencimetro entend-lo
como apenas uma resistncia varivel.
H potencimetros de vrios modelos, de diferentes resistncias para variadas aplicaes.
Serve como auxlio para a regulagem de circuitos eletroeletrnicos, alm de servir como sensor
quando se trata de variao angular e linear de distncias milimtricas. Tais como a variao do
nvel de fluido em um reservatrio ou o deslocamento linear de um suporte mecnico.
2.5.2.2 Sensores de temperatura
possvel encontrar no mercado uma variedade de sensores capazes de detectar a
variao de temperatura em determinados sistemas. Os mais comuns esto relacionados com o a
variao da tenso eltrica medida que a temperatura do ambiente analisado varia.
Um dispositivo muito usado para medir temperatura o termopar. O termopar consiste
em dois fios condutores de materiais diferentes unidos numa das extremidades, e que, por terem
configuraes distintas de nveis eletrnicos, apresentam uma diferena de potencial na juno
das extremidades. Essa diferena de potencial varia com a temperatura e pode ento ser utilizada
para a medio da mesma. Existem vrios tipos de termopares formados com condutores de
diferentes materiais.
Outra maneira de medir temperatura usando circuitos integrados, fabricados
especialmente para esta finalidade a partir de materiais semicondutores. O LM35CZ (Figura 12)
um bom exemplo destes circuitos integrados, e oferece boa preciso para as faixas de
temperatura entre 50 a 150 C.
O circuito integrado LM35CZ um sensor de temperatura que oferece uma sada
analgica obedecendo a uma linearidade entre temperatura aplicada a e voltagem de sada. Este
29
valor de converso pode ser encontrado na documentao do dispositivo (datasheet). Com base
neste valor calcula-se a temperatura.
Figura 12: Sensor de temperatura LM35CZ, e sua configurao de pinagem.
Fonte: LM35CZ Datasheet
2.5.2.3 Sensores de velocidade e RPM
Para efetuar a medida de velocidade e rotaes por minuto, importante medir a
frequncia com que uma roda gira. Para isso preciso, por exemplo, um sensor capaz de captar
pulsos eltricos gerados, e ou convert-los em uma sada analgica. Para a medio de
velocidade tambm possvel utilizar chaves magnticas reedswitch, sensores de efeito Hall ou
um sensor indutivo.
A chave magntica reedswitch consiste basicamente em dois contatos metlicos dentro de
uma ampola de vidro. Estes contatos esto muito prximos e quando um im passa prximo
deles, os mesmos encostam um no outro, fechando o circuito. A seguir a Figura 13 mostra a
aplicao do sensor reedswitch :
Figura 13 Sensor reedswitch e sua aplicao para a medio de velocidade.
Fonte: (BRAGA, 2012, p.3)
30
O sensor Hall possui aplicao semelhante chave magntica reedswitch, entretanto a
forma com que o mesmo emite o sinal eltrico diferente, como j foi explicado no item 2.5.1.4.
Quanto ao sensor indutivo importante ressaltar que o mesmo, consiste em um
dispositivo responsvel por obter uma corrente induzida atravs da variao do campo magntico
na regio sensora. Um artifcio para medir velocidade atravs de um sensor indutivo explorar
os dentes de uma roda dentada de modo que o sinal emitido pelo sensor varia com a frequncia
com que os dentes passam prximos a ele (Figura 14):
Figura 14 Sensor indutivo e sua aplicao para a medio de velocidade.
Fonte: (BRAGA, 2012, p.29)
Enfim em todos os casos apresentados, importante ressaltar que a velocidade
calculada de acordo com a frequncia dos pulsos obtidos.
2.5.3 Mostradores (Displays)
Alm da coleta de informaes atravs de sensores, torna-se indispensvel a apresentao
dos resultados obtidos. Para isso o uso de uma interface digital facilita o entendimento de vrios
processos, como por exemplo, dados obtidos por um sensor de umidade apresentados na tela de
um computador.
Para pequenas instalaes e montagens, o uso de displays de LED de 7 segmentos
muito interessante. Pois uma central de controle pode ser programada para a apresentao de
valores numricos. Este tipo de mostrador pode ser utilizado desde relgios digitais, at nos
painis eletrnicos de um estdio de futebol (Figura 15).
31
Figura 15 Display LED de 7 segmentos.
O display de LCD (Liquid Crystal Display), tambm bastante comum. Sendo possvel
encontr-lo facilmente em diversas aplicaes, como telas de TVs, computadores, relgios,
celulares, painis de carros, etc. Um exemplo apresentado na Figura 16.
Figura 16 Display LCD 16 x 2.
O este tipo de display bom para a apresentao de textos curto e caracteres variados, o
que possibilita o seu uso em vrias situaes.
2.6 Comunicao de Dispositivos
Para a utilizao dos dispositivos eletrnicos imprescindvel o conhecimento do modo
de comunicao dos mesmos. Dois tipos de comunicao bsica para dispositivos eletrnicos so
a comunicao Serial e a Comunicao I2C, que sero discutidas a seguir.
2.6.1 Comunicao Serial
A comunicao Serial bastante difundida nos dispositivos eletrnicos. este o tipo de
comunicao estabelecida com a maioria dos dispositivos perifricos conectados a um
computador, tais como impressoras, mouses, etc.
32
A comunicao serial consiste na passagem de um bit por vez atravs de dois fios de
comunicao TX como pino de transmisso e RX como pino de recepo de dados. (SANTOS,
2009, p.48)
A velocidade de comunicao dada em bauds, isto , bits por segundo. Os valores de
velocidade de comunicao mais comuns para comunicao com um computador so: 300,
1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600 e 115200 (no entanto podem
definir-se outros valores).
2.6.2 Comunicao I2C
Para explorar todos os recursos de um sistema eletrnico, os engenheiros projetistas
trabalham visando minimizar a complexidade dos circuitos. Para facilitar essa tarefa, em meados
das dcadas de 80 e 90, a empresa de tecnologia Phillips criou o sistema de comunicao I2C.
Este tipo de comunicao consiste basicamente na transmisso de informaes utilizando apenas
dois fios, so eles o SDA (Serial Data Line) e o SCL (Serial Clock Line), alm dos fios de
alimentao4.
Os fios de comunicao SDA e SCL, possuem a caracterstica de serem bidirecionais,
diferentemente da comunicao Serial descrita anteriormente, A figura 17 apresenta um
diagrama de uma rede de comunicao I2C:
Figura 17 Rede de Comunicao I2C
Note que na Figura 17 aparecem os termos Master e Slave. Estes termos referem-se
aos dispositivos que coordenam uma operao e outros que seguem orientaes. Dito de outra
4 Fonte:
33
maneira, o dispositivo Master (mestre) responsvel pelo controle da comunicao alm de
coordenar as operaes de outro dispositivo denominado Slave (escravo)5.
importante ressaltar que todos os dispositivos conectados rede possuem um endereo,
ou seja, uma sequncia binria que determina a sua posio. Este endereamento feito atravs
da ligao eltrica estabelecida. Se, por exemplo, trs pinos de endereamento de um dispositivo
esto conectados na sequncia , este dispositivo possui o endereo de rede
, ou seja o VCC representa o bit 1 enquanto o GND representa o bit 0.
Seja n o nmero de portas de endereamento. A quantidade mxima de dispositivos que
podem ser conectados rede I2C dada por dispositivos.
A vantagem deste tipo de comunicao est na praticidade que a mesma oferece para o
desenvolvimento do sistema, que passa a ser organizado na forma de blocos, alm de favorecer a
deteco rpida e precisa de problema no circuito e no desenvolvimento facilitado das
bibliotecas de programao para os dispositivos de hardware projetados.
3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
O sistema eletroeletrnico do Baja Espinhao composto pelos itens obrigatrios e os
itens adicionais visando segurana e conforto ao piloto. Em relao a esses ltimos pontos, a
utilizao de um painel de instrumentos pode oferecer vrias informaes do veculo com grande
praticidade, alm da possibilidade da equipe pontuar na competio no quesito inovao
tecnolgica.
3.1 Montagem dos Itens Obrigatrios
Dentro da categoria de itens obrigatrios foram montados dois circuitos eltricos
independentes, so eles: a instalao dos botes killswitches (chave geral) e o sistema da luz de
freio.
Para os botes killswitches optou-se pelo boto tipo cogumelo (Figura 18), este boto
possui a caracterstica de ser acionado pressionando-o e aberto girando-o. So usados dois botes,
5 Todos os dispositivos da rede podem ser Master ou Slave. Em geral. O dispositivo que inicia a transmisso
considerado como dispositivo Master. (Fonte: http://goo.gl/YJkWc ).
34
porque um para acesso do piloto e outro para a parte externa da estrutura6. Para a luz de freio
optou-se por uma lmpada de LED (comumente utilizada em motocicletas), visto que possui
baixo consumo de energia. A luz de freio acionada toda vez que o pedal de freio pressionado,
mesmo quando o carro est desligado.
Figura 18 Dispositivos eltricos obrigatrios para os veculos mini-bajas: bateria, luz de
freio e boto killswitch.
Basicamente os circuitos eltricos da luz de freio e dos botes killswitch, so os
apresentados na Figura 19 .
Figura 19 Circuitos eltricos dos itens obrigatrios dos veculos mini-bajas, esquerda
o circuito da chave geral e a direita o circuito da luz de freio.
3.2 Montagem do Painel de Instrumentos
No painel so fornecidas informaes tais como: velocidade, rotaes por minuto (RPM),
Temperatura do leo do motor, nvel de combustvel, data/hora e distncia percorrida pelo
veculo.
6 O boto da parte externa permite que o juiz de prova (por motivos de segurana ou penalizao) desligue o carro a
qualquer momento durante a competio.
35
Para a montagem do mesmo preciso calibrar os sensores e efetuar a leitura dos sinais e
envi-los uma central que ser responsvel por efetuar a leitura, interpretao e apresentao
dos resultados. A central eletrnica escolhida para o Baja EspinhAo foi o microcontrolador
arduino, explicado nas sees anteriores deste trabalho. Deste modo a concepo geral do sistema
eletrnico do mini baja como est apresentado na Figura 20.
Figura 20 - Organograma do painel de instrumentos
Alm disso, o painel possui um buzzer que ser responsvel por emitir um sinal sonoro
em situaes crticas, tais como temperatura elevada do leo e baixo nvel de combustvel.
A seguir sero apresentados os detalhes construtivos do sistema, enfatizando tpicos a
respeito da escolha, instalao e ao dos sensores. Em seguida, como ser efetuada a leitura dos
sinais emitidos pelos sensores, a programao do microcontrolador, confeco do painel e
disposio dos componentes na estrutura.
3.3 Implementao do Sistema
Para a implementao do sistema eletrnico do baja EspinhAo, partiu-se inicialmente
para escolha dos sensores a serem aplicados7. Em seguida definiu-se o layout do sistema, os
7 . importante ressaltar que os sensores apresentados neste trabalho no sero necessariamente os aplicados no
veculo.
36
circuitos eletrnicos e a programao. Para o acabamento, optou-se por desenvolver o design
quando for definida a geometria da gaiola.
A Figura 21, a seguir, apresenta um esboo contendo os itens obrigatrios e o painel de
instrumentos:
Figura 21 Disposio dos itens de eletrnica embarcada do Baja EspinhAo.
Para este primeiro prottipo da Equipe Baja EspinhAo, as variveis de interesse a serem
apresentadas no painel de instrumentos, so: Velocidade, RPM, temperatura do leo do motor,
nvel de combustvel e relgio digital.
3.3.1 Desenvolvimento dos layouts e circuitos eletrnicos
Para a montagem do painel, preocupou-se tambm com o desenvolvimento do layout e os
circuitos eletrnicos, visto que os mesmos auxiliam tanto no entendimento do projeto quanto no
seu desenvolvimento. Para isso utilizou-se os softwares AutoCAD, para o desenvolvimento do
layout e o CAD Soft Eagle para a montagem do circuito eletrnico e da placa de circuito
impresso.
Figura 22 Layout do painel, feito no software AutoCAD.
37
Para a montagem dos circuitos eletrnicos utilizou-se todos os dispositivos que compe o
painel. A tabela a seguir estabelece a relao de dispositivos perifricos para o circuito eletrnico
do painel:
Tabela 3: Componentes eletrnicos do painel de instrumentos.
COMPONENTE/CIRCUITO QUANTIDADE
Arduino 1
Display de 7 segmentos 4
LED 14
IC PCF8574 6
Potencimetro 2
Display LCD 1
Circuito RTC 1
Buzzer 1
importante ressaltar que nesta tabela h apenas os itens de maior relevncia, pois no
foram includos os resistores, capacitores e conectores, uma vez que os mesmos dependem
exclusivamente do circuito.
Para a montagem do painel optou-se pela montagem dos dispositivos separadamente. Ou
seja, o painel inteiro funciona como a a ssociao de blocos, onde cada bloco representa um
circuito para alguma finalidade. Como por exemplo os circuitos para os dispalys de 7 segmentos.
Na Figura 23 esto descritos os blocos funcionais do painel de instrumentos. Observe que o
painel um sistama de entrada de dados atravs dos sensores, processamento com o Arduino e
sada com os displays.
38
Figura 23 Esquema de montagem do painel de intrumentos.
O painel de instrumentos da equipe Baja EspinhAo funciona como um shield do
Arduino. De modo que o mesmo composto por outros circuitos menores.
Seguindo este raciocnio, com o software EAGLE monta-se o digrama esquemtico do
Shield (Figura 24) e posteriormente com este mesmo esquemtico, produze-se o layout da placa
de circuito impresso, onde os componentes sero soldados posteriormente.
Figura 24 Esquema eltrico da central do painel de instrumento, feito no CAD software
Eagle.
39
A Figura 24 representa o cicuito eltrico da central onde os dispositivos perifricos iro se
conectar atravs de seus repectivos slots, (posies). Para uma melhor compreenso de como
ser a estrutura fsica final, a Figura 25 apresenta a placa de circuito impresso8 resultante do
esquemtico da Figura 24. Essa tcnica tambm aplicada em cada um dos dispositivos
perifricos.
Figura 25 Layout para a produo da placa de circuito impresso do PainelShield.
Quanto alimentao do sistema a fonte ser uma bateria de 12 V e 7 Ah. A qual ser
adaptado um conector tipo jack para a alimentao do Arduino e do circuito como um todo.
Uma nota importante sobre a fonte de alimentao e os dipositivos: Os dispositivos
projetados funcionam com a tenso de 5 V, o fato de estar usando uma bateria de 12 V no
significa que o sistema opera 12 V. Na placa do Arduino h um dispositivo eletrnico
denominado regulador de tenso, como o nome j diz, este dispositivo responsvel por regular
uma tenso mais elevada para uma tenso menor com uma sada de corrente que no danifique os
compenentes do circuito.
3.3.2 Medies de velocidade e RPM
Para a medio de velocidade e rotao por minuto, utiliza-se o mesmo princpio, ou seja,
a medida da frequncia com que um eixo est girando. Para isso optou-se por um sensor de efeito
8 At o momento a equipe no fez nenhum teste para a confeco das placas de circuito impresso. Ento, detalhes
especficos da montagem da placa no se encontram neste trabalho.
40
Hall, devido a sua facilidade e praticidade no momento da instalao e programao, alm de ser
vivel economicamente.
O sensor de efeito Hall escolhido foi o modelo SS41, e sua configurao de montagem
apresentada na Figura 26 a seguir:
Figura 26 Imagem do sensor Hall SS41.
Fonte: < http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-como-utilizar-o-sensor-de-efeito-
hall-com-arduino>
Mas por que o sensor Hall? A resposta est na confiabilidade que o mesmo oferece devido
a sua montagem. Uma caracterstica do sensor Hall, ou melhor, do circuito integrado (IC) de
efeito Hall, o funcionamento como se fosse uma chave eletrnica, pois o mesmo quando na
presena de um campo magntico, dependendo do sentido do campo, o IC Hall inverte a sua
polaridade, e fornece estados de alta e baixa tenso (HIGH ou LOW respectivamente). O
raciocnio aplicado para contar os pulsos baseado em dois ims utilizados para gerar o campo
magntico ao redor do sensor de modo que os mesmo invertem a polaridade do sensor quando
passam prximo do mesmo, com base nessa variao de estado possvel contar os pulsos
gerados, ou seja, medir a frequncia.
3.3.3 Medies de temperatura e nvel de combustvel
Para as medies de temperatura e nvel de combustvel, preciso apenas a leitura de um
sinal analgico que varia de 0 a 5 V. O microcontrolador detecta tais valores de tenses e os
converte em valores digitais distribudos em canais de leitura de 0 1023, ou seja 1024 canais.
Esses canais correspondem a uma sada linear de tenso, como na maioria dos casos dos sensores
analgicos.
41
A medida do nvel de combustvel em veculos automotores feita atravs de uma boia
resistiva, isto , um potencimetro acoplado boia imersa no tanque (Figura 27). O valor da
resistncia varia em funo da posio angular da haste de sustentao, que est relacionada ao
nvel de combustvel no tanque.
Figura 27 Desenho esquemtico do tanque de combustvel.
(ARAJO et al, 2006, p.8)
Para medir temperatura utilizaremos circuito integrado LM35DZ9, visto que muito fcil
a sua aplicao com o Arduino.
O circuito integrado LM35DZ um sensor de temperatura que oferece uma sada
analgica obedecendo a uma linearidade entre temperatura aplicada a e tenso de sada. Este
valor de converso corresponde 10 mV/C. Deste modo com base nos valores que o arduino
interpreta (0-1023), utiliza-se o seguinte clculo:
Tanto para medir temperatura quanto para a medida do nvel de combustvel do veculo, so
utilizadas as portas analgicas do Arduino. Para a medida do nvel de combustvel preciso
conhecer a relao entre a altura do nvel e o volume, ou seja, depende exclusivamente da
geometria do tanque que deve ser medida para a implementao do sistema.
9 O sensor de temperatura LM35DZ da mesma famlia do sensor LM35CZ. A diferena est na faixa de
temperatura que os mesmos operam, porm possuem mesmas configuraes de montagem no sistema.
42
3.3.4 Relgio Digital
Com um circuito integrado tipo RTC (Real Time Clock) e o Arduino possvel montar
um relgio digital. O circuito RTC contm o circuito integrado DS1307, este dispositivo funciona
como um contador de pulsos providos de um cristal oscilador de 32,768 MHz, alm de ser
alimentado externamente por uma bateria de 3V. Ou seja mesmo com o circuito RTC desligado
da sua fonte de alimentao principal, o sistema ainda continua operando, sendo alimentado pela
bateria de 3V.
O Circuito RTC DS1307 conectado por meio de uma comunicao I2C, apresentada no
item 2.6.2, e possui uma biblioteca prpria no Arduino. O circuito RTC (Figura 28) fornece os
valores de Hora e Data atuais, e tais dados sero informados em um display LCD no painel do
Baja EspinhAo.
Figura 28 Desenho esquemtico do circuito RTC.
(Esquema feito no CAD software Eagle)
3.3.5 Utilizao dos displays no painel projetado
O painel composto por LEDs, displays de 7 segmentos, potencimetros, Display LCD,
alm de resistores e capacitores, montados em uma placa de fenolite10
. O painel do baja funciona
como um shield e a qual o Arduino encaixado nele.
10 Fenolite uma placa feita de papelo misturado uma resina, e possui a superfcie revestida por cobre,
que ser responsvel pelas trilhas de conduo do circuito.
43
Um problema operacional quanto ao acendimento dos LEDs, no painel, est na
quantidade limitada de portas presentes no microcontrolador, deste modo no possvel acionar
todos os dispositivos do painel apenas com as portas disponveis no Arduino. Uma soluo para
este problema com a utilizao de shift registers, ou seja, expansores de portas. Em geral, estes
expansores de portas usam apenas duas ou trs portas do microcontrolador, alm disso possvel
fazer uma associao dos mesmos, ampliando ainda mais a quantidade de portas disponveis para
o uso. O shift register PCF8574, usa apenas duas portas do Arduino, expandindo para oito. A
figura 29 exemplifica a montagem do PCF8574 com o Arduino para acionar um display de 7
segmentos.
Figura 29 Acionamento de um display de 7 segmentos utilizando o shift register
PCF8574AP usando apenas duas portas do Arduino11
O PCF8574AP um circuito integrado capaz de se comunicar com o Arduino atravs do
protocolo I2C (ou comunicao I2C). A biblioteca Wire.h uma biblioteca do arduino que
estabelece este tipo de comunicao com os dispositivos I2C.
Com este dispositivo possvel expandir as portas do microcontrolador. Com apenas duas
portas do Arduino pode-se ligar oito dispositivos PCF8574AP, ou seja, como este shift register
possui 8 pinos para entrada e sada as duas portas do Arduino foram expandidas para 64 portas, o
que garante o acendimento de todos os LEDs presentes no painel do Baja Espinhao.
Tais circuitos, contendo o shift registers, foram montados separadamente, e sero usados
para o acendimento dos LEDs do painel (incluindo os displays de 7 segmentos). Destacado em
11 Os fios vermelho e azul, na parte inferior da figura 29, correspondem aos pinos de alimentao do dispositivo.
44
amarelo na Figura 23, o circuito deste dispositivo perifrico central apresentado na Figura 30
a seguir:
Figura 30 Esquema eltrico do dispositivo PCF8574.
(Esquema feito no CAD software Eagle)
Para a apresentao dos dados referentes, data, relgio e distncia percorrida o display
LCD uma tima opo para ser aplicada no veculo, pois possibilita a apresentao de vrios
valores numricos e letras no visor. A Figura 31, a seguir, apresenta a montagem tpica de um
display 16 x 2 utilizando o microcontrolador arduino.
Figura 31: Display LCD e Arduino na protoboard. (Fritzing.org)
Este display tambm possui a sua biblioteca especfica no Arduino. O que facilita a sua
operao e apresentao dos resultados.
45
3.3.6 A programao
A programao uma das etapas mais importantes para o sistema eletrnico
desenvolvido, pois atravs da mesma que ser realizada a leitura, interpretao e apresentao
dos dados. Alm disso, h recursos no sistema que s podem ser executados via programao,
como o caso do gerenciamento das informaes de um dispositivo para a contagem e medio
de uma varivel de interesse.
Uma programao ideal aquela que aproveita de forma eficaz o funcionamento dos
dispositivos do circuito e a velocidade com que interpreta e atualiza as informaes.
Para uma melhor compreenso da programao, desenvolveu-se um fluxograma (Figura
32) do funcionamento de toda a programao do Arduino no sistema eletrnico do painel de
instrumentos da equipe Baja EspinhAo.
Figura 32 Fluxograma do sistema eletrnico do painel de instrumentos.
46
Para um melhor entendimento e praticidade da programao, optou-se por fazer funes
especficas visto que havia muitas etapas repetitivas no cdigo, como o acendimento dos LEDs
dos displays de 7 segmentos.
Devido ao tamanho e complexidade, o cdigo do algoritmo est no Anexo B deste
trabalho.
3.4 Anlise do Projeto
O presente trabalho apresentou o sistema eletrnico do Baja EspinhAo e alguns detalhes
construtivos do mesmo. importante prever algumas possveis dificuldades quando o projeto for
implantado, ou seja, posto em prtica.
Uma questo de extrema importncia a calibrao correta dos sensores, submetendo-os
inicialmente a testes para melhor aferio dos resultados e tambm como treinamento para
montagem e desmontagem dos mesmos, uma vez que na competio isso faz muita diferena.
Alm da calibrao dos sensores, fazer o que se chama de debugagem da programao, isto ,
correo de erros na programao, o que garante um melhor desempenho do algoritmo elaborado.
Um problema atual est no modo de medir o nvel de combustvel, ou melhor, em como
acoplar a boia de combustvel no tanque do Baja sem furar o tanque, visto que tal prtica
proibida, de acordo com o regulamento da competio. Caso a equipe encontre um sensor cuja
variao oferea uma sada analgica e garanta uma montagem segura, no haver problemas e o
princpio de medio ser o mesmo.
No que se refere ao acabamento e desenvolvimento das placas de circuito impresso, a
Equipe est estudando os meios para que isso ocorra, seja por patrocnio (para as placas de
circuito impresso) ou pelos testes com fibra de vidro, pinturas, e outros materiais de acabamento.
Do ponto de vista econmico, o desenvolvimento do painel pela prpria equipe mais
vivel economicamente do que comprar o sistema j pronto. Alm disso, a engenharia do projeto
est no empenho dos alunos em desenvolver o prprio sistema.
A lama outra questo que deve ser levada em considerao, pois o painel no pode estar
exposto esta condio e outras intempries como um dia de chuva. Por isso o painel deve ser
cuidadosamente vedado, para evitar problemas de funcionamento. O posicionamento dos
sensores tambm deve ser determinado com muito cuidado.
47
3.5 Perspectivas Futuras
Alm de buscar a soluo dos problemas pertinentes ao tanque de combustvel, outra
ideia interessante apresentar a distncia total percorrida atravs da contagem dos pulsos do
sensor de velocidade, e gravar os valores na memria EEPROM do Arduino. Esta medio torna-
se vivel quando os sensores j estiverem instalados e funcionando corretamente.
Feita a montagem, o piloto ficar bem informado do tempo de prova durante o enduro,
podendo contribuir para um melhor desempenho na competio. Por outro lado tambm
interessante a comunicao entre piloto e Equipe durante a competio. Para isso a Equipe
pretende, depois da implementao deste projeto inicial, incluir o mdulo de comunicao
EXBee, visto que ser possvel ter acesso, em tempo real s variveis do veculo, atravs da
transmisso de dados via radiofrequncia.
O desenvolvimento de uma interface grfica tambm muito interessante, quando se tem
dados do veculo e deseja-se visualiz-los no computador. Para isso existem dois softwares que
possibilitam tal feito atravs da comunicao serial do Arduino com o computador, so eles o
Processing e o LabView. O MATLAB tambm pode ser utilizado com o Arduino e pode ser til
para anlise de dados em testes preliminares do veculo.
O microcontrolador Arduino possibilita a criao e desenvolvimento de vrias ideias para
o projeto Baja EspinhAo, e depende exclusivamente do estudo e busca contnua de solues
para o projeto.
Sobretudo a Equipe Baja EspinhAo, visa ser uma das melhores equipes estreantes, com o
prottipo montado, nas modalidades Regional e Nacional das competies de mini Bajas
promovidas pela SAE Brasil e Associados.
4. CONCLUSO
Neste trabalho foram realizados os estudos e anlises tcnicas sobre os mais
variados tipos de sensores e dispositivos eletroeletrnicos que podem ser aplicados no Baja
EspinhAo com o objetivo de determinar qual seria a melhor opo para uma possvel aplicao
em um veculo das competies da SAE na modalidade Baja off-road.
48
Uma vez que o piloto e a equipe possuam o conhecimento das variveis no veculo,
possvel controlar o consumo de combustvel, tempo de prova e garantir um bom desempenho
nas competies.
Por ser o primeiro prottipo desenvolvido pela equipe, encontramos algumas dificuldades
a respeito dos termos tcnicos empregados, exigncias do regulamento, instalao dos sensores e
gerenciamento de custos. Por outro lado essa situao possibilita o estmulo curiosidade do
aluno a buscar a soluo para estes problemas, contribuindo assim para um projeto ainda melhor.
A programao um dos itens que mais requerem um estudo em todo sistema eletrnico
do Baja EspinhAo, uma vez que a linguagem de programao utilizada pelo microcontrolador
bastante especfica e preciso estar sempre pesquisando para um melhor entendimento da
sintaxe e do uso das bibliotecas na programao.
O primeiro projeto dos itens eletroeletrnicos do Baja EspinhAo foi concludo e a maior
parte dos componentes foi testada, resultando num grande nmero de informaes que sero
utilizadas nos projetos futuros e utilizadas na prtica no primeiro veculo da equipe.
49
REFERNCIAS
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XXXIV COBENGE, 9., 2006, Passo Fundo. Anais do XXXIV Congresso Brasileiro de Ensino
de Engenharia Universidade de Passo Fundo. Passo Fundo: UPF, 2006. Disponvel em:
. Acesso em: 21
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51
ANEXOS
ANEXO A - Detalhes especficos do ATMEGA328PU
O ATMEGA328 pode ser visto externamente como um circuito integrado TTL ou CMOS
normal, mas internamente dispe de todos os dispositivos tpicos de um sistema
microprocessado, ou seja:
Uma CPU (Central Processor Unit ou Unidade de Processamento Central) e sua
finalidade interpretar as instrues de programa;
Uma memria EEPROM (Electrically Eresable Programmable Read Only Memory ou
Memria Programvel Somente para Leitura) na qual ir memorizar de maneira
permanente as instrues do programa;
Uma memria RAM (Random Access Memory ou Memria de Acesso Aleatrio)
utilizada para memorizar as variveis utilizadas pelo programa;
Uma srie de LINHAS de I/O (entrada e sada) para controlar dispositivos externos ou
receber pulsos de sensores, chaves, etc. ;
Uma srie de dispositivos auxiliares ao funcionamento, ou seja, gerador de clock, bus,
contador, etc.
A Figura A1 a seguir descreve a estrutura fsica do ATMEGA 328PU e da plataforma
arduino:
Figura A1: Diagrama de blocos de um microcontrolador ATMega328
Fonte: Datasheet do microcontrolador ATMega328.
52
ANEXO B A programao
A programao foi editada no ambiente de programao do Arduino, e foi dividida em
funes, de modo que fique possvel entender o programa como um todo analisando as funes.
Deste modo fica fcil a deteco de erros, alm de facilitar a organizao do algoritmo.
///// Incluso das Bibliotecas e declarao de variveis
#include
#include
#include "RTClib.h"
byte pinVEL = 6, pinRPM = 7, pinTemp = A0;
int pinBuzz = 8, pinNivel = A1, TEMP_7SEG[2]={56,57};
int VEL_7SEG[2]= {58,59}, pcfRot = 60, pcfNivel = 61;
RTC_DS1307 RTC;
LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2);
void setup(){ /// configurando as portas e dispositivos
Serial.begin(9600);
pinMode(pinVEL, INPUT);
pinMode(pinRPM, INPUT);
Wire.begin(); /// CONFIGURA DISPOSITIVOS I2C
lcd.begin(16,2);
verifica_RTC();
Display_Inicial(); /// APRESENTA MENSAGEM INICIAL
RTC.begin(); // INICIA OBJETO RTC
}
void loop(){ //// Esta uma funo bsica do Arduino, e fica
executando infinitamente
Relogio();
velocidade();
ROT();
Temperatura();
Nivel_de_Combustivel();
}
//// Funes desenvolvidas para o sistema:
void velocidade(){
int dez=VEL_7SEG[0];
53
int unid=VEL_7SEG[1];
unsigned long tempo_final = millis()+100;
byte estado_anterior = digitalRead(pinVEL);
float contador=0;
while(tempo_final>millis()){
byte estado_atual = digitalRead(pinVEL);
if(estado_atual!= estado_anterior){
contador++;
estado_anterior = estado_atual;
}
}
Imprime7SEG(dez, unid, contador);
}
void ROT(){
int Rot_MAX = 4000;
int Rot;
int Percentual;
unsigned long tempo_final = millis()+100; ///// janela de tempo de
100ms
byte estado_anterior = digitalRead(pinRPM);
float contador=0;
while(tempo_final>millis()){
byte estado_atual = digitalRead(pinRPM);
if(estado_atual!= estado_anterior){
contador++;
estado_anterior = estado_atual;
}
}
Rot = contador*10*60; /// RPM
Percentual = (Rot/Rot_MAX)*100;
Shifit_Light(pcfRot, Percentual);
}
void Temperatura(){
int dez=TEMP_7SEG[0];
int unid=TEMP_7SEG[1];
int TEMP = analogRead(pinTemp)*500/1024;
54
Imprime7SEG(dez, unid, TEMP);
}
void Nivel_de_Combustivel(){
int NivelMAX = 3600; /// valor correspondeente a 3,6 Litros (1 galo)
int Nivel = analogRead(pinNivel)* 0.12345; //// O valor 0.12345
arbitrario este fator deve ser determindo
// com base na geometriado tanque.
int Percentual, Nivel_critico = 12;
Percentual = (Nivel/NivelMAX)*100;
Shifit_Light(pcfNivel, Percentual);
if(Percentual
55
/// Impressao no dispaly LCD
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(relogio_data);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(relogio_hora);
}
String AjustaZero(int i){
String ret;
if(i
56
lcd.print(":");
delay(1000);
lcd.print(" Orlindo");
delay(1200);
lcd.setCursor(3, 1);
lcd.print(" Wagner");
delay(3000);
lcd.clear();
lcd.setCursor(5, 0);
lcd.print("Orientador");
delay(2000);
for (int positionCounter = 0; positionCounter < 3; positionCounter++){
lcd.scrollDisplayLeft();
delay(300);
}
delay(200);
lcd.setCursor(3, 1);
lcd.print("Manoel J.M.Pires");
delay(4000);
lcd.clear();
}
void Imprime7SEG(int dez, int unid, int valor){ ///// FUNES DE EXIBIO NOS
DISPLAYS ///////////////
int n= valor, acc;
if(valor>=10){
executaDisplay( dez, n/10);
executaDisplay( unid, n%10);
}
else{
Wire.beginTransmission(dez);
Wire.write(B11111111);
Wire.endTransmission();
executaDisplay( unid, n%10);
}
}
void executaDisplay(int i, int alg) {
int n = alg;
switch(n){
57
case 0:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B10001000);
Wire.endTransmission();
break;
case 1:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B11101011);
Wire.endTransmission();
break;
case 2:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B01001100);
Wire.endTransmission();
break;
case 3:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B01001001);
Wire.endTransmission();
break;
case 4:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B00101011);
Wire.endTransmission();
break;
case 5:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B00011001);
Wire.endTransmission();
break;
case 6:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B00011000);
Wire.endTransmission();
break;
case 7:
Wire.beginTransmission(i);
58
Wire.write(B11001011);
Wire.endTransmission();
break;
case 8:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B00001000);
Wire.endTransmission();
break;
case 9:
Wire.beginTransmission(i);
Wire.write(B00001011);
Wire.endTransmission();
break;
}
}
void buzzer(){
int freq = 4000, duracao = 500;
tone(pinBuzz, freq, duracao); // pino, frequencia sonora (Hz) e
durao (ms)
}
void Shifit_Light(int pcf, int val) { /// recebe o respectivo PCF8574 e
outro valor 0-100
int n = val;
switch(n){
case 12:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(B01111111);
Wire.endTransmission();
break;
case 25:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(B00111111);
Wire.endTransmission();
break;
case 37:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(B00011111);
59
Wire.endTransmission();
break;
case 50:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(00001111);
Wire.endTransmission();
break;
case 62:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(B00000111);
Wire.endTransmission();
break;
case 75:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(B00000011);
Wire.endTransmission();
break;
case 87:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(B00000001);
Wire.endTransmission();
break;
case 100:
Wire.beginTransmission(pcf);
Wire.write(B00000000);
Wire.endTransmission();
break;
}
}
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