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Departamento de Engenharia Electrotécnica

Câmara de Vigilância com sensores PIR

Bruno Pinto

Armando Santos

Projecto Final de Curso da Licenciatura

em

Engenharia Electrotécnica e Computadores

Ramo Electrónica e Computadores

Orientador:

Professor António Abreu

Novembro de 2007



________________________________________________________________

i

Curso: Engenharia Electrotécnica e Computadores – Ramo de Electrónica e

Computadores

Título do Projecto: Câmara de Vigilância com sensores PIR (Passive InfraRed)

Autores: Bruno Pinto, nº 002164021

Armando Santos, nº 982162849

Orientador: António Abreu (Professor Adjunto do DEE)

Projecto Concluído Em: Novembro de 2007

Resumo:

O sistema de vigilância por câmara com sensores PIR tem como objectivo o acompanhamentode um intruso durante o seu trajecto pelo local onde está instalado o sistema.

Para isso, desenvolveram-se dois sistemas independentes; enquanto um controla um eixo de

rotação ao qual está acoplada uma câmara de imagem, o outro obtém as imagens do local

vigiado.

As imagens podem ser vistas pela Internet.

Palavras-Chave: PIR, servomotor, microcontrolador, Webcam, sistema de vigilância.



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ii

Title: Surveillance Camera With PIR Sensors

Abstract:

The proposed surveillance system is composed by a camera, a servomotor and PIR sensors

and has as objective following an intruder during its passage through the place where the

system is installed.

For that, two independent systems were developed; while one controls the rotation of the

motor where an image camera is, the other obtains the images of the surveilled site.

The images can be seen in the internet.

Key-Words: PIR, servomotor, microcontroller, Webcam, Surveillance System



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iii

Agradecimentos

Os nossos agradecimentos vão para todos que nos apoiaram na realização deste projecto,

principalmente o Professor António Abreu, que foi o professor orientador do projecto e

que esteve sempre disponível, para nos ajudar em problemas e dúvidas que surgiram, e

para nos guiar de maneira a concluirmos o projecto. Agradecemos também ao Rui

Pimenta pela paciência e disponibilidade no fornecimento do material e pela ajuda em

algumas dúvidas que iam surgindo durante o projecto.



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iv

Índice

1 Introdução ..........................................................................- 1 -

2 Descrição do Projecto ........................................................- 3 -

3 Tecnologias e Componentes Utilizados ............................- 5 -

3.1 Sensor Piroeléctrico............................................................................ - 5 -

3.1.1 Espectro Electromagnético............................................................................ - 5 -

3.1.2 Energia Infravermelha ................................................................................... - 6 -

3.1.3 Sensor Piroeléctrico....................................................................................... - 7 -

3.1.4 PIR MS311 .................................................................................................... - 9 -

3.2 Microcontrolador.............................................................................. - 11 -

3.2.1 AT89S51...................................................................................................... - 12 -

3.3 Servomotor ....................................................................................... - 14 -

3.3.1 Funcionamento de um Servomotor.............................................................. - 14 -

3.3.2 Modulação por Largura de Pulso (PWM – Pulse Width Modulation)........ - 15 -

3.3.3 Sinal Analógico ........................................................................................... - 16 -3.3.4 Controlo Digital........................................................................................... - 17 -

3.3.5 Vantagens do PWM..................................................................................... - 18 -

3.3.6 Aplicação da PWM no Servomotor............................................................. - 18 -

3.3.7 Futaba S3003 ............................................................................................... - 19 -

3.4 Webcam............................................................................................ - 21 -

3.4.1 Quickcam Express ....................................................................................... - 22 -

4 Realização ........................................................................- 23 -

4.1 Módulo Sensor – Servomotor........................................................... - 23 -

4.1.1 Modo Automático........................................................................................ - 24 -

4.1.2 Modo Manual .............................................................................................. - 25 -

4.1.3 Visualização do intruso ............................................................................... - 25 -

5 Testes e Análise de Resultados........................................- 27 -

6

Conclusões .......................................................................- 30 -



________________________________________________________________

v

7 Referências Bibliográficas...............................................- 31 -

ANEXOS.........................................................................................- 32 -



________________________________________________________________

vi

Lista de Figuras

Figura 2-1 – Diagrama de Blocos do Módulo Sensor-Servomotor....................................... - 3 -Figura 2-2 – Diagrama de Blocos do Módulo de Imagem .................................................... - 3 -

Figura 2-3 – Disposição dos componentes............................................................................ - 4 -

Figura 3-1 – Espectro da Radiação Electromagnética........................................................... - 5 -

Figura 3-2 – Posição da Radiação Infravermelha no Espectro.............................................. - 6 -

Figura 3-3 – Detecção de um corpo por um sensor PIR........................................................ - 8 -

Figura 3-4 – Configuração Típica do Sensor PIR ................................................................. - 8 -

Figura 3-5 – Circuito do PIR MS311 .................................................................................... - 9 -Figura 3-6 – Microcontrolador ............................................................................................ - 11 -

Figura 3-7 – Pinos do AT89S51.......................................................................................... - 12 -

Figura 3-8 – Ligação do cristal............................................................................................ - 13 -

Figura 3-9 – Ligação do reset .............................................................................................. - 13 -

Figura 3-10 – Componentes de um Servomotor.................................................................. - 14 -

Figura 3-11 – Interior do Servomotor.................................................................................. - 15 -

Figura 3-12 – Duty Cycle .................................................................................................... - 16 -

Figura 3-13 – Três Sinais de PWM..................................................................................... - 18 -

Figura 3-14 – Utilização da PWM no Servomotor.............................................................. - 19 -

Figura 3-15 – Conexão do Servomotor ............................................................................... - 20 -

Figura 3-16 – Servomotor Futaba S3003 ............................................................................ - 20 -

Figura 3-17 – Webcam ........................................................................................................ - 21 -

Figura 4-1 – Esquema de ligações do microcontrolador..................................................... - 23 -

Figura 4-2 – Página Web criada .......................................................................................... - 26 -

Figura 4-3 – Sinal no modo one-shot .................................................................................. - 27 -

Figura 4-4 – Sinal no modo retriggerable............................................................................ - 28 -



________________________________________________________________

vii

Lista de Tabelas

Tabela 4-1 – Atribuição dos Sensores PIR aos pinos do microcontrolador ........................ - 24 -

Tabela 4-2 – Posições do Servomotor ................................................................................. - 24 -



________________________________________________________________

viii

Lista de Acrónimos e Abreviaturas

PWM Pulse Width Modulation

USB Universal Serial Bus

PIR Passive InfraRed

FET Field Effect Transístor

RAM Random Access Memory

I/O Input/Output



________________________________________________________________

ix

Lista de Símbolos

K Ω KiloOhm

Hz Hertz

V Volt

Vcc Volt Colector Colector

µm Micrómetro

s Segundo



1 Introdução

- 1 -

1 Introdução

Na nossa sociedade várias vezes nos confrontamos com situações de intrusão e/ou roubo.

Uma das soluções para nos protegermos e aos nossos bens é a implementação de um

sistema de segurança.

Um sistema de segurança com uma câmara incorporada, além de permitir a detecção de

intrusos, permite também a identificação do referido intruso, sendo dessa forma possível

saber se é necessária uma intervenção presencial ou não.

Sendo assim, o objectivo deste projecto é desenvolver um sistema electrónico de

vigilância de um corredor, por intermédio de uma câmara, posicionada, por exemplo, a

meio de uma das paredes do corredor, numa posição elevada. Este sistema permite que o

vigilante tenha acesso às imagens num computador e, através de sensores PIR e um

servomotor, o sistema tem a capacidade de seguir o intruso, rodando a câmara em

azimute.

Uma das motivações para a realização deste trabalho foi a crescente utilização de

sistemas de segurança. Estes sistemas têm vindo a desenvolver-se de uma forma muito

específica, sendo que já se pode falar em ter sistemas de segurança para cada situação

particular, ou seja, um sistema de segurança de uma escola não é exactamente o mesmo

que um sistema de segurança de um banco. Há sistemas de vigilância muito diversos e

para diversos tipos de clientes.

Para este projecto foram abrangidas algumas áreas da electrónica e um pouco da área de

informática. A área de electrónica envolveu o conhecimento dos microcontroladores,

servomotores e sensores piroeléctricos. A área da informática envolveu o trabalho com a

Webcam e respectiva conexão ao computador.

O sistema desenvolvido está assim dividido em módulos que ligados, entre si, apresentam

a funcionalidade desejada. Dos módulos desenvolvidos, tem-se o seguinte: o módulo dos

sensores piroeléctricos é composto por seis sensores que são activados individualmente



1 Introdução

- 2 -

mediante a passagem de um intruso pelo seu ângulo de detecção. O módulo do

microcontrolador recebe a informação dos sensores, trata essa informação e envia um

sinal PWM (Pulse Width Modulation) ao servomotor correspondente à posição para a

qual se deve colocar. O módulo do servomotor recebe o sinal do microcontrolador e

posiciona-se de acordo com esse sinal, fazendo com que a Webcam gire para o local onde

se encontra o intruso. Por último, o módulo da Webcam obtém as imagens e, através da

comunicação USB (Universal Serial Bus), envia-as para um computador que as

disponibiliza numa página da Internet.

O relatório do projecto encontra-se organizado da seguinte maneira. No Capítulo 2 dá-se

destaque ao sensor piroeléctrico. No capítulo 3 faz-se uma descrição breve do que é um

microcontrolador e as formas de utilização do mesmo. O capítulo 4 faz referência ao

servomotor, à sua estrutura, aplicações e comportamento. No capítulo 5 encontra-se

informação sobre a Webcam e a sua utilização neste projecto. No capítulo 6 descreve-se

em pormenor o papel de cada um dos módulos, as razões da escolha de alguns

componentes e as opções tomadas. O capítulo 7 trata da realização prática do projecto, as

alterações aos componentes e todas as montagens necessárias.



2 Descrição do Projecto

- 3 -


O objectivo deste projecto é o seguimento, com uma câmara de imagem, de uma pessoa a

atravessar um local vigiado, por exemplo um corredor. Para esse efeito, propõe-se um

sistema constituído por sensores piroeléctricos, um microcontrolador, um servomotor e

uma câmara (webcam), que permita a detecção da pessoa e a visualização do local onde

esta se encontra a passar. A Figura 2-1 mostra o diagrama de blocos do sistema que

processa o sinal de onde se encontra o intruso e a Figura 2-2 mostra o diagrama de blocos

do sistema de aquisição e visualização de imagem.

Figura 2-1 – Diagrama de Blocos do Módulo Sensor-Servomotor

Figura 2-2 – Diagrama de Blocos do Módulo de Imagem

Estes dois sistemas irão funcionar em conjunto, já que a Webcam é colocada no

servomotor que roda de modo a orientá-la para a pessoa, como ilustrado na Figura 2-3,

que representa uma situação em que a pessoa está numa posição que é sentida pelos

sensores PIR3 e PIR4, levando a que a câmara aponte para a posição central.




- 4 -

Figura 2-3 – Disposição dos componentes

Os sensores piroeléctricos estão dispostos fixamente de maneira a cobrir 180º, estando a

Webcam acoplada ao eixo do servomotor, de maneira a que cubra também os 180º.



3 Tecnologias e Componentes Utilizados

- 5 -


3.1 Sensor Piroeléctrico

São apresentadas em seguida algumas características do espectro electromagnético, da

radiação infravermelha e do sensor piroeléctrico com as características gerais e as

pretendidas para o projecto.

3.1.1 Espectro Electromagnético

No mundo em que vivemos muita da energia é invisível, por exemplo, é apresentada

em forma de radiação electromagnética. O espectro da radiação electromagnética

conhecido consiste numa grande extensão de frequências de radiação, que variam

desde os 10Hz até mais de 1020Hz. As seis maiores regiões do espectro

electromagnético são identificadas pelo comprimento de onda e pelas frequências na

Figura 3-1.

Figura 3-1 – Espectro da Radiação Electromagnética




- 6 -

Essas regiões incluem as ondas de rádio, a radiação infravermelha, a luz visível, a

ultravioleta, os raios X e os raios Gama em ordem decrescente do comprimento de

onda.

Neste caso, a energia electromagnética que nos interessa é a energia infravermelha,

que provém do calor presente em todos os objectos e corpos. As fontes de energia que

geram baixas temperaturas sem produzir luz visível, só produzem radiação

infravermelha. Os objectos que produzem temperaturas muito altas, como o sol, um

filamento de tungsténio de uma lâmpada, ou os elementos quentes de um forno, para

além da radiação infravermelha, produzem energia de uma cor que podemos ver.

3.1.2 Energia Infravermelha

“Infra” significa que a energia emitida está abaixo (em frequência) da porção visível

do espectro electromagnético; “vermelho” é a cor do nível mais baixo da parte visível

do espectro electromagnético. Por isso, “infravermelho” significa que está abaixo donível da cor vermelha e aplica-se a muitas fontes de energia invisível. Na Figura 3-2

observa-se o posicionamento da radiação infravermelha no espectro electromagnético

ao lado da cor vermelha na parte visível do espectro [S05].

Figura 3-2 – Posição da Radiação Infravermelha no Espectro

A região infravermelha do espectro subdivide-se em três áreas. Os infravermelhos

mais perto da luz visível no espectro electromagnético, com muitas propriedades em

comum, são chamados infravermelhos curtos e variam entre os 0,7 a 5µm. Os

infravermelhos situados entre 5 e 30µm são chamados infravermelhos médios. Já os




- 7 -

que se encontram mais afastados da luz visível, entre 30 e 100µm, têm o nome de

infravermelhos largos.

São estes últimos que permitem produzir os detectores de infravermelhos passivos que

podem detectar o calor do corpo de um humano.

3.1.3 Sensor Piroeléctrico

Em alguns cristais anisotrópicos geram-se dipolos eléctricos espontâneos. Isto faz com

que cargas de sinal oposto se acumulem em faces opostas, criando uma diferença de potencial entre essas faces. Com a variação da temperatura a orientação desses dipolos

altera-se, produzindo uma variação da carga com a temperatura. Ou seja, funciona

como uma pilha.

Um sensor piroeléctrico é feito de um material cristalino que gera uma carga eléctrica

superficial quando exposto ao calor na forma de radiação infravermelha.

Quando a quantidade de radiação que atinge o cristal se altera, a quantidade de cargastambém se altera, podendo ser medidas com um componente “FET” (Field Effect

Transístor) sensível que se encontra implementado no sensor. Isto faz com que os

sensores só sejam capazes de detectar fontes de calor em movimento.

Os elementos do sensor são sensíveis a vários tipos de radiação, por isso uma janela de

filtro está adicionada ao encapsulamento T05 para limitar a radiação recebida entre 8 e

14µm, para ser assim mais sensível à radiação do corpo humano. Para minimizar os

efeitos de vibração, alterações de temperatura e luz solar, cada sensor utiliza dois

elementos sensoriais numa configuração em que um deles tem uma saída positiva e o

outro uma saída negativa. Quando um corpo passa em frente do sensor vai activar os

elementos sensoriais em alturas diferentes, enquanto que outros elementos iriam

activar ambos os elementos na mesma altura. Da mesma forma, a fonte de radiação

tem de passar horizontalmente através do sensor para que active os dois elementos

separadamente como representado na Figura 3-3. [S02]




- 8 -

Figura 3-3 – Detecção de um corpo por um sensor PIR

Tipicamente, o terminal fonte (source), pino 2 na Figura 3-4, conecta-se através de

uma resistência de pulldown, de cerca de 100k Ω, à massa e a um amplificador de dois

andares com circuitos de condicionamento de sinal. O limite da banda do amplificador está normalmente abaixo dos 10Hz, com vista a rejeitar o ruído da alta-frequência,

sendo seguido por um comparador de janela que responde tanto à transição positiva,

como à negativa do sinal de saída. Uma alimentação bem filtrada, de 3 a 15 Volt,

deverá ser conectada ao terminal dreno (drain) do FET, pino 1 na Figura 3-4.

Figura 3-4 – Configuração Típica do Sensor PIR




- 9 -

3.1.4 PIR MS311

O sensor que nos foi disponibilizado para este projecto tem por referência PIR MS311,

que é um módulo de baixa potência, com um detector PIR, um circuito de detecção euma lente de Fresnel.

Com vista à cobertura de 180º pela câmara de vigilância, utilizamos seis módulos PIR

MS311 para a realização do projecto, cada um deles abrange um ângulo aproximado

de 30º, o que nos parece suficiente. O layout do módulo é apresentado na Figura 6-3.

Cada um destes módulos tem um alcance de 5 metros. Quando é ligada a sua

alimentação, o módulo demora 15 segundos a estabilizar e a adaptar-se ao ambiente,este é o tempo de estabilização (Circuit Stabilization Time) Cada vez que é detectada

uma presença o sinal passa de “0” para “1” e mantém-se a “1” durante 8 segundos, é o

tempo de saída (Output Time). Após este tempo, o circuito necessita de 1.5 segundos,

estando indisponível para detecção. Este é o tempo de máscara ( Mask Time).

Para um sistema de vigilância, o tempo de saída e o tempo de máscara são demasiado

longos. Dado não haver possibilidade de recorrer a outros módulos, foi necessárioadaptar os módulos às necessidades por nós impostas. Para isso alteraram-se os

valores de duas resistências, R1 e R2 na Figura 3-5, que determinam estes tempos.

Depois de alterados, os tempos foram reduzidos para menos de 0.5s.

Figura 3-5 – Circuito do PIR MS311




- 10 -

As resistências R1 e R2, originalmente com os valores de 750K Ω e 1.2MΩ,

respectivamente, foram alteradas de acordo com as seguintes equações:

Para a resistência R1 usa-se a equação 3-1.

P1[s] = 2.1 x N1 x C1 x R1 Equação (3-1)

Para a resistência R2, usa-se a equação 3-2.

P2[s]= 2.1 x N2 x C1 x R2 Equação (3-2)

Substituindo na Equação (3-1) P1 por um tempo suficientemente baixo, N1 por 50, de

acordo com o datasheet do PIR MS311 e C1 por 0.0000001, que é o valor do

condensador C1 em Farad, obtém-se o valor da resistência R1. Neste caso R1 resulta

igual a aproximadamente 47K Ω.

O mesmo acontece na Equação (3-2), substituindo P2 por um valor de tempo

suficientemente baixo, N2 por 6, valor apresentado no datasheet do PIR MS311, e C1 por 0.0000001, obtém-se o valor da resistência R2. Neste caso, para um tempo de

0.03s, R2 é igual a aproximadamente 1K Ω.

A lente de Fresnel faz com que a área de detecção seja horizontalmente de 104º e

verticalmente de 28º com um alcance de 5 metros. [S10]

Sendo o ângulo de detecção horizontal muito grande, os sensores foram rodados 90º

tornando assim a detecção horizontal 28º e vertical 104º.




- 11 -

3.2 Microcontrolador

Um microcontrolador é um computador dentro de um chip que está optimizado para

controlar dispositivos electrónicos. Num microcontrolador encontra-se um tipo de

microprocessador que enfatiza a auto-suficiência, em contraste com um

microprocessador comum, que necessita de outros componentes para executar todas as

funções necessárias. Em conjunto com todas as características de um

microprocessador comum, o microcontrolador tem normalmente também integrados

elementos como memória de leitura e leitura/escrita, e interfaces de entrada e saída.

Devido às suas funcionalidades e simplicidade, os microcontroladores são muitas

vezes utilizados para controlar automaticamente aparelhos, como electrodomésticos,

ferramentas, brinquedos e diversos aparelhos electrónicos. Devido à redução de

tamanho, custo e consumo de energia, comparado com um microprocessador, que usa

em separado a memória e a interface de entrada e de saída, o microcontrolador é mais

económico no controlo electrónico de tais processos. Na descrição do projecto fala-se

um pouco mais acerca da escolha do microcontrolador. Na Figura 3-6 é apresentadoum exemplo de um microcontrolador.

Figura 3-6 – Microcontrolador




- 12 -

O microcontrolador serve para receber a indicação de presença pelos sensores

piroeléctricos e enviar um pulso PWM ao servomotor correspondente ao movimento

desejado. Sendo assim, há pelo menos 6 entradas provenientes dos sensores e uma

saída para o servomotor.

3.2.1 AT89S51

Analisando as especificações do sistema e os componentes disponíveis, o

microcontrolador da Atmel AT89S51 foi o eleito, visto ter os requisitos desejados e já

ter sido utilizado com bons resultados em outros projectos.

O AT89S51 é um microcontrolador com 8bits com 4Kbytes de memória Flash in-

system programável. Tem também 128 bytes de RAM, 32 linha de entrada/saída (I/O),

temporizador Watchdog, dois ponteiros de dados, dois temporizadores/contadores de

16bit, uma arquitectura de interrupção de cinco vectores e dois níveis, uma porta série

full duplex, oscilador on-chip, e circuito para relógio. Este microcontrolador não tem

PWM incorporado, mas a sua implementação por meio de contadores não é difícil. Os

pinos do microcontrolador estão dispostos como na Figura 3-7.

Figura 3-7 – Pinos do AT89S51




- 13 -

As ligações básicas de um AT89S51 são as seguintes: ao pino 40 (Vcc) liga-se uma

tensão de 5V e o pino 20 (GND) liga-se à massa. Estes são os pinos da alimentação do

microcontrolador. Como se utiliza um programa escrito na memória interna, o pino 31

( Vpp EA / ) está também ligado a 5V. Os pinos 18 e 19 servem para ligar o cristal,

sendo o pino 19 (XTAL1) a entrada para o amplificador do oscilador inversor e

entrada para o circuito de operação do relógio interno. O pino 18 é a saída do

amplificador do oscilador inversor. Estes dois pinos estão conectados ao cristal de

11.0592MHz e a dois condensadores de 30pF cada, como mostra a Figura 3-8

Figura 3-8 – Ligação do cristal

O pino 9 é o pino de reset e serve para reiniciar o sistema através de um botão de

pressão que ao ser pressionado envia um sinal de 5V para essa entrada do

microcontrolador. O esquema de ligação encontra-se na Figura 3-9

Figura 3-9 – Ligação do reset




- 14 -

3.3 Servomotor

3.3.1 Funcionamento de um Servomotor

O servomotor é um dispositivo electromecânico, composto por:

• um motor DC – que movimenta as engrenagens e o eixo principal.

• Uma caixa de engrenagens – que reduz a rotação do motor, transferindo assim

mais força ao eixo principal de saída. Com este movimenta-se o cursor de um

potenciómetro.• Um potenciómetro – que está ligado ao eixo de saída do servo e que mede a

posição do mesmo, da qual se faz a realimentação do controlo de posição do

eixo principal.

• Um circuito de controlo – que é o responsável por receber os sinais e a

fornecer energia ao circuito, monitorar a posição cursor do potenciómetro e

controlar o motor, de acordo com o sinal recebido e a posição do cursor do

potenciómetro.

Os componentes de um servomotor podem ser vistos na Figura 3-10.

Figura 3-10 – Componentes de um Servomotor




- 15 -

Se o eixo estiver no ângulo pretendido, o motor pára, mas se detectar que o ângulo é

incorrecto, o motor é activado até atingir o ângulo correcto. Originalmente, nas

engrenagens de um servomotor, existe um limitador que faz com que o veio varie

somente de 0º a 180º. É possível alterar o servomotor para rotação de 360º, sendo

necessário retirar o limitador manualmente.

Na Figura 3-11 pode-se ver o sistema de engrenagens que existe no interior de um

servomotor.

Figura 3-11 – Interior do Servomotor

Devido ao seu tamanho reduzido, estes motores são frequentemente utilizados em

diversas aplicações de robótica e modelismo, por exemplo.

O sinal eléctrico necessário para comandar um servomotor é um sinal PWM. Este sinal

é utilizado para determinar o ângulo do eixo do servomotor.

3.3.2 Modulação por Largura de Pulso (PWM – Pulse Width Modulation)

A PWM é uma técnica de modulação envolvendo a largura do patamar positivo do

pulso, mantendo constante o período do sinal, conhecido como duty cycle. A PWM é

uma maneira de codificar digitalmente níveis de sinais analógicos. É utilizada para

uma grande variedade de aplicações, desde o controlo e conversão, à medida e

comunicação.




- 16 -

A lógica digital que implementa a PWM varia a largura do pulso para atingir várias

amplitudes, em que o período é ajustado para servir as especificações das aplicações

de hardware. A PWM aproxima o sinal analógico fazendo a média da voltagem ao

longo do tempo. Fazendo a média do duty cycle ao longo do tempo é equivalente à

voltagem analógica média. O duty cycle é a percentagem de tempo que o sinal é

positivo durante um determinado período. A Figura 3-12 mostra a relação do duty

cycle com o período de um sinal PWM.

Figura 3-12 – Duty Cycle

O duty cycle é expresso como a percentagem de tempo que o sinal está high num

determinado período, tal como se pode ver na expressão seguinte.

duty cycle = 100 x (t duty cycke) / (t período) Equação (4-1)

Por exemplo, um duty cycle de 10% aplicado a um sinal de 5 VCC de amplitude

máxima aproxima-se a uma voltagem analógica de 0,5V, assim que é feita a média do

sinal por um circuito filtro/integrador.

3.3.3 Sinal Analógico

Um sinal analógico está continuamente a variar de valor, com resolução infinita tanto

em tempo como em magnitude.

As correntes e voltagens podem ser usadas para controlar directamente dispositivos,

tal como o volume de um rádio. Num simples rádio, um botão é ligado a uma

resistência variável. Esse botão ao ser rodado faz com que a resistência aumente ou

diminua. Quando isto acontece, a corrente que passa pela resistência aumenta ou




- 17 -

diminui também, o que faz com que chegue mais ou menos energia eléctrica aos

altifalantes, incrementando ou diminuindo o volume.

Por mais simples e intuitivo que o controlo analógico possa parecer, não é sempre

economicamente atractivo ou prático. Por um lado, os circuito analógicos tendem a

perder precisão ao longo do tempo, sendo difíceis de ajustar. Os circuitos analógicos

de precisão, que resolvem estes problemas, podem ser complexos e caros. Devido à

sua potência dissipada ser proporcional à voltagem que passa pelos elementos activos

multiplicada pela corrente, os circuitos analógicos podem atingir temperaturas muito

elevadas. Podem também ser sensíveis ao ruído, e devido à sua resolução infinita,

qualquer perturbação ou ruído no sinal analógico altera assim o valor da corrente.

3.3.4 Controlo Digital

Controlando circuitos analógicos digitalmente, os custos do sistema e o consumo de

energia podem ser drasticamente reduzidos. Ainda mais porque muitos

microcontroladores já incluem controladores PWM, facilitando a implementação.

Através da utilização de contadores de alta resolução, o duty cycle de uma onda

quadrada é modulado para codificar um nível específico de sinal analógico. O sinal

PWM mantém-se digital porque, em qualquer instante de tempo, a componente DC do

sinal ou é on ou off . As fontes de voltagem e de corrente são fornecidas à carga

analógica por meio da repetição de impulsos on e off . O on-time é o tempo durante o

qual a componente DC é aplicada à carga, e o off-time é o período de tempo em que

essa componente é desligada. Com uma largura de banda suficiente, qualquer valor

analógico pode ser codificado por PWM.

A Figura 3-13 mostra três sinais diferentes de PWM: em cima uma saída PWM com

10% de duty cycle (on em 10% do período e off os restantes 90%); ao meio e abaixo

mostram-se as saídas com 50 e 90% de duty cycle, respectivamente.




- 18 -

Figura 3-13 – Três Sinais de PWM

3.3.5 Vantagens do PWM

Uma das vantagens da PWM é que o sinal se mantém digital durante todo o processo

de controlo, ou seja, não é necessária a conversão digital para analógica. Mantendo osinal digital, os efeitos do ruído são reduzidos, já que o ruído só pode afectar um sinal

digital se for suficientemente forte para mudar de “1” para “0”, ou vice-versa. Esta

grande imunidade ao ruído é um benefício da escolha da PWM sobre o controlo

analógico, e é a principal razão para que seja muitas vezes utilizado em comunicações.

Passar um sinal analógico para PWM pode aumentar o tamanho de um canal de

comunicações dramaticamente. No terminal receptor, um adequado circuito RC

(resistência-condensador) ou LC (inductor-condensador) pode remover a ondaquadrada modulada de alta-frequência e retornar o sinal na forma analógica.

Uma outra vantagem referida é o preço reduzido e o baixo consumo de energia.

3.3.6 Aplicação da PWM no Servomotor

Tal como anteriormente referido, o ângulo do eixo do servomotor é determinado a

partir da duração da largura de pulso à entrada de sinal do servomotor. Este espera ver




- 19 -

um pulso com período de 20ms. A largura de pulso é o que determina até onde ele vai

girar. Um pulso de 1.5ms, por exemplo, faz com que o motor gire até à posição central

ou neutra, ou seja, 90º. Se o pulso for mais pequeno do que 1.5ms, o motor gira em

direcção aos 0º; se for maior do que 1.5ms, o eixo gira em direcção a 180º, tal como se

ilustra na Figura 3-14. É de notar que estes valores podem variar com o fabricante.

Figura 3-14 – Utilização da PWM no Servomotor

3.3.7 Futaba S3003

Os servomotores são componentes baratos e relativamente fáceis de obter. O

servomotor escolhido para este projecto foi o Futaba S3003. Este recebe o sinal PWM

através do fio branco; o vermelho (+) e o preto (-) servem para a alimentação, como se pode ver na Figura 3-15, que pode variar entre 4.8V e 6.0V, sendo que, quanto maior a

voltagem maior será a força do motor, mas também maior a corrente necessária para

operá-lo. Pode assim chegar a uma força entre os 3.2kg.cm e os 4.1kg.cm. O peso do

servomotor é de 37.2g e as suas dimensões são de 41x20x36mm, tornando-o ideal para

o pretendido. Na Figura 3-16, apresenta-se o servomotor utilizado.




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Figura 3-15 – Conexão do Servomotor

Figura 3-16 – Servomotor Futaba S3003




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3.4 Webcam

Uma Webcam é uma pequena câmara de imagem, de baixa resolução, que permite acaptura de imagens vídeo. Pode ser conectada ao computador por via um cabo USB,

cabo ethernet, ou mais recentemente, por via de um router numa rede sem fios.

As imagens podem posteriormente ser enviadas para um web server , que as difunde na

Internet, por exemplo.

Existem vários tipos de Webcams, todas elas apresentam um baixo custo e dimensõesreduzidas, o que facilita a sua utilização em sistemas simples de vigilância. Na Figura

3-17 pode-se ver uma Webcam simples.

Figura 3-17 – Webcam

A especificação de uma Webcam para este projecto é realmente muito simples. Basta

ter um cabo USB para ligação a um computador. Com efeito, não é preocupação deste

projecto obter uma imagem suficientemente nítida, nem fazer qualquer processamento

na imagem. Isto faz com que o gasto na Webcam seja tão baixo quanto possível.




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3.4.1 Quickcam Express

A Webcam disponibilizada com os requisitos mínimos foi a Quickcam Express da

Logitech. Esta Webcam tem as seguintes especificações técnicas:

• um sensor CMOS,

• uma lente com focagem manual,

• a definição máxima da imagem é de até 352x288 pixels,

• a focagem tem um alcance de seis polegadas até ao infinito

• pode transmitir até trinta imagens por segundo

• é compatível com quase todos os sistemas operativos

A câmara é de fácil ligação ao computador através do cabo USB e com o sistema Plug

and Play.



4 Realização

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4 Realização

4.1 Módulo Sensor – Servomotor

O módulo sensor – servomotor é composto pelos módulos dos sensores piroeléctricos,

microcontrolador e o servomotor.

São utilizados seis sensores dispostos em semicírculo, tal como mencionado

anteriormente. Cada um desses sensores é responsável por uma área de detecção.

Sempre que um intruso passa por essa área o sensor envia a informação aomicrocontrolador que, ao saber qual o sensor que lhe corresponde, envia o pulso PWM

correspondente ao servomotor, fazendo com que este rode, apontando a câmara para o

intruso. O esquema de ligações final encontra-se na Figura 4-1. Do lado direito

encontram-se as entradas dos sinais dos sensores piroeléctricos, com os nomes PIR1 a

PIR6 (porta 34 a 39). Do lado esquerdo apresenta-se a saída SERVO1 (porto 1), que

liga o microcontrolador ao servomotor.

470Ω

470Ω 470Ω

470Ω5V

33pF

33pF

P1.01

P1.12

3P1.2

4P1.3

VCC

P0.0

P0.1

P0.2

40

39

38

37

P1.45

P1.56

7P1.6

8P1.7

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

36

35

34

33

RST9

P3.010

11P3.1

12P3.2

P0.7

EA/VPP

ALE/PROG

PSEN

32

31

30

29

AT89S51

P3.313

P3.414

15P3.5

16P3.6

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

28

27

26

25

P3.717

XTAL218

19XTAL1

20GND

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

24

23

22

21

PIR1

PIR2

PIR3

PIR4

PIR5

PIR6

5V

5V

5V

SERVO1

5V

5V

Figura 4-1 – Esquema de ligações do microcontrolador



4 Realização

- 24 -

4.1.1 Modo Automático

O modo automático é o modo normal de funcionamento do sistema. No porto 0

(P0) do microcontrolador são ligadas as entradas do sinal dos sensores. Como

utilizamos seis sensores as entradas estão ligadas como na Tabela 4-1.

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5

PIR1 PIR2 PIR3 PIR4 PIR5 PIR6

Tabela 4-1 – Atribuição dos Sensores PIR aos pinos do microcontrolador

Quando algum dos sensores é activado, é enviado para o porto correspondente

um sinal que indica ao microcontrolador o acontecimento. Este, por sua vez,

com a informação de qual das entradas está activada, acciona o motor através

de uma sequência de pulsos PWM, fazendo o motor chegar ao ângulo

pretendido. Os ângulos estão definidos no microcontrolador para cada uma das

entradas. Durante a deslocação do intruso é possível que dois sensores

contíguos estejam activos ao mesmo tempo, o que origina que o servomotor se

coloque numa posição intermédia aos dois sensores. Esta situação é também

explícita na Tabela 4-2, onde se podem ver todas as posições em que o motor

se posiciona dependendo do(s) sensor(es) activado(s).

PIR1PIR1 /

PIR2PIR2

PIR2 /

PIR3PIR3

PIR3 /

PIR4PIR 4

PIR4 /

PIR5PIR5

PIR5 /

PIR6PIR6

0º 18º 36º 54º 72º 90º 108º 126º 144º 162º 180º

Tabela 4-2 – Posições do Servomotor



4 Realização

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4.1.2 Modo Manual

O sistema apresenta um modo manual de funcionamento. Para seleccionar este

modo existe um interruptor que dependendo da sua posição, alterna entre osmodos manual e automático. No modo manual, que pode servir para

verificação do funcionamento do motor, existem dois botões de pressão: um

que faz o motor girar para a esquerda e o outro que faz com que gire para a

direita. As ligações foram efectuadas da seguinte forma: o pino 2 do

microcontrolador serviu para a entrada do interruptor, enquanto que os dois

botões de pressão foram ligados ao pino 32 e 33.

4.1.3 Visualização do intruso

Com o sistema motorizado a funcionar, a Webcam, que funciona

independentemente desse sistema, gira em cima do servomotor. Deste modo irá

ter sempre a melhor visão do intruso.

A Webcam é ligada através de um cabo USB ao computador e através de um

programa são visualizadas as imagens do intruso.

Este programa recebe as imagens e cria uma página onde podem ser

visualizadas. Esta página pode ser colocada na Internet onde se poderão ver as

imagens ao vivo do local onde o sistema está instalado. A página gerada é igual

à da Figura 4-2. Uma nova imagem é carregada a cada 0.5s.



4 Realização

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Figura 4-2 – Página Web criada



5 Testes e Análise de Resultados

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O desconhecimento de algumas tecnologias utilizadas neste projecto, nomeadamente os

sensores piroeléctricos e os servomotores, levaram a que fosse precisa uma pesquisa

intensa para obter informação sobre estes componentes. O modo de funcionamento,

principalmente do servomotor, levantou muitas dúvidas, já que inicialmente pensámos

que quando pediam um sinal com, por exemplo 10% de duty cycle, se iria reduzir o

período do sinal em 90%. Devido a esse facto, os testes com o servomotor foram

sucessivos e muitas vezes sem sucesso. O servomotor apresentava comportamentos

aleatórios, que não permitiam que percebêssemos qual o motivo do mau funcionamento.

Com o servomotor em estudo partiu-se para o funcionamento dos sensores piroeléctricos.

Com os sensores piroeléctricos tivemos o problema do componente utilizado ter os

tempos estabelecidos muito altos, o que não permitia testes com rigor. Após algum tempo

de pesquisa sobre o componente conseguimos definir quais as resistências que poderiam

ser alteradas para baixar esses tempos. Verificámos que estes sensores têm dois modos de

operação. O modo one-shot e o modo retriggerable. O modo one-shot é o que está

configurado de fábrica e cada vez que é detectada uma presença o sensor envia um

impulso, voltando a “0” em seguida. O sinal obtido é o mostrado na Figura 4-3

Figura 4-3 – Sinal no modo one-shot

O modo retriggerable enquanto detectar uma presença mantém-se a “1” durante o tempo

de detecção. A saída do sinal é apresentada na Figura 4-4




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Figura 4-4 – Sinal no modo retriggerable

O modo retriggerable é mais funcional neste sistema e para alterá-lo tivemos de

introduzir 5V num dos pinos do circuito integrado do PIR. Devido ao tamanho reduzido

dos componentes do PIR foi extremamente difícil fazer as alterações dos tempos e dos

modos.

No entanto, para simplificar os testes, utilizaram-se dip-switches para simular a função

dos sensores. A primeira parte de programação introduzida foi a detecção num sensor de

cada vez. Verificado o bom funcionamento dessa função, partiu-se para uma segunda fase

em que a detecção pode ser feita num ponto intermédio entre sensores contíguos.

Voltámos de novo ao servomotor com as informações correctas sobre a PWM. Foi

introduzida a forma correcta no microcontrolador e o funcionamento foi o esperado.

Inicialmente funcionou abrangendo apenas um ângulo de 90º, mas alterando a

programação conseguimos levá-lo a rodar os 180º pretendidos. Apesar disso o

servomotor apresenta um pequeno ruído interno, possivelmente próprio a este em

particular, já que foram feitos testes com outro servomotor que não registava esse ruído. No entanto, os ângulos pretendidos são todos percorridos pelo servomotor.

Com o servomotor em funcionamento e os sensores alterados em tempos e modo ligou-se

o circuito para testar o seu funcionamento. Verificou-se que como os sensores necessitam

sempre de um tempo de estabilização, a detecção não pode ser imediata. Após esse tempo

os sensores têm o comportamento esperado.




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A câmara foi fixada ao servomotor e ligou-se o cabo USB ao computador. O servomotor

não apresentou problemas em relação ao peso da câmara e a câmara concluiu com

sucesso o envio de imagens de vídeo para o computador. Pôde-se então proceder à

montagem de uma maqueta do projecto.

Para um melhor aproveitamento dos ângulos de detecção dos sensores PIR foram

montados na maqueta num ângulo de 45º.



6 Conclusões

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6 Conclusões

Este projecto permitiu o aprofundamento e aquisição de novos conhecimentos.

Aprofundamento em relação ao microcontrolador AT89S51, utilizado na disciplina de

Microcontroladores. Aquisição de novos conhecimentos relativamente à utilização da PWM,

do servomotor e da Webcam. Serviu também para relembrar e desenvolver o conhecimento da

linguagem C para programação de microcontroladores.

Este é um projecto muito versátil e que pode ter muitas variantes conforme o pretendido. Não

é de custos muito elevados, dependendo das especificações pedidas.

Há a possibilidade de efectuar algumas melhorias no futuro de modo a explorar as

capacidades de um sistema deste tipo. Uma seria a implementação de um programa de

registos de passagem, com o número de passagens pelo local vigiado, bem como a data e

hora. Outra melhoria poderia ser a implementação de um sistema de iluminação da zona

vigiada, por exemplo, quando existe pouca iluminação no local vigiado, uma luz acender

quando é detectada uma presença. A detecção de cores pode ser um melhoramento muito útil

no sentido do seguimento de mais que uma pessoa pelo local vigiado.

Este projecto foi elaborado para a utilização num local com iluminação razoável e pouco

movimento. Foi um projecto em que os objectivos estabelecidos foram alcançados e de certos

modo levantou muitas questões que com um pouco mais de tempo levariam à implementação

de melhorias.



7 Referências Bibliográficas

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7 Referências Bibliográficas

[L1] Sistemas Electrónicos Com Microcontroladores - 2a. Edição Actualizada e Aumentada

[S01] ETT Co., Ltd., http://www.ett.co.th

[S02] Glolab, http://www.glolab.com

[S03] College of Engineering and Mathematical Sciences, http://www.uvm.edu

[S04] Universidad de Guadalajara, http://proton.ucting.udg.mx

[S05] Wikipédia, http://pt.wikipedia.org

[S06] IeaRobotics.com, http://www.iearobotics.com

[S07] Servo Motor, http://69.56.194.34/~aterroso/html/servo_motor.html

[S08] Netrino, http://www.netrino.com

[S09] Página da Disciplina de Microcontroladores, http://ltodi.est.ips.pt/microcont/

[S10] Datasheet do PIR MS-311, http://www.farnell.com/datasheets/37500.pdf



ANEXOS

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ANEXOS



ANEXOS

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Anexo I

1 Esquema Eléctrico

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