Representações sociais da cadeira de rodas na lesão da medula ...
Cadeira de Rodas Inteligente
-
Upload
fabiano-formagini -
Category
Documents
-
view
51 -
download
6
description
Transcript of Cadeira de Rodas Inteligente
-
FACULDADE GOVERNADOR OZANAM COELHO
CURSO DE BACHARELADO EM CINCIA DA COMPUTAO
CADEIRA DE RODAS INTELIGENTE:
O uso de tcnicas de programao, automao e eletrnica para maior autonomia e
qualidade de vida dos cidados de mobilidade reduzida
ALDEIR DE SOUZA MOREIRA
UB
MINAS GERAIS
2012
-
ALDEIR DE SOUZA MOREIRA
CADEIRA DE RODAS INTELIGENTE:
O uso de tcnicas de programao, automao e eletrnica para maior autonomia e
qualidade de vida aos cidados de mobilidade reduzida
Monografia apresentado como parte das
exigncias para a obteno do ttulo de
Bacharel em Cincia da Computao da
Faculdade Governador Ozanam Coelho,
FAGOC.
Orientador: Prof. M. Sc. Waldir Andrade
Trevizano.
UB
MINAS GERAIS
2012
-
ALDEIR DE SOUZA MOREIRA
CADEIRA DE RODAS INTELIGENTE:
O uso de tcnicas de programao, automao e eletrnica para maior autonomia e
qualidade de vida aos cidados de mobilidade reduzida
Monografia apresentada e aprovada em 17 de dezembro de 2012.
_______________________________
Prof. M. Sc. Jos Weslei Baia (Examinador)
_______________________________
Prof. M. Sc. Marcelo Santos Daibert (Examinador)
_______________________________
Prof. M. Sc. Waldir Andrade Trevizano
(Orientador)
-
i
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer, em primeiro lugar a Deus, por ter me auxiliado com
sabedoria, sade e fora ao decorrer de todo curso.
A minha famlia que sempre me incentivou para que eu chegasse at esta
etapa de minha vida.
Ao professor e orientador Waldir Andrade Trevizano e a todos os professores
do Curso de Cincia da Computao da Faculdade Governador Ozanam Coelho, foi
o conhecimento transmitido por vocs que me levaram a execuo e concluso
desta monografia.
Aos amigos, colegas e todas as pessoas que estiveram comigo durante esta
caminhada. Obrigado pelo constante apoio e incentivo de vocs.
-
ii
RESUMO
Existe uma crescente necessidade do desenvolvimento de produtos que atendam as
pessoas portadoras de deficincias, melhorando assim sua qualidade de vida e
integrao na sociedade. Tendo isso em mente, nada mais justo que usar os
conhecimentos cientficos para colaborar na melhoria da qualidade de vida desta
parcela da sociedade, que muitas vezes deixada em segundo plano. Neste
trabalho so apresentados elementos e tcnicas de computao, automao e
eletrnica para o desenvolvimento de mecanismo (software, hardware) que
possibilite a deteco de objetos por uma cadeira de rodas motorizada evitando a
coliso com os mesmos. Inicialmente feita uma introduo sobre o
desenvolvimento da automao, em seguida se fala sobre a cadeira de rodas e a
importncia de se desenvolver um dispositivo de controle como este. Por fim
especificado a montagem de um prottipo utilizando a plataforma Arduino assim com
detalhes de implementao e funcionalidades do software e os resultados dos testes
realizados com um prottipo que simula uma cadeira de rodas motorizada.
Palavras-chave: software embarcado, Cadeira de rodas, automao, Arduino.
-
iii
SUMRIO
RESUMO....................................................................................................................... ii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................................ v
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................... vi
LISTA DE TABELAS .................................................................................................. viii
LISTA DE CDIGOS FONTES .................................................................................... ix
INTRODUO ................................................................................................... 1 1.1.1. PROBLEMA E SUA IMPORTNCIA .................................................................. 2
1.2. OBJETIVOS ....................................................................................................... 4
1.2.1. Objetivo Geral ................................................................................................. 4
1.2.2. Objetivos Especficos ...................................................................................... 4
1.3. MTODO DE DESENVOLVIMENTO ................................................................. 5
1.4. ORGANIZAO DO TRABALHO ...................................................................... 6
AUTOMAO .................................................................................................... 8 2.2.1. COMPONENTES DA AUTOMAO ................................................................. 8
2.2. SENSORES...................................................................................................... 10
2.2.1. Sensor de distncia Ultrassnico .................................................................. 12
2.2.2. Sensor de distncia Infravermelho. ............................................................... 14
2.3. ATUADORES ................................................................................................... 16
2.3.1. MOTORES ELETRICOS ............................................................................... 16
2.3.1.1 Motores de Corrente Alternada .................................................................. 16
2.3.1.2 Motores de Corrente Continua ................................................................... 17
2.3.2. LED ............................................................................................................... 18
2.3.3. BUZZER ........................................................................................................ 19
2.4. PONTE H ......................................................................................................... 20
O ARDUINO ..................................................................................................... 23 3.3.1. CARACTERISTICAS ........................................................................................ 24
3.2. IDE DO ARDUINO ............................................................................................ 28
3.3. LINGUAGEM DE PROGRAMAO DO ARDUINO ......................................... 30
TRABALHOS RELACIONADOS ...................................................................... 34 4.
DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE ......................................................... 36 5.5.1. Arduino ............................................................................................................. 37
5.2. Sensor Ultrassnico e Infravermelho. ............................................................... 38
-
iv
5.3. Ponte H ............................................................................................................ 42
5.4. Motores ............................................................................................................ 45
5.5. Buzzer piezoeltrico ......................................................................................... 47
5.6. LEDs ................................................................................................................. 48
5.7. Baterias ............................................................................................................ 48
5.8. Montagem da estrutura do prottipo ................................................................. 49
DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE .......................................................... 51 6.
TESTES COM O PROTTIPO ........................................................................ 63 7.
CONSIDERAES FINAIS.............................................................................. 67 8.8.1. TRABALHOS FUTUROS.................................................................................. 68
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................... 69
-
v
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AC/DC - Alternating Current/Direct Current
AREF - Analog Reference
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Continua
CLP - Controlador Lgico Programvel
E.V.A - Etil Vinil Acetato
E/S - Entrada/Saida
EEPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory
GND - GrouND
IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica
IDE - Integrated Development Enviroment
IR - Infra Red
kB - Kilobyte
Kg - Quilograma
Khz - Kilohertz
Km/h - Quilmetro por hora
LED - Light Emitting Diode
m/s - Metro por segundo
mA - Miliampre
MHz - Megahertz
mm - Milmetro
PSD - Position Sensing Device
PWM - Pulse Width Modulation
RX - Receiver Data
SPI - Session Initiation Protocol
SRAM - Static Random Access Memory
TX - Transmit Data
USB - Universal Serial Bus
F - Microfarad
-
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: CLP Pic40. .................................................................................................... 1
Figura 2: Cadeira de rodas motorizada. ....................................................................... 3
Figura 3: Elementos da automao. ............................................................................. 9
Figura 4: Sada do tipo digital ou binria de um sensor ............................................. 11
Figura 5: Sada do tipo analgica de um sensor ........................................................ 12
Figura 6: Funcionamento do sensor ultrassnico ....................................................... 13
Figura 7: Funcionamento sensor de distncia infravermelho ..................................... 14
Figura 8: Pinos do sensor de distncia GP2Y0A21YK fabricado pele Sharp ............. 15
Figura 9: Representao da estrutura de um motor de corrente continua ................. 17
Figura10: LEDs de diferentes formatos ...................................................................... 18
Figura 11: Buzzer ....................................................................................................... 20
Figura 12: Esquema Ponte H ..................................................................................... 20
Figura 13: Fluxo da corrente eltrica na Ponte H ....................................................... 21
Figura 14: Ponte H constituda de componentes discretos ........................................ 22
Figura 15: Circuito Integrado Ponte H ........................................................................ 22
Figura 16: Diagrama de blocos .................................................................................. 24
Figura 17: Arduino Uno componentes ........................................................................ 26
Figura 18: Ambiente grfico do Arduino ..................................................................... 28
Figura 19: estrutura formada pelas funes setup() e loop() ...................................... 30
Figura 20: Pinos e funes do Arduino ...................................................................... 31
Figura 21: Editor de programao do Arduino com cdigo exemplo .......................... 33
Figura 22: Prottipo finalizado .................................................................................... 36
Figura 23: Diagrama de bloco .................................................................................... 37
Figura 24: Arduino Uno usado no prottipo ................................................................ 38
Figura 25: Sensor ultrassnico HC-SR04 (vista frontal, traseira e lateral) ................. 39
Figura 26: Ligao dos sensores ultrassnicos ao Arduino ....................................... 39
Figura 27: sensor IR utilizado no prottipo ................................................................. 40
Figura 28: Controle Remoto ....................................................................................... 41
Figura 29: Ligao do sensor infravermelho ao Arduino ............................................ 42
Figura 30: Diagrama eltrico Ponte H ........................................................................ 43
-
vii
Figura 31: Ponte H utilizada no prottipo ................................................................... 44
Figura 32: Conexo da Ponte H com motores, Arduino e bateria .............................. 44
Figura 33: Adaptao de servo motor para giro contnuo .......................................... 46
Figura 34: Adaptao motor na estrutura do prottipo ............................................... 46
Figura 35: ligao eltrica do buzzer ao Arduino ....................................................... 47
Figura 36: ligao eltrica dos LEDs ao Arduino ........................................................ 48
Figura 37: ligao das baterias ao Arduino ................................................................ 49
Figura 38: Estrutura do prottipo ................................................................................ 49
Figura 39: Disposio dos componentes eletrnicos no prottipo ............................. 50
Figura 40: Teste deteco de obstculos na horizontal ............................................. 63
Figura 41: Teste deteco de obstculos na vertical ................................................. 64
Figura 42: Teste para deteco de buracos ............................................................... 65
Figura 43: Teste com pequenos desnveis ................................................................. 65
-
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Caractersticas tcnicas Arduino UNO ....................................................... 25
Tabela 2: Comandos da Toolbar Arduino e suas funes .......................................... 29
Tabela 3: Interao software usurio ......................................................................... 51
-
ix
LISTA DE CDIGOS FONTES
Cdigo 1: Bibliotecas .................................................................................................. 52
Cdigo 2: Funo Setup() .......................................................................................... 53
Cdigo 3: Funo Loop() ............................................................................................ 54
Cdigo 4: Funo Detecta() ....................................................................................... 56
Cdigo 5: Funo CalibraDistVer() ............................................................................. 59
Cdigo 6: Funes para movimentao e parada do prottipo .................................. 60
Cdigo 7: Funo Bip() .............................................................................................. 62
-
1
INTRODUO 1.
A automao teve incio na indstria, particularmente na criao das linhas
de montagens automobilsticas com Henry Ford, na dcada de 20. Desde ento o
crescimento tecnolgico nas mais diversas reas da automao tem sido cada vez
maior. O avano da automao est ligado, em grande parte, ao avano da
microeletrnica e da informtica, mais diretamente ao surgimento dos CLPs
(Controlador Lgico Programvel) na dcada de 60 que veio substituir os reles,
dispositivos mecnicos utilizados na poca (SOUZA; OLIVEIRA, 2004). A Figura 1
mostra uma placa CLP (Controlador Lgico Programvel) disponvel no mercado.
Figura 1: CLP Pic40.
Fonte: VW SOLUES, 2012
Os CLPs so dispositivos digitais que permitem controlar equipamentos e
maquinas atravs de comandos que so armazenados em sua memria
programvel. Desde que foi introduzindo na indstria o CLP vem evoluindo e
-
2
adquirindo novas funes, como execuo, sequenciamento, temporizao,
contagem e manipulao de dados, e outras mais. Eles tambm possuem uma
linguagem prpria de programao, podendo ser programados atravs de
computadores, caracterstica que colaborou muito com sua popularizao
(GOEKING, 2010).
O cenrio atual da automao mostra que, em busca do aperfeioamento
industrial, foram criadas novas tcnicas de implementao de funcionalidades,
dispositivos de processamento com maior capacidade computacional,
desenvolvimento de sistemas embarcados e implementao de hardware, alm da
construo em larga escala de dispositivos simples e baratos, que proporcionaram o
surgimento de uma grande variedade de alternativas para a implementao de
solues eficientes na resoluo de problemas, criando assim um leque infinito de
possibilidades de utilizao desses circuitos nas mais diversas reas (NEVES. et al,
2007).
1.1. PROBLEMA E SUA IMPORTNCIA
Uma caracterstica comum aos pases em desenvolvimento, como o Brasil,
a precariedade na ateno dispensada as pessoas com deficincia fsica, seja esta
deficincia por motivos traumatolgicos, enfermidades ou vitimas de problemas
congnitos (HAMANAKA, 2002). Segundo o ltimo senso realizado pelo Instituto
Brasileiro de Geografia e Estatstica - IBGE (2010), o Brasil possui um contingente
de aproximadamente 13 milhes de pessoas com deficincia motora, ou seja, as
pessoas com dificuldade de se movimentar representavam cerca de 7% da
populao brasileira.
A cadeira de rodas um equipamento que foi desenvolvido com o intuito de
auxiliar o deslocamento, e est entre as tecnologias utilizadas por pessoas que
apresentam a impossibilidade, temporria ou definitiva, de deslocar-se utilizando os
membros inferiores (MEDINA AG, COELHO DB; 2007). Segundo Albrey (2007 citado
por Madeira, 2008) seu surgimento esta ligado a utilizao da roda como forma de
facilitar o transporte de objetos em (4000 A.C.) e em carruagens em (1300 A.C.). J
em 1595 um modelo sofisticado foi construdo para o Rei Filipe II da Espanha. Tal
cadeira possua rodas e ajustes de altura, sendo carregada pelos seus servos, e era
utilizada para realizar caminhos domsticos e percorrer os jardins do palcio.
-
3
Desde as primeiras dcadas do sculo XX, devido ao progresso industrial
com surgimento de matria-prima mais leve e moldvel, as cadeiras de rodas vm
evoluindo de maneira crescente. possvel se encontrar diversos modelos de
cadeira de rodas, desde as manuais, passando pelas adaptadas prtica de
esportes, circulao em terrenos diversos at as motorizadas (Figura 2) sendo que
essas ltimas aos poucos vo tomando conta do mercado(SILVA; DEL`ACQUA,
2012).
Figura 2: Cadeira de rodas motorizada.
Fonte: LOCMED, 2012
Cadeiras de rodas motorizadas so geralmente prescritas a usurios que no
possuem fora ou coordenao motora suficiente para acionar manualmente uma
cadeira de rodas convencional. A escolha desta modalidade de cadeira deve levar
em conta tanto as habilidades motoras e sensoriais do usurio quanto o seu desejo
de se locomover de forma independente.
Desta forma, no basta apenas o usurio de uma cadeira de rodas manifestar
a vontade de usar um modelo motorizado, antes deve ser avaliada suas condies
motora e cognitiva para controlar este equipamento. Vale ressaltar que o peso de
uma cadeira de rodas motorizada somado ao peso do usurio pode chegar a mais
de 120 kg e atingir velocidades mximas de 10 a 15 Km/h. notrio que se uma
cadeira de rodas nestas condies se desgovernar poder causar danos tanto para
seu usurio quanto para as pessoas ao seu redor (BECKER, 2000).
-
4
Ainda segundo Becker (2000) h uma crescente necessidade do
desenvolvimento de produtos que atendam as pessoas portadoras de deficincias,
melhorando assim sua qualidade de vida e integrao na sociedade. E esta
necessidade no se restringe apenas a pases desenvolvidos, mas esta cada vez
mais presente nos pases em desenvolvimento como o Brasil. Dentre as causas de
uma maior demanda desses produtos esto, o aumento na expectativa de vida da
populao e das exigncias de qualidade de vida, at a conscientizao de que uma
pessoa com deficincia um cidado comum com direitos e deveres e deve ser
tratado como tal. Tendo isso em mente nada mais justo que usar os conhecimentos
cientficos para colaborar na melhoria da qualidade de vida desta parcela da
sociedade que muitas vezes deixada em segundo plano.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo Geral
Desenvolver um mecanismo (software, hardware) que detecte e alerte sobre a
presena de obstculos que impeam ou comprometam a circulao de uma cadeira
de rodas motorizada, evitando uma possvel coliso.
1.2.2. Objetivos Especficos
Desenvolver um software que gerencie o controle de uma cadeira de rodas
motorizada com base nos sinais de entrada enviados por sensores
Propor um hardware que seja compatvel com os requisitos do projeto.
Propor a configurao dos sensores para uma melhor percepo do
ambiente.
Montar um prottipo semelhante a uma cadeira de rodas motorizada para que
se possa testar as funcionalidades do software.
-
5
1.3. MTODO DE DESENVOLVIMENTO
Para se chegar ao objetivo final deste trabalho, houve uma alternncia
constante entre montagem do hardware e desenvolvimento do software, uma vez
que se trata de um software embarcado, comunicando-se diretamente com o
hardware. O computador apenas o ambiente para o desenvolvimento do software,
no sendo possvel atravs do mesmo verificar o correto funcionamento dos
comandos programados, como nos softwares comuns desenvolvidos para
computadores de um modo geral.
Sendo assim, para se testar qualquer funcionalidade do software era
necessrio transferi-lo para o microcontrolador, via porta USB. Alm disso, os
diversos componentes que o software gerencia tambm deviam estar conectados ao
micro controlador para que fosse possvel a interao entre software e hardware. Por
isso, a cada novo componente de hardware acrescentado no prottipo, como
sensores, motores, LEDs, havia a necessidade do desenvolvimento de um mdulo
de software exclusivo para teste individual do componente. Todos os outros
componentes eram removidos do microcontrolador e apenas o novo componente era
conectado, sendo ento, transferido o cdigo produzido especificamente para o teste
desse novo componente, evitando dessa forma qualquer dvida causada por um
possvel mau funcionamento entre software e hardware.
Aps ter verificado o correto funcionamento tanto dos trechos de cdigo fonte
do software como dos componentes do hardware, foi feito um acoplamento entre
eles ligando-se todos os componentes ao Arduino, e integrando os trechos de
cdigos a um programa principal.
O desenvolvimento do hardware fez-se necessrio para o teste das
funcionalidades do software. Com este intuito, foi montado um prottipo que, por
motivo de reduo de custos, teve suas dimenses reduzidas, embora seus
componentes, resguardadas as devidas propores, foram escolhidos para se
assemelhar ao mximo com os componentes usados nas cadeiras de rodas
motorizadas convencionais. Desta forma, a interao software/hardware conseguida
no prottipo foi praticamente a mesma que ocorreria em uma cadeira de rodas
motorizada convencional.
Da mesma forma, o software foi desenvolvimento de acordo com o hardware,
baseado no seguinte propsito: funcionar embarcado em um microcontrolador para
-
6
gerenciar o funcionamento de uma cadeira de rodas motorizada de acordo com
informaes fornecidas por sensores nela instalados, de forma a monitorar o
percurso feito pela cadeira, detectando a presena de obstculos, alertando o
usurio sobre a presena desses obstculos atravs de sinais luminosos e sonoros,
alm de interferir no controle de deslocamento e velocidade da cadeira quando
necessrio, independente dos comandos exercidos pelo usurio. Dessa forma,
pretende-se que mesmo pessoas de baixa capacidade cognitiva possam conduzir o
veculo em segurana.
Para um melhor entendimento dos detalhes do desenvolvimento, este foi
dividido em duas partes distintas, desenvolvimento do hardware e desenvolvimento
do software, tpicos estes a serem detalhados nos captulos 5 e 6 deste trabalho.
1.4. ORGANIZAO DO TRABALHO
Para facilitar o entendimento, este trabalho foi dividido em oito captulos que
sero descritos a seguir:
Captulo 1 - Introduo, neste captulo apresentada uma contextualizao
sobre o tema abordado, trazendo um breve histrico da automao. Tambm
relatada a importncia de se desenvolver um dispositivo como o proposto neste
trabalho, finalizando so apresentados o objetivo geral e os especficos.
Captulo 2 - Automao, apresentada uma definio de automao e seu
princpio de funcionamento. Tambm so apresentados alguns componentes
utilizados em processos de automao como sensores e atuadores.
Captulo 3 - O Arduino, no captulo 3 feita a apresentao da plataforma
Arduino utilizada no trabalho, sendo citadas as principais caractersticas tcnicas do
hardware e tambm as caractersticas de seu ambiente de desenvolvimento e sua
linguagem de programao.
Captulo 4 - Trabalhos Relacionados, neste captulo so apresentados
trabalhos que tratam de assuntos que tem alguma relao e que tiveram alguma
contribuio para o desenvolvimento deste trabalho.
Captulo 5 - Desenvolvimento do Hardware, neste captulo foi feito uma
especificao exclusiva da montagem do hardware. Cada componente utilizado no
prottipo como o Arduino, motores, sensores, LEDs e outros foram especificados.
-
7
Captulo 6 - Desenvolvimento do Software, neste captulo descrito como o
software foi implementado, suas principais funes e os principais trechos de cdigo
fonte foram explicados.
Captulo 7 - Testes com o Prottipo. Foram realizados testes com o prottipo
a fim de verificar na prtica o funcionamento tanto do software como do hardware
neste captulo so vistos detalhes de como foram realizados estes testes bem como
os seus resultados.
Captulo 8 - Consideraes Finais. feito uma abordagem sobre tudo o que
foi abordado no trabalho, relacionando os resultados obtidos com as expectativas.
Nele tambm se encontram as sugestes para trabalhos futuros.
-
8
AUTOMAO 2.
Segundo Aihara (2005) automao pode ser definida como um conjunto de
tecnologias que constituem sistemas ativos, capazes de agir com eficincia no
ambiente em que atuam, e com base em informaes recebidas, na maioria das
vezes de sensores, se autocorrigem sempre em busca de uma soluo tima. Ainda
pode-se definir automao como sendo uma forma de aumentar a eficincia de
processos em um determinado sistema.
Usando como exemplo a automao industrial, tem-se que na maioria das
vezes o processo ocorre desta forma: vrios instrumentos de medida de uma fbrica
enviam seus sinais coletados a um computador, que por sua vez compara estes
sinais com valores ideais para o contexto em questo, e executa uma srie de
clculos para gerar sinais de correo que so enviados aos dispositivos atuadores
com o objetivo de se alcanar uma produo tima.
2.1. COMPONENTES DA AUTOMAO
Segundo Abramam (2012), os sistemas de automao utilizados em
empresas como as indstrias automobilsticas, indstria petroqumica e nos
supermercados, requerem muitos ciclos de realimentao e so complexos.
Basicamente cada sistema de automao compe-se de destes elementos:
Acionamento: prov o sistema de energia para atingir determinado objetivo.
o caso dos motores eltricos, pistes hidrulicos entre outros;
-
9
Sensoriamento: mede o desempenho do sistema de automao ou uma
propriedade particular de algum de seus componentes. Exemplos: termopares
para medio de temperatura e encoders para medio de velocidade;
Controle: baseado em informaes dos sensores, regula o funcionamento
dos atuadores. Como exemplo, pode ser citada uma sirene que acionada
quando um sensor detecta presena de um corpo estranho em um
determinado ambiente;
Comparador ou elemento de deciso: compara os valores medidos com
valores preestabelecidos e toma a deciso de quando atuar no sistema. Aqui
se incluem os softwares de automao;
A Figura 3 mostra o fluxo dos componentes de um sistema de automao. O
elemento comparador recebe um sinal proveniente de um elemento de
sensoriamento e faz a comparao entre os valores do sinal recebido e os valores
preestabelecidos em sua memria de acordo com a programao. Se for necessrio
acionar algum atuador o elemento comparador envia um sinal com instrues ao
elemento de controle que por sua vez regula o funcionamento dos atuadores atravs
do elemento de acionamento. O ciclo continua com o elemento de sensoriamento
que faz a realimentao do circuito enviando novamente sinais com informaes do
ambiente monitorado para o elemento comparando.
Figura 3: Elementos da automao.
Fonte ABRAMAM, 2012
-
10
Existem vrios tipos de classificao para a automao, de acordo com suas
reas de aplicao. Por exemplo: automao bancria, comercial, industrial,
agrcola, de comunicaes, transportes. Cada tipo tem suas peculiaridades, mas
todos esto relacionados ao mesmo conceito de fazer com que as aplicaes
funcionem com cada vez mais eficincia e sem a interveno do homem.
2.2. SENSORES
Segundo Wendling (2010) sensores so dispositivos sensveis a algum tipo
de energia do ambiente, podendo ser luminosa, trmica, cintica. Eles agem
fazendo uma relao dessa sua sensibilidade com grandezas fsicas que devem ser
medidas como: posio, acelerao, corrente, temperatura, presso, umidade, etc.
Algumas vezes, necessrio um circuito de interface que faa a adaptao do sinal
gerado pelo sensor, afim de que ele possa ser utilizado pelo controlador. Isso se d
por que nem sempre o sinal gerado pelos sensores tem as caractersticas eltricas
adequadas utilizao em um sistema de controle. O sistema de interface faz a
manipulao do sinal de sada dos sensores com o intuito de adequ-lo aos padres
de entrada do controlador. Por exemplo, quando um sensor excitado por um fator
externo qualquer e apresenta uma tenso muito baixa como sinal de sada, surge
ento a necessidade que o sistema de interface atue amplificando esta tenso para
que a mesma possa ser interpretada pelo controlador. Quando o sensor faz parte de
um dispositivo completo j com o sistema de interface ele ser nomeado transdutor.
Ainda segundo Wendling (2010) Os sensores so usados para obter valores
das variveis fsicas do ambiente a ser monitorado, no importa o ramo da
automao (industrial, comercial, automobilstica, domestica, entre outras). sempre
necessrio se fazer uso dos sensores para se determinar as condies ou variveis
do sistema. Basicamente, eles podem ser definidos como dispositivos que
monitoram o ambiente e informam a um circuito eletrnico quando h alterao
neste ambiente monitorado. A partir das informaes obtidas pelos sensores, o
dispositivo eletrnico executa aes predeterminadas para aquela situao. H uma
srie de caractersticas fundamentais, que devem ser levadas em considerao na
hora da escolha de um sensor para uma aplicao, e elas devem ser analisadas de
-
11
acordo com o foco do projeto. As principais caractersticas so: tipo de sada,
linearidade, alcance e velocidade de resposta;
Tipo de sada:
Digital ou Binria: a sada do sensor assume apenas dois valores lgicos 1
ou 0, (ligado ou desligado). Desta forma este tipo de sensor apenas capas de
determinar se uma grandeza fsica atingiu ou no um valor determinado. A Figura 4
mostra a sada de um sensor digital conforme a variao na entrada ao longo do
tempo.
Figura 4: Sada do tipo digital ou binria de um sensor
Fonte: WENDLING, 2010
Analgica: desde que esteja dentro de sua faixa de atuao este tipo de
sensor pode assumir qualquer grandeza no seu sinal de sada ao longo do tempo.
Essas grandezas so medidas por circuitos eletrnicos sensveis no digitais. A
Figura 5 mostra a tenso ou corrente de sada de um sensor analgico com relao
a grandeza fsica em um determinado intervalo de tempo.
-
12
Figura 5: Sada do tipo analgica de um sensor
Fonte: WENDLING, 2010
Linearidade
O conceito de linearidade aplica-se apenas aos sensores analgicos. Est
relacionado curva de sada do sensor de acordo com a grandeza medida. Como
alguns sensores no so lineares, nem sempre so conseguidas respostas
proporcionais s entradas, que so desejveis para facilitar os circuitos de interface;
Alcance
Esta caracterstica representa toda a faixa de valores da entrada de um sensor
quanto maior o alcance de um sensor mais precisa ser sua sada;
Velocidade de Resposta
o tempo que o sensor demora entre perceber uma variao no ambiente e sua
resposta de sada, o ideal e que um sensor tenha velocidade de resposta
instantnea. Sensores com velocidade de resposta baixa podem prejudicar o
sistema de controle;
2.2.1. Sensor de distncia Ultrassnico
Segundo Pinto (2006) e Wendling (2010) os sensores ultrassnicos so teis
para deteco de objetos a certa distncia, desde que estes objetos tenham
tamanho razovel e sejam capazes de refletir a radiao ultrassnica. Eles
funcionam da seguinte maneira: um oscilador emite ondas ultrassnicas com uma
-
13
frequncia em torno de 42 khz. Estas ondas se propagam pelo ambiente e quando
se deparam com algum obstculo so refletidas. As ondas refletidas so captadas
pelo sensor, e com base no tempo de resposta desde o seu envio at o seu retorno,
possvel se fazer um processamento e obter informaes sobre a distncia do
objeto que refletiu o sinal. A figura 6 mostra o comportamento das ondas
ultrassnicas ou se chocaram com um objeto em seu percurso.
Figura 6: Funcionamento do sensor ultrassnico
Fonte: SLAK NEWS CENTER, 2012
Em geral estes sensores so constitudos por duas partes: um gatilho
(emissor) e o eco (receptor), funcionando basicamente como um sonar, um pulso
ultrassnico emitido e ento se espera pelo retorno de um eco, quanto mais tempo
demorar o eco, maior a distncia, e quanto menor for o tempo que demorar o eco
tambm menor ser a distncia. A partir deste princpio conseguimos medir a
distncia entre um objeto qualquer e o sensor. A velocidade do sinal ultrassnico
de aproximadamente 340 m/s, assim, se o sensor estiver a uma distncia d do
objeto, o sinal percorrer uma distncia equivalente a 2d para sair e retornar ao
sensor. Dessa forma, o tempo que o sinal leva para sair e retornar ao sensor permite
calcular a distncia d pela equao:
velocidade = distncia/tempo => v = 2d/t => d = v*t/2 => d = 120*t
-
14
Os sensores ultrassnicos podem ser usados em diversas reas da
automao, como ferramentas de deteco sem contato, pois possibilitam que
objetos de vrias formas, cores e texturas diferentes sejam percebidos em seu
campo de atuao. As possibilidades de aplicao deste tipo de sensor so diversas
como:
Deteco de nvel e altura.
Medida de separao.
Medida de dimetro em bobinas.
Deteco de objetos transparentes, sujos, em ambientes com vapor e ate
mesmo em estado liquido, sendo utilizados para medir nvel em reservatrios
(AUTOMATIZE, 2012).
2.2.2. Sensor de distncia Infravermelho.
Este tipo de sensor baseasse no princpio da triangulao de raios
infravermelhos para medir distancias. Um LED emite um feixe de luz infravermelha
que quando refletido em um objeto esse feixe capitado por um PSD (Position
Sensing Device Dispositivo de Monitoramento de Posio). A incidncia do feixe
de luz refletido no PSD varia de acordo com a distncia do objeto, permitindo assim
que mea a distncia do mesmo.
Figura 7: Funcionamento sensor de distncia infravermelho
Fonte: PATSKO, 2006
A Figura 7 mostra funcionamento do sensor de distncia infravermelho
baseado no princpio da triangulao, dependendo da distncia que est o objeto do
-
15
sensor ele reflete o os raios infravermelhos emitidos pelo LED em uma posio
diferente no PSD. O PSD um elemento constitudo de diversos componentes
sensveis a luz e monitorado por um modulo de processamento que identifica com
preciso o exato local em que a luz incidir sobre o PSD. Como essa posio em que
o feixe de luz incidiu no PSD est relacionada distncia do objeto refletor, o
mdulo processa essa informao de forma a produzir em sua sada um sinal
equivalente a essa distncia. Quanto mais perto estiver o objeto maior ser a
intensidade do sinal na sada do sensor bem como quanto maior for a distncia do
objeto menor ser a intensidade do sinal.
Na Figura 8 mostrado um sensor GP2Y0A21YK, fabricado pela Sharp, que
utiliza a tecnologia infravermelha para medir distncia. O pino V+ utilizado para
alimentao do sensor, que funciona com 5 volts; o pino 0 V (GND) deve ser ligado
ao terra (negativo da fonte de energia); e o pino V0 a sada do sensor, devendo
ser conectado a uma porta adequada de um microprocessador para que as
informao gerada, em forma de corrente eltrica, seja interpretadas pelo micro
controlador, a fim de se conseguir a distncia entre o sensor e o objeto refletor.
Figura 8: Pinos do sensor de distncia GP2Y0A21YK fabricado pele Sharp
Fonte: PATSKO, 2006
O sensor infravermelho tem como caracterstica positiva seu tamanho
compacto, alm de uma fcil instalao e configurao, e como caracterstica
negativa o fato da luz do sol e lmpadas incandescentes interferirem em seu
funcionamento, assim como objetos transparentes ao infravermelho como vidros e
superfcies lustrosas no serem corretamente identificado pelo sensor.
-
16
2.3. ATUADORES
Segundo Wendling (2010), atuadores so dispositivos que interferem em um
ambiente, modificando uma varivel controlada. Sua ao acontece quando
recebem um sinal proveniente do controlador, geralmente depois que o controlador
fez algum processamento de um sinal de entrada qualquer. A seguir alguns
exemplos de atuadores:
Motores
LEDs
Buzzers
2.3.1. MOTORES ELETRICOS
Segundo Gioppo, (2009) motores eltricos convertem energia eltrica em energia
mecnica e podem utilizar corrente continua (CC) ou alternada (CA), mas a escolha
do tipo de motor para uma determinada aplicao deve estar relacionada a suas
caractersticas.
2.3.1.1 Motores de Corrente Alternada
Segundo Spamer (2009) motores de corrente alternada geralmente so
utilizados por maquinas de grande porte e so alimentados diretamente da rede de
distribuio de energia. Os principais tipos de motores de corrente alternada so:
Motores sncronos: possuem esse nome porque seu eixo gira com a
mesma frequncia da rede de energia eltrica, ou seja, com velocidade
fixa. Sua utilizao mais vivel em potencias acima de 15 CV devido ao
alto custo em potencia mais baixar.
Motores assncronos ou de induo: So os mais utilizados na
indstria, cerca de 90% dos motores so de induo. Suas principais
vantagens so baixo custo, elevada confiabilidade, baixa manuteno e
como desvantagem possui baixo rendimentos fora de sua condio plena
de carga e uma elevada corrente de partida.
-
17
2.3.1.2 Motores de Corrente Continua
Motores de corrente continua tem seu uso voltado a aplicaes moveis ou de
menor porte, pelo fato de sua alimentao ser proveniente de pilhas, baterias ou
uma fonte de alimentao que converte a corrente alternada da rede eltrica para
corrente continua. Os motores de corrente continua comuns possuem dois terminais
que quando energizados fazem o motor girar em um determinado sentido, sendo
que quando se inverte a polaridade da fonte eltrica nestes terminais o motor gira
em sentido contrrio (GIOPPO, 2009).
Figura 9: Representao da estrutura de um motor de corrente continua
Fonte: GIOPPO, 2009
Na Figura 9 vemos a representao da estrutura interna simplificada de um
motor de corrente contnua com ims fixos. Ao se aplicar uma corrente (i) sobre um
condutor (Armadura) gerado um campo magntico que pode ser repelido ou
atrado pelos ims permanentes (N e S) dependendo do sentido da corrente que
chega ao comutador atravs da escova. Duas vezes por ciclo o os comutadores
mudam de contato invertendo o sentido da corrente na armadura esta mudana faz
com que a armadura gire sempre no mesmo sentido produzindo uma rotao
continua enquanto se tem uma carga aplicada as escovas. Estes motores tm como
caracterstica uma alta velocidade de giro e um pequeno torque.
-
18
Existem alguns tipos de motores CC que possuem mais de dois terminais,
como o caso dos motores de passo. Nestes dispositivos, a energia distribuda de
forma organizada em suas bobinas internas, proporcionando um controle do ciclo
interno do motor. Isso trs como vantagem um controle preciso da posio do motor
a cada instante, e um maior controle da velocidade de rotao. Estes motores so
usados em aplicaes que exigem maior preciso (GIOPPO, 2009).
2.3.2. LED
Segundo Utiluz (2012), o LED (Light emitter diode) ou diodo emissor de luz
um dispositivo eletrnico semicondutor que tem a capacidade de transformar energia
eltrica em luz. A Figura 10 mostra alguns LEDS de diferentes formatos.
Figura10: LEDs de diferentes formatos
um componente bipolar, ou seja, possui dois polos um chamado anodo e o
outro catodo. De acordo com a polarizao de seus terminais ele permite ou no a
passagem de corrente eltrica gerando ou no luminosidade. Diferentemente das
lmpadas convencionais, o LED no utiliza filamentos metlicos ou descarga de
gases para gerao de luz, sendo, portanto mais eficiente em determinadas
aplicaes.
Alguns dos principais benefcios do uso do LED so:
Menor custo de manuteno: apresentam uma longa vida til (por volta de
50,000 horas) no sendo necessrias manutenes peridicas.
-
19
Maior resistncia a impactos e vibraes: utiliza uma tecnologia de estado
solido, ou seja, no utiliza filamentos vidros ou similares, possui uma maior
robustez.
Ecologicamente correto: no utiliza metais pesados como o mercrio ou
outros elementos que agridam a natureza.
Baixa voltagem de operao: funcionam com voltagens que no
apresentam risco ao usurio.
De acordo com Morais (2005) existem outros tipos de LEDs especficos para
determinadas aplicaes como o LED emissor infravermelho, que ao invs de luz
visvel, emite raios infravermelhos quando aplicada uma tenso em seus terminais.
Esses raios podem ser captados por sensores nessa faixa de frequncia, lembrando
que a luz infravermelha esta em um espectro de frequncia que no pode ser
percebida pelo olho humano. O uso mais comum desses dispositivos em controles
remotos de aparelhos eletrnicos domsticos, como TVs, DVDs e aparelhos de som.
2.3.3. BUZZER
O Buzzer visto na Figura 11 um pequeno dispositivo eletrnico que tem a
finalidade nica de emitir sinais sonoros de alerta (bips). diferente de um
autofalante comum, pois se baseia no efeito piezoeltrico de alguns cristais, ou seja,
quando recebe um sinal eltrico em sua entrada produz uma expanso ou
compresso, sendo assim se este sinal for variante de tempo ele capaz de vibrar
de acordo com a frequncia do sinal, produzindo um som. Sua vantagem em relao
ao altofalante o seu tamanho reduzido e a capacidade de produzir um maior
volume sonoro a partir de um sinal de mesma intensidade. Os buzzers so muito
utilizados na placa me de computadores, produzindo sinais sonoros de indicao
do funcionamento correto ou adverso da mesma (ANDRADE, 2010).
-
20
Figura 11: Buzzer
2.4. PONTE H
A Ponte H um circuito importante na elaborao de sistemas automatizados.
Tem a caracterstica de controlar um motor de corrente continua utilizando sinais
gerados por um micro controlador. Esse controle se d pela disposio de seus
componentes tornando extremamente fcil controlar a polaridade da tenso nos
terminais de entrada do motor alternando assim o sentido de rotao e tambm a
velocidade que o mesmo gira com o uso de modulao PWM. Uma Ponte H bsica e
composta por 4 chaves mecnicas ou eletrnicas posicionadas formando a letra H,
sendo que cada uma localiza-se num extremo e o motor posicionado no meio
como pode ser visto na Figura 12 (PATSKO, 2012).
Figura 12: Esquema Ponte H
Adaptado de: PATSKO, 2012
-
21
Para que o motor funcione devem ser acionadas duas chaves em diagonal
fazendo com que a corrente flua pelo motor fazendo o girar em um determinado
sentido. Para que o motor gire no sentido contrrio basta desligar as chaves que
esto ligadas e ligar as outras duas. Esse funcionamento pode ser mais bem
entendido observando a Figura 12 (PATSKO, 2012)
Figura 13: Fluxo da corrente eltrica na Ponte H
Adaptado de: PATSKO, 2012
Caso se queira parar o motor, existem duas maneiras de se fazer isso usando
a Ponte H. A primeira seria desligando todas as chaves, o motor para suavemente,
devido fora do atrito, uma vez que no se tem nenhuma corrente aplicada no
dispositivo. A outra forma se acionar as duas chaves superiores ligadas ao positivo
da fonte de energia ou as duas chaves inferiores ligadas ao negativo da fonte de
energia. Dessa forma se tem uma parada instantnea (freio eletrnico), porque o
acionamento destas chaves faz com que a corrente eltrica flua de tal maneira nas
bobinas que promova a parada do motor e no o seu giro. Entretanto, deve-se tomar
cuidado para no fechar as quatro chaves, ou duas de um mesmo lado, ao mesmo
tempo, pois isso gerar um curto-circuito na fonte de energia provocando danos na
mesma e nas chaves da Ponte H.
Podemos encontrar Pontes H de duas formas diferentes, mas que tem o
mesmo princpio de funcionamento, construdas a partir de componentes discretos,
transistores, diodos, resistores entre outros como visto na Figura 14.
-
22
Figura 14: Ponte H constituda de componentes discretos
Existe ainda um circuito integrado que tem todos estes componentes
alocados no interior de um chip como o CI L298N visto na Figura 15 .O uso de um
modelo ou de outro vai depender da aplicao em que os mesmos sero usadas.
Normalmente o Circuito integrado usado em aplicaes onde no se trabalha com
correntes elevadas e se tem um espao reduzido para adaptar o componente
(PATSKO, 2012).
Figura 15: Circuito Integrado Ponte H
Fonte: Mercado Livre 2012
-
23
O ARDUINO 3.
Segundo Fonseca, Beppu (2010) a plataforma Arduino surgiu na Itlia em
2005. Seu objetivo era criar um dispositivo para controlar projetos de uma forma
menos custosa e mais eficiente do que os outros dispositivos existentes no mercado
at ento. Este projeto livre para o uso de todos gratuitamente, pois faz parte do
conceito de hardware e software livres, ou seja, os usurios de todo mundo podem
ter acesso a todas as suas especificaes e colaborar para o seu aperfeioamento.
O Arduino basicamente uma placa de entra e sada que foi desenvolvida
sobre uma biblioteca que simplifica a linguagem de programao C/C++. uma
plataforma de computao fsica, ou seja, o software interage diretamente com o
hardware, possibilitando assim uma fcil integrao com uma grande gama de
dispositivos eletrnicos como sensores e atuadores. Ele tambm permite que os
projetos desenvolvidos possam tanto funcionar de forma livre, ou seja,
independendo de um computador, ou conectados ao PC atravs de diversas
estratgias de comunicao.
O Arduino usa um microprocessador embarcado (com processador, memria
e controladores de entrada e sada no mesmo chip), que pode controlar suas aes
ou funes. Ele pode ser programado para funes especificas, diferentemente dos
microprocessadores utilizados nos PCs que englobam um propsito geral. .
Ele tambm pode ser visto como um conjunto de desenvolvimento capaz de
interpretar variaes no ambiente, transformadas em sinais eltricos por sensores
conectados em suas entradas, e acionar dispositivos atuadores em suas sadas
como lmpadas ou motores. Ou seja, pode ser visto como um dispositivo de controle
de entrada e sada de dados, com um tratamento desses dados entre a entrada e a
sada. Por exemplo, um sensor de temperatura pode ser conectado em um de seus
terminais de entrada, e os dados coletados por este sensor sero transformados em
-
24
sinais eltricos e processados pelo micro controlador e em seguida, de acordo com
os valores coletados e o tratamento feito no processamento, pode ser acionada uma
sirene conectada um de seus terminais de sada, para alertar sobre possveis
excessos de temperatura (FONSECA; BEPPU, 2010).
A Figura 16 mostra o diagrama de bloco para que se possa identificar melhor
os elementos principais do sistema.
Figura 16: Diagrama de blocos
Fonte: FONSECA, BEPPU, 2010
O processamento do Arduino realizado pelo micro controlador (Atmega)
atravs da linguagem de programao C/C++.Desta forma, as aes do hardware
so controladas de acordo com o software, tornando-o malevel para uma infinidade
de projetos diferentes. ,Junta-se a isso com o fato do Arduino ser uma ferramenta
open-source, ou seja, aberta para que todos com conhecimento em programao
possam utiliz-la, modific-la e ampli-la de acordo com as necessidades, sempre
com o intuito da melhoria de suas aplicaes(FONSECA; BEPPU, 2010).
3.1. CARACTERISTICAS
Desde que surgiu, em 2005, foram criadas varias verses do Arduino. Entre
elas podem ser citadas o Arduino Nano, Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove,
Arduino Mega, Arduino UNO (verso atual) e diversas outras verses (ARDUINO,
2012). Na tabela 1 podem ser observadas as caractersticas tcnicas de uma placa
Arduino UNO.
-
25
Tabela 1: Caractersticas tcnicas Arduino UNO
Fonte: FONSECA, BEPPU, 2010
De acordo com Arduino (2012) a placa Arduino UNO pode ser alimentada
tanto de uma fonte externa quando da energia fornecida pela conexo USB, sendo a
fonte de energia selecionada automaticamente.
Caso seja usada uma fonte de alimentao externa, ela pode ser fornecida
por um adaptador AC/DC ou de uma bateria. O adaptador pode ser conectado
atravs de um plug de 2,1 milmetros de centro positivo, no conector de energia da
placa. J a alimentao por bateria pode ser feita conectando os pinos GND e VIN do
conector de alimentao. Mesmo podendo ser alimentado dentro de uma faixa de
tenso que vai de 6 a 20 volts, recomenda-se que a tenso de alimentao fique
entre 7 a 12 volts, caso ela seja menor que 7 volts pode causar instabilidades na
placa pois o pino que fornece 5 volts passa a fornecer um tenso menor, j se for
usado mais do que 12 volts de tenso na entrada o regulador de tenso pode
superaquecer e danificar a placa.
O Arduino UNO possui 14 pinos digitais que operam com 5 volts e podem ser
usados tanto como entrada ou como sada, de acordo com os comandos efetuados
na programao do micro controlador.
Cada pino pode fornecer ou receber um mximo de 40 mA. Alm disso,
alguns pinos tm funes especficas como receber e transmitir dados via
-
26
comunicao serial, comunicao SPI, proporcionar sada PWM e uma
particularidade o pino 13 possui um LED conectado ao mesmo que usado alm de
outras coisas para teste do funcionamento da placa (ARDUINO, 2012).
Ainda de acordo com Arduino (2012) alm dos 14 pinos digitais, a placa
possui ainda 6 entradas analgicas, rotulados A0 a A5, cada qual com 10 bits de
resoluo e tambm os pinos AREF usado como entrada para a tenso de
referncia e o pino Reset para reiniciar o micro controlador. Na Figura 17 detalha a
posio dos componentes na placa.
Figura 17: Arduino Uno componentes
Fonte: ADUINO, 2012
Os pinos de alimentao da placa Arduino so os seguintes:
VIN: A entrada de tenso da placa Arduino, quando ela est usando uma
fonte externa de energia (ao contrrio de 5 volts a partir da conexo USB
ou fonte de alimentao regulada externa). Se o fornecimento de tenso
for realizado atravs do conector de alimentao, possvel utilizar este
pino para retirar energia para alimentar algum outro dispositivo;
-
27
5V: A fonte de alimentao regulada usada para alimentar o micro
controlador e outros componentes na placa. Este pode vir do pino VIN
atravs de um regulador na placa, ou ser fornecido pelo USB ou outra
fonte de regulada de 5V;
3V3: Uma fonte de 3,3 volts gerado pelo regulador da placa. A corrente
mxima 50 mA;
GND: Pinos terra.
O processador ATmega328 utilizado no Arduino possui 32 KB de memria
flash para armazenar cdigo de programao dos quais 0,5 KB utilizado para o
gerenciador de boot. Alm 2 KB de SRAM e 1 KB de EEPROM que podem ser
usadas para leitura e escrita (ARDUINO, 2011).
Em termos de comunicao, o Arduino pode se comunicar com um
computador, com outros Arduinos e tambm com outros micro controladores. O
chip ATmega328 possui uma interface de comunicao serial UART TTL (5V), a qual
esta disponvel nos pinos digitais, pino 0 (RX) e 1 (TX).O Arduino possui um chip
exclusivo para converter os dados para o padro USB, permitindo e facilitando sua
comunicao com computadores, no sendo necessrios drivers adicionais
O software Arduino acompanha um monitor da porta serial, que permite a
visualizao dos dados recebidos pelo computador, bem como enviar dados para o
hardware Arduino com o intuito de facilitar sua utilizao. Os LEDs RX e TX na placa
piscam quando os dados trafegarem por suas linhas de dados USB-para-Serial e
USB-Computador, mas isso no ocorrer para comunicaes seriais nos pinos 0 e 1
(ARDUINO, 2012).
A largura e o comprimento mximos da placa do Arduino Uno so 68,58 e
53,34mm respectivamente (2,7" x 2,1"), com os conectores USB e de alimentao
estendendo-se alm destas dimenses. Quatro furos para parafusos permitem que a
placa seja fixada a uma superfcie ou encapsulamento.
-
28
3.2. IDE DO ARDUINO
O Ambiente de Desenvolvimento Integrado ou IDE (Integrated Development
Enviroment) do Arduino muito semelhante ao do processing1 e pode ser baixada
gratuitamente da WEB. A Figura 12 mostra a aparncia da interface grfica,
constituda pela Toolbar e os Menus File, Edit, Sketch, Tools e Help (IKWARE,
2012).
Figura 18: Ambiente grfico do Arduino
Na Toolbar esto diversos botes com funes distintas. A Tabela 2
apresenta uma descrio bsica da funo dos principais botes.
1http://processing.org
-
29
Tabela 2: Comandos da Toolbar Arduino e suas funes
Adaptado de: IKWARE, 2012
Segundo IKWARE, 2012 os menus File, Edit e Help apresentam as mesmas caractersticas que outros programas j o menu Sketch possui os seguintes comandos:
Verify/Compile: Verifica se o cdigo tem erros;
Import Library: Adiciona livrarias ao cdigo, o que lhe confere novas
possibilidades;
Show Sketch Folder: Abre a pasta do arquivo no Ambiente de Trabalho;
Add File: Adiciona outro arquivo ao arquivo inicial. Esse arquivo aparece
numa nova tab.
O menu Tools composto das seguintes funes:
Auto Format: Formata o cdigo para uma melhor leitura, alinhando as
chaves eindentando o seu contedo;
Copy for Discourse: Copia o cdigo para o clipboard, de forma que seja
possvel coloc-lo num frum e manter a distino da sintaxe por cores;
Board: Seleciona a placa que estamos a usar, o que controla a forma
como o cdigo compilado e o modo como feito o upload, assim como o
comportamento dos itens do menu Burn Bootloader;
Serial Port: Contm todas as portas srie que o computador possui,
permitindo escolher a que est a ser usada. Para usar portas USB
necessrio instalar um driver especfico.
-
30
Burn Bootloader: Os itens deste menu permitem gravar um bootloader na
placa Arduino com variados programas, mas no necessrio para uso
normal do Arduino.
3.3. LINGUAGEM DE PROGRAMAO DO ARDUINO
Os programas implementados para Arduino tem como base a linguagem de
programao C++. Sua sintaxe clssica mantida na declarao de variveis,
operadores, ponteiros, vetores (FONSECA, BEPPU, 2010). De uma forma geral, a
estrutura bsica da linguagem de programao do Arduino simples, sendo dividida
em dois blocos de funes que carregam outros blocos em seu interior. A funo
setup() a primeira a ser chamada, e a funo loop() a seguinte. Ambas podem
conter internamente outras funes. Na Figura 19 pode se ver uma representao
da estrutura formada pelas funes setup() e loop(), e um esclarecimento sobre a
importncia e o papel das mesmas no cdigo, bem como uma definio de funo e
declarao de funo em linguagens de programao (SILVEIRA, 2012).
Figura 19: estrutura formada pelas funes setup() e loop()
Fonte: SILVEIRA, 2012
-
31
Ainda segundo Silveira (2012), possvel encontrar na linguagem de
programao do Arduino algumas funes especifica para cada tipo de pino da sua
placa, assim como para porta USB. Na Figura 20 temos a indicao da posio dos
pinos e as principais funes.
Figura 20: Pinos e funes do Arduino
Fonte: SILVEIRA, 2012
Principais funes dos pinos digitais:
pinMod():Tem a funo de controlar o fluxo de informao nos pinos
digitais do arduino. Dois parmetros devem ser usados, pinMod(pino,
modo), no primeiro deve-se indicar qual dos quatorze pinos digitais sero
usados e o segundo se este pino vai ser de entrada ou de sada de dados.
Esta funo sempre escrita dentro da funo setup().
digitalRead():Tem a funo de ler uma informao de um determinado
pino que tenha sido configurado como entrada pela funo pinMode().
Deve ser passado como parmetro o pino em que se deseja ler a
informao digitalRead(pino).
digitalWrite(): Tem a funo de configurar determinado pino digital do
Arduino com um valor lgico. Dois parmetros so necessrios
-
32
digitalWrite(pino, valor), o nmero do pino que se deseja configurar e o
valor lgico que deve ser atribudo a ele (HIGH/LOW). analogWrite():Tem
a funo de gerar uma tenso analgica em um pino digital utilizando se
do PWM (pulse width modulation). O Arduino possui 6 pinos que suportam
essa funo, que requer dois parmetros analogWrite(pino, valor), o
nmero do pino em que essa tenso deve ser gerado e no segundo
parmetro a amplitude desta tenso que pode variar de 0 que corresponde
a 0 volts at 255 que corresponde a 5 volts no Arduino.
Principais funes dos pinos analgicos:
analogRead(): utilizada para ler um nvel anlogo presente no pino que
for indicado no parmetro, analogRead(pino), e guardar esse valor em
uma varivel criada pelo programador.
Principais funes da porta USB:
begin(): Esta funo usada para habilitar a porta serial, deve ser
passado com parmetro a taxa de transmisso e recepo em bits por
segundo emtre o computador e o Arduino, begin(taxa).
end(): Desabilita o uso da porta serial. Esta funo deve ser escrita dentro
da funo setup().
available(): Com esta funo possvel obter o nmero de bits disponvel
para leitura no buffer da porta serial
read(): Com esta funo pode-se ler o primeiro byte que esta no buffer
da porta serial
print(): Com esta funo possvel enviar para porta serial caracteres
ASCII que podem ser capturadas por um terminal de comunicao. Podem
ser usado dois parmetros nesta funo, print(valor, formato), o valor o
caractere a ser transmitido, j o formato opcional e usado quando se
deseja especificar com quantas casas decimais ou em que base numrica
um nmero deve ser transmitido.
-
33
println(): Tem a mesma funcionalidade da funo print() e como
diferencial acrescenta ao final da transmisso um caractere que indica o
retorno para o inicio da linha e um outro que indica mudana para prxima
linha.
A figura 21 mostra o editor de programao do Arduino. Destaque para as
funes setup e loop. Este cdigo faz com que um LED ligado a porta 13 do Arduino
fique piscando repetidamente em intervalos de um segundo. As barras seguidas (//)
so usadas para inserir um comentrio dentro do cdigo fonte.
Figura 21: Editor de programao do Arduino com cdigo exemplo
-
34
TRABALHOS RELACIONADOS 4.
Aplicao de tecnologias assistivas e tcnicas de Controle em Cadeiras de
Rodas Inteligentes Becker (2000). Esta uma tese de doutorado em que so
propostas tcnicas assistivas para cadeira de rodas inteligentes. O autor faz no incio
um balano da situao dos usurios de cadeira de rodas no Brasil mostrando o tipo
de deficincia apresentado, quem so e onde vivem, aps essa abordagem so
mostrado fatores ergonmicos desejveis em um cadeira de rodas como tipo de
estofado, tamanhos mais adequados e dimenses mas apropriadas ao perfil do
usurio, mas adiante Becker (2000) fala de interfaces de controle de cadeiras de
rodas motorizadas com joystick e apresenta tcnicas de navegao e sensoriamento
por lgica fuzzy para cadeiras de rodas. Estas tcnicas permitem fazer um
mapeamento de paredes e objetos gerando mapas para o reconhecimento de
ambientes permitindo assim, desviar de obstculos evitando colises. Alm disso,
ele sugere tambm implementaes que tratem dinamicamente obstculos que
surjam repentinamente em sua rota como pessoas.
Aplicao do Estudo da Interface Homem Mquina em Cadeiras de Rodas
Motorizadas (MADEIRA, 2008). Esta uma dissertao de mestrado com foco no
desenvolvimento de interface e sistema de navegao para cadeira de rodas. Alguns
usurios possuem necessidades especiais que os impossibilitam de usar cadeira de
rodas convencionais, este trabalho teve por finalidade prover solues para incluso
desses grupos atravs do uso das mais diversas interfaces de comunicao homem
maquina. Mas a diante Madeira (2008) detalho o uso de dispositivos de entrada e
sada, dispositivos de sada de dados, utilizao de sensores de movimento e
piezoelctrico, interface remota com computador embarcado alm de sistemas de
navegao e sensoriamento abordando roteamento do caminho, sensoriamento,
controle de movimento e orientao. A dissertao tambm aborda algoritmos de
assistncia navegao e navegao em locais muito populosos, deteco de
objetos e planejamento de rotas de desvio.
-
35
Projeto e desenvolvimento de circuito de controle para cadeira de
rodas(HAMANAKA, 2002). Esta dissertao de mestrado aborda tcnicas para
construo de um circuito que controle os motores de uma cadeira de rodas, o
objetivo de Hamanaka (2002) era produzir um circuito simples de baixo custo e
reprodutvel, o autor comea esclarecendo os princpios de funcionamento da
cadeira de rodas eltrica, logo em seguida faz um detalhamento sobre o controle do
motor, circuito de gerao do sinal PWM, modulador, joystick, dispositivo de
comutao, comparador e por fim apresenta o esquema eltrico do controle da
cadeira de rodas e os resultados dos experimentos.
Desktop Inteligente (MARIN, WERGRZN, 2012). Esta monografia tem como
objetivo a construo de um dispositivo que promova uma melhor interao entre o
usurio e um computador desktop. O intuito tentar corrigir os erros mais comuns
que usurios de computador de desktop cometem e que resultam em possveis
danos ao prprio usurio como posies incmodas e danosas coluna vertebral e
utilizao do computador em condies adversas de iluminao. Para isso foram
utilizados sensores de presena, distncia e luminosidade alm do dispositivo
Arduino. O autor detalha o hardware e o software utilizado e conclui falando dos
resultados positivos obtidos com o prottipo construdo.
-
36
DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE 5.
O termo hardware aqui mencionado diz respeito a todo componente fsico
utilizado no desenvolvimento do prottipo da cadeira de rodas motorizada, os
principais so os componentes eletrnicos como o Arduino, sensores, Ponte H,
motores, LEDs, buzzer e baterias que tero seu funcionamento diretamente
influenciado pelo software. Tambm faz parte do hardware a estrutura em que estes
componentes foram montados como o chassi e as rodas do prottipo. Na figura 22
possvel ver o prottipo pronto com todos os componentes conectados.
Figura 22: Prottipo finalizado
-
37
Para facilitar o entendimento de como os componentes eletrnicos esto
conectados entre se, foi feito um diagrama que pode ser visto na Figura 23.
Explicaes sobre cada um dos itens presentes no diagrama, assim como a
justificativa de sua escolha e sua importncia dentro do trabalho podem ser vistas
nos tpicos seguintes.
Figura 23: Diagrama de bloco
5.1. Arduino
O primeiro item a se definir para o incio do trabalho foi o micro controlador,
pea de primordial importncia, pois ele quem hospeda o software que foi
implementado e de acordo com suas caractersticas que os demais componentes
de hardware foram escolhidos, assim como a linguagem de programao utilizada.
Tendo isso em mente e depois de analisar algumas caractersticas dos micro
controladores disponveis no mercado conclui-se que o Arduino Uno (verso mais
recente da plataforma Arduino) seria ideal para o projeto, pois seu hardware e
software so abertos, ou seja, livre para que qualquer pessoa que tenha interesse,
possa utilizar e modificar sua estrutura sem se preocupar com direitos ou patentes.
Outros pontos que favoreceram a escolha do Arduino foi sua facilidade de uso,
-
38
preo baixo e por ser facilmente encontrado no mercado. Alm disso, o Arduino,
devido a sua grande popularidade, dispe de uma imensa gama de dispositivos,
sensores e atuadores, compatveis com seus padres que tambm so facilmente
encontrados no mercado.
A funo do Arduino neste projeto captar os sinais gerados pelos sensores,
analisa-los e de acordo com o que foi programado em seu microprocessador, ativar,
desativar ou regular o funcionamento dos atuadores nele conectados. Detalhes de
como cada sensor e atuador controlado pelo Arduino so especificados nos
prximos tpicos, quando se discorrer especificamente sobre cada um deles.
Na Figura 24 possvel observar a placa Arduino usada neste trabalho.
Figura 24: Arduino Uno usado no prottipo
5.2. Sensor Ultrassnico e Infravermelho.
Os sensores utilizados foram trs, sendo dois deles ultrassnicos
representados no diagrama de blocos da Figura 22 como Sensor Ultra1 e Sensor
Ultra2, e o terceiro sendo um sensor infravermelho, representado como Sensor IR no
mesmo diagrama.
Os sensores ultrassnicos tem um papel de fundamental importncia na
percepo do ambiente, pois so eles que verificam a existncia de algum obstculo
no percurso da cadeira. Existem outros tipos de sensores que poderiam
desempenhar este papel, como o sensor de distncia infravermelho, mas neste
trabalho, em particular, foi mais apropriado o uso do sensor ultrassnico por sua
maior abrangncia em relao a objetos detectados. O sensor ultrassnico
-
39
consegue perceber objetos de vrias formas, cores e texturas diferentes que estejam
em seu campo de atuao, diferente do sensor infravermelho, que apresenta
dificuldade de perceber objetos translcidos ou em ambientes onde exista a
incidncia de luz solar.
De uma forma geral todos os objetos que apresentarem as caractersticas que
permitam refletir a radiao ultrassnica sero percebidos pelo sensor, englobando
assim grande parte dos obstculos que possam se interpor no caminho percorrido
por uma cadeira de rodas. O modelo de sensor ultrassnico utilizado foi o HC-SR04
2 que pode ser visto na Figura 25.
Figura 25: Sensor ultrassnico HC-SR04 (vista frontal, traseira e lateral)
J na Figura 26 possvel observar como os sensores foram ligados ao
Arduino para receber corrente eltrica e transmitir informaes. Nesta mesma Figura
tambm possvel observar quais portas digitais foram utilizadas para comunicao
entre Arduino e sensores.
Figura 26: Ligao dos sensores ultrassnicos ao Arduino
2 http://jaktek.com/wp-content/uploads/2011/12/HC-SR04.pdf
-
40
O pino VCC do sensor foi ligado ao pino 5 volt do Arduino e o pino GND do
sensor foi ligado ao pino terra do Arduino, ligaes estas que permitem a
alimentao do sensor pelo prprio Arduino. Para transferncia de informaes, o
pino Trig dos sensores foram ligados as portas 4 e 8 do Arduino e o pino Echo s
portas 2 e 7.
O uso dos dois sensores ultrassnicos tem a finalidade de se monitorar o que
estiver a frente e abaixo do prottipo. O sensor1 foi fixado na horizontal de modo
que monitora tudo que estiver a frente da cadeira e a uma distncia de at sete
metros. O sensor2 foi fixado na posio vertical e a frente das rodas dianteiras do
prottipo ficando a 10 centmetros do solo e tem a funo de detectar buracos ou
protuberncias no piso.
O sensor infravermelho, ou sensor IR (Infra Red) como est representado no
diagrama de blocos na Figura 23, foi utilizado para desempenhar funo diferente
dos sensores ultrassnicos, sendo usado para receber instrues que permitam
controlar o prottipo a distncia, atravs de um controle remoto convencional.
Na Figura 27 possvel ver em diversos ngulos o sensor infravermelho
utilizado para captar os sinais enviados pelo controle remoto.
Figura 27: sensor IR utilizado no prottipo
Nas cadeiras de rodas motorizadas comuns estes comandos so realizados
atravs de um Joystick fixado em um dos braos da cadeira e o usurio tem o
controle da direo e velocidade do veculo atravs dele. Como o prottipo
desenvolvido tem suas dimenses reduzidas, ele no tem capacidade para
transportar o indivduo que ir controla-lo, ento, optou-se por utilizar um controle
remoto para realizar tal tarefa.
-
41
Os controles remotos mais utilizados no dia a dia para controlar equipamentos
eletrnicos como TVS, DVDs, aparelhos de som entre outros, so controles que
usam a tecnologia Infravermelha para transmisso de dados e justamente por este
motivo, aliado ao baixo custo e relativa simplicidade de uso que esta tecnologia foi
utilizada no prottipo.
A Figura 28 mostra o Controle remoto modelo PCR-96 produzido pela Philco
utilizado no trabalho.
Figura 28: Controle Remoto
Este controle remoto originalmente utilizado em aparelhos de som da Philco
sendo que neste trabalho apenas alguns botes sero utilizados, para determinadas
tarefas, desta forma, os demais botes no possuem funo no controle do
prottipo. Os botes utilizados assim como a funo que ele desempenha no
controle do prottipo so:
Seta para cima: Prottipo movimenta se para frente.
Seta para baixo: Prottipo movimenta se para trs.
Seta para direita: Prottipo movimenta se para direita.
Seta para esquerda: Prottipo movimenta se para esquerda.
CD: Calibra o sensor vertical.
TAPE: Calibra o sensor horizontal.
POWER: Ativa/desativa os sensores.
MUTE: Controla a velocidade.
-
42
Neste controle remoto para cada boto existem dois cdigos que so emitidos
alternadamente quando se pressiona o boto. Desta forma ao se pressionar um
boto pela primeira vez o controle envia um cdigo ao receptor ou se pressionar este
mesmo boto uma segunda vez o controle envia um segundo cdigo alternando
entre estes dois cdigos toda vez que boto for pressionado. Os cdigos emitidos
por cada boto pressionado no controle sero vistos quando se tratar do
desenvolvimento do software no prximo captulo.
A Figura 29 mostra como o sensor IR foi ligado porta 13 do Arduino e
tambm ao pino GND e ao pino 5v, que fornecem alimentao ao sensor.
Figura 29: Ligao do sensor infravermelho ao Arduino
Um resistor de 220 ohms foi ligado em srie com a entrada positiva de
energia do sensor, para restringir o fluxo de corrente, evitando sobrecargas. J um
capacitor de 0,1 F foi ligado em paralelo entrada de alimentao para filtrar
possveis interferncias, que prejudicariam o correto funcionamento do sensor.
5.3. Ponte H
A Ponte H o circuito eletrnico utilizado em automao para controlar o
sentido de rotao e/ou a velocidade de giro dos motores de corrente continua (mais
informaes a respeito da Ponte H podem ser encontradas no captulo 2). Como o
-
43
prottipo da cadeira de rodas deve conseguir se deslocar tanto para trs como para
frente e ter sua velocidade de deslocamento controlada, o uso da Ponte H se fez
necessrio.
Basicamente, a Ponte H controla o sentido e a quantidade de corrente eltrica
da bateria a ser repassada aos motores do prottipo, de acordo com os sinais
enviados pelo Arduino. Ou seja, a Ponte H um item intermedirio entre o Arduino e
os motores, funcionando tambm como um circuito de proteo para o Arduino uma
vez que os motores no podem ser ligados diretamente ao Micro controlador, sobre
o risco de danific-lo, pois os motores consomem uma correte eltrica muito acima
daquela que as portas do Arduino podem oferecer.
No prottipo foram utilizadas duas Pontes H, uma para cada motor e optou-se
por mont-las a partir de componentes discretos: transistores, diodos e resistores j
que estes componentes so facilmente encontrados em placas de equipamentos
eletrnicos que esto em desuso, podendo assim ser reaproveitados para a
montagem da mesma. Na Figura 30 apresentado o diagrama do circuito eltrico
usado na montagem da Ponte H.
Figura 30: Diagrama eltrico Ponte H
Adaptado de: PATSKO, 2012
Os transistores Q1 e Q3, modelo BC558 e Q2 e Q4 modelo BC548 funcionam
como chaves e so ativados ou desativados de acordo com os sinais enviados pelo
Arduino, atravs de suas portas digitais, que chegam Ponte H pelas entradas 1 e
2. Os diodos modelo IN4004 ligados em paralelo aos transistores, tem a funo de
-
44
proteg-los de uma possvel corrente reversa gerada pelas bobinas do motor. J os
quatro resistores de 220 ohms foram utilizados para se reduzir a corrente na base
dos transistores, para limitar a quantidade de corrente demandada das portas
digitais do Arduino, que s podem fornecer no mximo 40 miliamperes, sendo que
valores acima deste, podem danificar o micro controlador. Na Figura 31 possvel
ver a Ponte H em vrios ngulos depois de pronta.
Figura 31: Ponte H utilizada no prottipo
J na Figura 32 visto como os diversos componentes da ponte H foram
interligados entre si e entre os demais componentes do hardware.
Figura 32: Conexo da Ponte H com motores, Arduino e bateria
-
45
As portas utilizadas foram 5, 6, 9 e 10 do Arduino, escolhidas por forneceram
sinal PWM, importante para o controle da velocidade do prottipo. possvel
observar que existe uma fonte exclusiva de energia para ponte H e
consequentemente para os motores, pois eles esto conectados a ponte H e
consomem bem mais corrente do que o micro controlador, tornando invivel o
fornecimento de corrente eltrica atravs do Arduino sobe o risco de danifica-lo.
A ponte H que controla o motor direito teve suas conexo ligadas s portas 5
e 6 do Arduino, j A ponte H que controla o motor esquerdo teve suas conexes
ligadas s portas 9 e 10.
5.4. Motores
Para a locomoo do prottipo, a inteno inicial era utilizar dois motores de
corrente contnua, um para cada roda traseira. Entretanto, como visto no captulo 2,
uma das caractersticas dos motores de corrente continua apresentar uma alta
velocidade de giro e um pequeno torque, o que o tornaria invivel para o uso no
prottipo, que deve se deslocar em baixa velocidade, uma vez que simula o
funcionamento de uma cadeira de rodas motorizada normal, que se desloca devagar
e possui um alto torque.
Para resolver este problema nas diferenas de giro e torque, o motor deve
estar acoplado a uma caixa de reduo de giro, que faz a inverso destes valores,
reduzindo a velocidade de giro e aumentando o seu torque atravs de engrenagens.
No mercado podem ser encontrados alguns motores que j vem com esta caixa de
reduo acoplada, mas para se obter o efeito pretendido, neste trabalho foram
usados dois servos motores utilizados em antenas receptoras de TV via satlite.
Os servos motores possuem uma limitao de giro do seu eixo, sendo que na
maioria das vezes s pode girar 180. Para serem usados no prottipo, eles
passaram por uma adaptao, onde foi retirada uma trava presente em uma das
engrenagens de reduo de giro (vista na Figura 33 A), o interior de um
potencimetro (visto na Figura 33 B), assim como sua placa de controle (visto na
Figura33 C).
-
46
Figura 33: Adaptao de servo motor para giro contnuo
Adaptado de: PATSKO, 2012
Aps estas adaptaes, o servo motor se transformou em um motor de
corrente contnua, com uma caixa de reduo acoplada, exatamente o que era
necessrio para o prottipo. A Figura 34 mostra como os motores foram adaptados
na estrutura do prottipo e como as rodas foram encaixadas diretamente no eixo de
sada da caixa de reduo do motor.
Figura 34: Adaptao motor na estrutura do prottipo
Os motores foram ligados ponte H e esta por sua vez, foi ligada ao Arduino
e as baterias. O esquema desta ligao pode ser conferido na Figura 32 do tpico
anterior.
-
47
5.5. Buzzer piezoeltrico
No prottipo, o buzzer foi usado com a finalidade de emitir sinais sonoros de
alerta (bips). Detalhes sobre o buzzer piezoeltrico podem ser vistos no captulo 2
deste trabalho.
A opo de utilizar o buzzer piezoeltrico e no um alto-falante comum por
exemplo, foi devido a seu tamanho mais compacto, maior robustez e uma maior
eficincia na reproduo de sons na faixa de frequncia que esto os sinais de
alerta. Sendo que o buzzer em relao a um altofalante consegue produzir um efeito
sonoro mais elevado desses sinais de alerta a partir de uma entrada de mesma
intensidade. O sinal variante que far o buzzer produzir som ser gerado pelo
Arduino, sendo que o tom e a durao destes sinais depender da programao
feita no micro controlador.
Na Figura 35 visto a ligao do buzzer a porta 13 do Arduino, em srie com
uma juno de dois resistores de 100 ohms cada, ligados em paralelo, gerando
assim uma resistncia de 50 ohms. Esta juno dos resistores foi usada porque no
foi encontrado um nico resistor com resistncia prxima a este valor. Esta
resistncia importante para limitar a corrente consumida pelo buzzer e no
danificar a porta do Arduino.
Figura 35: ligao eltrica do buzzer ao Arduino
-
48
5.6. LEDs
No prottipo, foram utilizados dois LEDs de cores diferentes, um que emite luz
na cor vermelha e outro na cor verde. O vermelho acionado como forma de alerta
quando algum obstculo detectado pelos sensores do prottipo. J o que emite luz
na cor verde foi utilizado para sinalizar a recepo de sinal pelo sensor
infravermelho, isto importante para que se possa constatar o correto
funcionamento do controle remoto.
Os LEDs utilizados medem 5mm e tem formato cilndrico, foram ligados ao
Arduino em paralelo a um resistor de 330 ohms para limitar a corrente que circula
entre seus polos evitando possveis danos aos mesmos por sobrecarga. O LED de
cor vermelha foi ligado a porta 2 do Arduino e o de cor verde a porta 11 conforme
visto na Figura 36.
Figura 36: ligao eltrica dos LEDs ao Arduino
5.7. Baterias
Para a alimentao do prottipo, optou-se pelo uso de baterias, uma vez que
o mesmo deveria se movimentar livremente, e o uso de uma fonte de energia
proveniente da rede eltrica o deixaria limitado a conexes com o cabo de energia.
Para alimentar o Arduino foi utilizada uma bateria de 9 volts comum e para
-
49
alimentao da ponte H e motores foram utilizadas trs pilhas pequenas em srie
totalizando 4,5 volts.
A Figura 37 mostra como as baterias foram adaptadas ao interior do prottipo
e ligadas a uma chave, que tem a funo de ligar e desligar a alimentao do
prottipo.
Figura 37: ligao das baterias ao Arduino
5.8. Montagem da estrutura do prottipo
O chassi do prottipo foi feito a partir de uma estrutura plstica onde foram
adaptados os motores com as rodas traseiras, as rodas dianteiras e uma armao
feita com fios de cobre de 6 mm, moldados e soldados em formato de uma cadeira,
como pode ser visto na Figura 38.
Figura 38: Estrutura do prottipo
Em seguida, foi acoplada a esta estrutura uma haste para a sustentao dos
sensores ultrassnicos. Nesta haste foram presos conectores, permitindo que os
sensores possam ser facilmente encaixados e desencaixados.
-
50
A armao de fios de cobre em forma de cadeira e a estrutura plstica foram
revestidas com um material emborrachado (E.V.A), e o Arduino, ponte H, LEDs,
buzzer, sensor IR assim como os fios foram devidamente alocados e conectados
como pode ser visto na Figura 39.
Figura 39: Disposio dos componentes eletrnicos no prottipo
O Arduino foi adaptado na parte de trs do encosto da cadeira. J as pontes
H, uma para cada motor, foram adaptadas na sobre os prprios motores. O LED
vermelho que sinaliza a deteco de obstculos pelos sensores foi adaptado no
brao direito da cadeira, e o LED verde que sinaliza a recepo de dados pelo
sensor IR foi adaptado na parte superior esquerda da cadeira. O buzzer e o sensor
IR ficaram juntos as portas 13 e 12 do Arduino onde foram conectados.
Durante a montagem do hardware, algumas dificuldades foram encontradas
como o superaquecimento nos transistores das pontes H, este problema foi resolvido
com o uso de resistores que limitaram o fluxo de corrente nestes componentes
reduzindo seu aquecimento. Outro problema encontrado foi a sobrecarga que o
buzzer provocava na parta do Arduino em que se encontrava ligado e mais uma vez
este problema foi resolvido com o uso de resistores para o controle da corrente.
O Sensor IR tambm apresentou problemas, pois captava muita interferncia
junto ao sinal fornecido pelo controle remoto, a soluo foi o uso de um capacitor
cermico em paralelo com seus terminais de alimentao. Este capacitor ajudou a
filtrar estas interferncias, resolvendo o problema.
De uma forma geral o processo de montagem do hardware foi tranquilo com
todos os componentes funcionando dentro do esperando.
-
51
DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE 6.
O software foi desenvolvido na IDE verso 1.0 do Arduino, utilizando a
linguagem de programao C/C++. Trata-se de um software embarcado, ou seja,
feito especificamente para funcionar em dispositivos com recursos de
processamento e memria escassos, se comparados aos computadores
convencionais. O uso do computador se fez necessrio para o desenvolvimento e a
compilao do cdigo pois uma vez tendo sido gerado o executvel binrio
proveniente da compilao, ele transferido e instalado via conexo USB no
Arduino, no sendo mais necessrio o uso do computador. O objetivo bsico e
principal do software controlar e integrar o funcionamento dos diversos
componentes de hardware interferindo nos comandos do usurio a fim de alertar e
proporcionar segurana no controle de uma cadeira de rodas motorizada.
A interao do usurio com o software ocorre atravs do controle remoto. A
Tabela 3 mostra as aes realizadas pelo software quando pressionado cada
boto no controle remoto e o cdigo corresponde a este boto.
Tabela 3: Interao software usurio
Boto Pressionado Cdigo do boto Ao realizada pelo software no prottipo
Seta para cima 3344 ou 1296 O prottipo se movimenta para frente
Seta para baixo 3345 ou 1297 O prottipo se movimenta para trs
Seta para direita 1312 ou 3360 O prottipo faz uma curva para direita
Seta para esquerda 3361 ou 1313 O prottipo faz uma curva para esquerda
Power 1292 ou 3340 Ativa/desativa a deteco de objetos pelos sensores
Mute 3341 ou 1293 Aumenta/reduz a velocidade do prottipo
CD 1337 ou 3385 Ajusta a distncia de deteco do sensor vertical
Tape 1335 ou 3383 Ajusta a distncia de deteco do sensor horizontal
-
52