DedicatóriaDedico este trabalho primeiramente a Deus, pois sem ele nada disso seria possível, e não

viveríamos estes momentos importantes de nossas vidas.

Aos meus pais: Wiliam Rogato e Cristina Rogato, pela dedicação e apoio, que nunca me

faltaram, nesta e em outras caminhadas.

Aos meus irmãos: Wiliam Jr. E Welton, pela presença e ajuda, nos momentos em que são

necessários. E ao meu sobrinho Lucas recém chegado ao mundo.

1

AgradecimentosAgradeço aos professores da EESC e da SEL, pelo aprendizado nestes anos de

graduação e formação profissional e de caráter, que pode me proporcionar.

Ao pessoal da República “SpringField”, pela diversão, comprometimento, entendimento e

amizade nestes 5 anos de vida.

Ao Pedro Zorzenon e funcionários da Ideale por tamanho acolhimento, aprendizado e

crescimento profissional.

E a turma da Eletrônica 2004 por 5 anos inesquecíveis.

2

ResumoUm sistema de transmissão de dados a partir de via infravermelha é uma solução simples

para implementações ponto a ponto de informações, sem a utilização de cabos, sendo indicadas

para envio de pequenos dados, contanto que o transmissor e o receptor estejam no mesmo

“campo de visão”. O detector de posições é dividido em dois dispositivos, um transmissor de

ondas infravermelhas é alimentado por uma bateria e é preso a um trilho linear para a detecção

de uma posição final; a velocidade de movimento do objeto no eixo é um dos motivos da

necessidade de um sistema sem fio. E um receptor próximo ao sistema de controle do sistema

mecânico. Este projeto tem como objetivo transmitir um sinal on-off, que a detecção seja confiável

(minimizando falsos positivos ou falsos negativos) em amplas faixas de luminosidade ambiente ou

fontes de ruído óptico, como lâmpadas fluorescentes. Junto com a informação on-off, deverá ser

enviado também o estado da bateria do transmissor.

Palavras chaves: ondas infravermelhas, transmissão sem-fio, sensores, ruídos ópticos,

sistema de controle e opto-acopladores.

3

AbstractInfrared transmission is a simple solution to wireless communication highly indicated to

small amount of data. The transmitter and receiver must be alined and without optical obstables. In

this project the system has a battery and will be installed in a moving part, with one-axis freedom,

this is one of the reasons that a wireless communication is suitable. This project goal is transmit a

on-off data. It must be reliable in bright environment, with optical interference noise, and with

fluorescent lights. Along with the on-off data the battery level must be transmitted.

Keywords: infrared waves, wireless transmission, sensors, interference optical, control

system and optocoupler.

4

SumárioResumo 03Abstract 041 Introdução 08 1.1 Automação industrial 08 1.2 Escopo do projeto 08

2 Revisão Bibliográfica 10 2.1 Meios de transmissão 10 2.1.1 Ondas de rádio 12 2.1.2 Raios infravermelhos 13 2.2 Sistemas complementares 15 2.2.1 Sistema de automatização de empresa 15 2.3 Sensores 16

3 Materiais e métodos 18 3.1 Transmissor 20 3.2 Receptor 26

4 Resultados 315 Extensões futuras 376 Conclusões 37Referências Bibliográficas 38

5

Lista de Figuras e Tabelas

Revisão BibliográficaFigura 2.1 – Elementos de um sistema de comunicação de Shannon 10Figura 2.2 – Cabos trançados 11Figura 2.3 – O espectro eletromagnético e suas divisões 12Figura 2.4 – Transmissão não-direcional 13Figura 2.5 – Transmissão infravermelha direcional 14Figura 2.6 – Transmissão infravermelha difusa 14Figura 2.7 – Distribuição das esteiras e sensores 16Figura 2.8 – Conversão do robô 17Figura 2.9 – Comunicação entre robô e computador central 18Tabela 2.1 – Tipos de Sensores 19

Materiais e funcionamentoFigura 3.1 – Diagrama de blocos do transmissor 18Figura 3.2 – Dimensões da bateria A23 da duracell 20Figura 3.3 – Gráfico de tensão x tempo de serviço 20Figura 3.4 – Curva de histerese do CD 4093 21Figura 3.5 – Pinos do CI 4093 21Figura 3.6 – Circuito de controle 22Figura 3.7 – Diagrama de blocos do TL431 22Figura 3.8 – Configuração usual do TL431 23Figura 3.9 – Medidor de nível de bateria 23Figura 3.10 – Bloco de Oscilação e LED transmissor 24Figura 3.11 – Gráficos de Potência radiada por comprimento de onda e intensidade por

ângulo de transmissão 25Figura 3.12 – Gráfico de interferência da luz fluorescente 26Figura 3.13 – Diagrama de blocos do receptor 27Figura 3.14 – Diagrama de blocos do TSOP1240 28Figura 3.15 – Bloco detector de raios infravermelhos 28Figura 3.16 – Bloco detector – nível de bateria 29Figura 3.17 – Bloco de saída – sinal de detecção 30Figura 3.18 – Pinos do SFH6156 30

ResultadosFigura 4.1 – Protótipo do transmissor 31Figura 4.2 – Protótipo do receptor 31Figura 4.3 – Sinal de tensão do sensor e Sinal de Disparo dos circuitos 32Figura 4.4 – Pulsos de transmissão 33Figura 4.5 – Transmissão de detecção com bateria normal 34Figura 4.6 – Transmissão com bateria baixa 34Figura 4.7 – Tempo total de transmissão 35

6

Figura 4.8 – Tempo de proteção para a saída conectada ao CLP 36

Lista de SiglasGND Ground (aterramento)

FF Flip-Flop

IRED Led Transmissor

CI Circuito integrado

CLK clock

7

1. Introdução 1.1 Automação industrial

A automação industrial define-se como o uso de dispositivos mecânicos ou eletro-

eletrônicos que permitem realizar o controle de máquinas e processos. É uma área em

crescimento contínuo devido à necessidade de substituir os antigos métodos de controle manual

pelos métodos eficientes de controle automatizados. Entre os dispositivos eletro-eletrônicos pode-

se utilizar: computadores ou outros dispositivos lógicos tais como controladores lógicos

programáveis-CLP, substituindo, muitas vezes, tarefas humanas ou realizando outras que o ser

humano não consegue realizar.

As industrias investem cada vez mais dinheiro em formas de automatizarem seus serviços

mecânicos ou pessoais. A supervisão de uma fábrica passa por métodos de sistemas de controle.

Uma forma de ter controle pelos objetos é com sensoriamento remoto, utilizado com a adquisição

de informações sobre a produção sem entrar em contato com físico com ela.[1] O comportamento

de objetos é relacionado à mudança das características físicas de um sensor, interligado a um

sistema computacional, que efetua o controle sobre equipamentos, diminuindo a presença

humana nas fábricas.

Alguns sensores não apresentam uma resposta compatível com os sistemas de controle,

sendo necessário a presença de um dispositivo eletrônico que transforme o sinal gerado no

sensor, em um sinal elétrico. Como o sensor, o dispositivo eletrônico não pode causar obstáculos

extras ao objeto sensoreado.

1.2 Escopo deste projetoO detector de posição envia a um sistema de monitoramento, um sinal proporcional ao

limite de percurso com a alteração das características de um sensor . Este pode ser de diversos

tipos, como contato, capacitivo, indutivo ou de barreira de laser, dependendo da aplicação. Para

acompanhar o sensor este dispositivo deve garantir liberdade de movimento ao objeto e não

atrasar ou limitar a movimentação do objeto sensoreado.

O trabalho de conclusão de curso tem por objetivos soluções rentáveis economicamente

para a construção de um dispositivo de detecção de posições que garanta essas características. A

construção de um sistema de comunicação sem-fio a partir de raios infravermelhos que envie

informações confiáveis a um sistema de controle, apresenta proteção contra ruídos ópticos, tenha

baixo consumo de energia e garanta liberdade ao sistema monitorado.

O trabalho está organizado em revisão bibliográfica, materiais e funcionamento, resultados,

estudos futuros e conclusões. Estes capítulos estão resumidos abaixo.

O capítulo 2 mostra exemplos de aplicações que poderiam utilizar o dispositivo construído,

como a disposição de um fábrica monitorada por detectores de posição ligados a CLPs, um

8

sistema robótico que se comunica com o sistema computacional por raios infravermelhos. E

também informações sobre comunicação por ondas de rádio e exemplos de sensores que podem

ser utilizados na aplicação.

O capítulo 3 traz a descrição de materiais usados na construção do dispositivo, alguns

detalhes sobre estes e a implementação do dispositivo, com circuitos elaborados, problemas

encontrados e sistema eletrônico finalizado.

O capítulo 4 mostra os resultados dos testes realizados em laboratório e em máquina. A

máquina usada no caso foi um torno mecânico. São citadas discussões referentes as propostas

feitas.

O capítulo 5 faz uma análise sobre trabalhos futuros, implementações que possam ser

realizadas e alterações efetuadas.

O capítulo 6 traz conclusões finais sobre os testes realizados e complementos sobre o

projeto.

9

2. Revisão BibliográficaExiste um grupo de sistemas mecânicos, tais como um braço de robô, esteira industrial ou

tornos mecânicos, que necessitam de respostas rápidas e precisas para o seu funcionamento.

Eles operam com uma base de posições pré-definidas em um eixo, detectadas por sensores.

Estes sistemas recebem informações sobre o monitoramento e executam uma ação como forma

de resposta, que pode ser de forma direta com outro sinal elétrico ou de forma indireta com a

transformação de um tipo de energia em outro, como são conhecido os transdutores. Este sinal

pode ser interpretado manualmente através de sinais visuais, em que uma pessoa pode ver um

LED piscando ou com um aviso em um computador pessoal. Mas as pessoas apresentam

diferentes velocidades de percepção, que acarretam em respostas não-uniformes e o cálculo para

prever tais erros e os resultados podem ser diferentes, o que no caso de uma industria não é

positivo, pois os produtos não teriam um padrão.

Substituindo as pessoas, por sistemas eletrônicos, diminui-se o desvio no tempo de

resposta para que este execute uma ação pré-programada, como diminuir a velocidade de um

robô, alterar a direção de uma esteira ou regular a posição do probe de um torno.

Alguns projetos foram abordados para a elaboração deste estudo, como a passagem de

um robô por um labirinto e a implementação de um sistema de controle de uma esteira industrial.

Após a definição das bases do projeto, realizou-se uma revisão sobre os meios pelos quais serão

transmitidos os sinais do transmissor e receptor. São citados tipos de sensores que podem ser

ligados a entrada do sistema eletrônico que será elaborado no envio de informações.

2.1 Meios de transmissão

Um sistema é formalmente definido como uma entidade que manipula um ou mais sinais

para realizar uma função, produzindo novos sinais.[1]

Ao manipular estes sinais, o sistema realiza uma forma de comunicação com transmissor

canal e receptor, podendo ser comparados com o modelo de comunicação de Shannon visto na

figura 2.1.

Figura 2.1 – Elementos de um sistema de comunicação de Shannon [18]

10

O transmissor está localizado num ponto do espaço, o receptor está localizado em algum

outro ponto separado do transmissor, e o canal é o meio físico que os liga. Cada um destes três

elementos pode ser visto como um sistema com sinais próprios associados O propósito do

transmissor é converter o sinal de mensagem produzido por uma fonte de informação para uma

forma apropriada para ser transmitida por um canal. Cada canal tem uma área de atuação. [1]

Para transmitir informações em fios, basta variar sinais elétricos (corrente ou tensão). Fios

de cobre são meios primários para transmissão de dados por sinais elétricos, mas acabam

apresentando grande interferência elétrica, sendo necessário adaptações na sua forma para

serem utilizados na transmissão de dados, tais como pares trançados ou cabos coaxiais.

Fios trançados entre si, como vistos na figura 2.2, reduzem as emissões de onda

eletromagnética, e também a influência causada por outro fios. Podem ser revestidos por

materiais metálicos. Fios de cobre também são utilizados na forma de cabos coaxiais, os quais

consistem de um núcleo de cobre envolvidos por um material isolante, este é envolvido por um

condutor cilíndrico e um revestimento de plástico. O núcleo é usado para o transporte de dados,

enquanto o condutor externo atua como protetor de interferências externas. Esses cabos atingem

distâncias de até 500m entre pontos comunicadores, sendo eficazes em transmissão ponto a

ponto, apresentam limitações quanto a velocidade de deslocamento do objeto monitorado.

Figura 2.2 – Cabos trançados [2]

Para garantir pequena influência no objeto monitorado, a forma que encontrou-se para

transmissão de dados pelo ar, já que pode ser feita sem a presença de qualquer meio físico direto,

como é o caso de raios infravermelhos, microondas e ondas de rádio. O ar constitui um meio

natural propicio para propagação de onda eletromagnéticas, permitindo uma grande flexibilidade

na comunicação entre os pontos. Com a transmissão pelo ar possibilita-se a construção de um

dispositivo que seja dividido em dois circuitos, sendo o primeiro um transmissor para envio de

informação e receptor para gerar um sinal ao controlador. Esta divisão possibilita a construção de

um transmissor reduzido, que diminuiria a interferência no objeto em deslocamento, e um receptor

11

ligado por fios ao sistema controlador.

O ar é um meio natural para a difusão de sinais eletromagnéticos, a figura 2.3 traz a

classificação das ondas eletromagnéticas. As ondas com freqüências menores do que a da luz

visível são utilizadas na transmissão de informações, como ondas de rádio e infravermelho.[2]

Figura 2.3 – O espectro eletromagnético e suas divisões[2]

As bandas ou faixas mostradas na figura 2.3(LF, MF, HF, UHF, SHF, EHF e THF) são

abreviaturas de palavras em inglês, baseadas no tamanho das ondas. Na época da classificação

dessas ondas, os físicos não imaginavam alcançar freqüências acima de 10 MHz. Quando estas

ondas surgiram foram criadas nomenclaturas como ultra e super. [2]

2.1.1 Ondas de rádio

As ondas de rádio são omnidirecionais, isto é, se propagam em todas as direções, não

sendo necessário que o transmissor e o receptor cuidadosamente alinhados. Elas viajam longas

distâncias e contornam obstáculos com facilidade devido ao reduzido comprimento de onda.

Utilizados em comunicações de ambiente aberto e fechado.[2]

Devido a facilidade de contornar obstáculos, a transmissão de ondas de rádio é feita com

dados enviados modulados para que não haja possibilidade de interferência externa.[3]

A figura 2.4 ilustra a distribuição de ondas de rádio demonstrando sua omnidirecionalidade.

Recebe o nome em inglês de Non-line-of-sight(NLOS), sem linha visada

12

Figura 2.4 – Transmissão não-direcional[3]

A propriedade de transpor obstáculos e penetrar em paredes esta relacionada com a

freqüência característica da onda. Ondas com freqüência baixa contornam facilmente prédios,

enquanto ondas com freqüência maior são rebatidas ou absorvidas.[2]

A interferência de campos magnéticos produzidos por motores, fornos de microondas,

entre outros, entre outros equipamentos elétricos, são formas de ruídos que prejudicam este tipo

de transmissão.[3]

Para os sistemas de transporte de baixa e média capacidades, a comunicação ponto a

ponto vem sendo utilizado em grande escala no Brasil, em conjunto com sistemas de fibra óptica.

A informação é transportada de duas estações distantes de si em até 50 km, dependendo das

condições topográficas, faixa de freqüências e capacidade, graças ao fenômeno de propagação

eletromagnética no ar.[4]

2.1.2 Raios infravermelhos

As ondas infravermelhas não são visíveis ao olho humano, tem a faixa de comprimento de

onda maiores do que a luz vermelha, esta é definida como curta (0,8-1,5µm), média (1,5-5,6µm) e

longa (5,6-1.000µm). [7] Elas são usadas em comunicação de curto alcance, distâncias de até 5m.

[2]

Aparelhos que transmitem raios infravermelhos são relativamente direcionais, apresentam

preços reduzidos e apresentam pouca interferências, já que esses raios não transpõe obstáculos.

Estão presentes em controles remotos, aparelhos de DVD e periféricos de computadores.[7]

13

Figura 2.5 – Transmissão infravermelha direcional[3]

As transmissões não requerem licença do governo ao contrário das ondas de rádio que

devem ser licenciadas fora das bandas ISM.[2] Existem dois métodos utilizados na transmissão

por infravermelho, direta e difusa. Na transmissão direta, o transmissor e o receptor possuem um

ângulo de abertura pequena, quase alinhados, como pode ser visto na figura 2.5.[3]

A transmissão difusa envia dados para todas as direções, mas a taxa de transmissão é

menor do que na transmissão direta. Um exemplo de transmissão difusa é vista na figura 2.6

Figura 2.6 – Transmissão infravermelha difusa[3]

Os avanços na tecnologia de componentes optoeletrônicos têm possibilitado o

desenvolvimento de inúmeras aplicações, principalmente no que se refere à transmissão de

sinais, como enlaces de rádio-freqüência e sistemas de controle remoto. Essas aplicações utilizam

14

conceitos básicos de sistemas de comunicação óptica, como técnicas de modulação do sinal,

transmissão e recepção de dados e demodulação da informação.[8]

Um sistema direto tem como objetivo a transmissão de dados utilizando LEDs

infravermelhos e fotodetectores. Para pequenas distâncias (2 metros), a relação sinal/ruído é

baixa, e o ângulo entre transmissor e receptor é relativamente alto para uma transmissão

diretiva(30°).

2.2 Sistemas complementares

Sensoriamento remoto é definido como o processo de adquirir informações sobre um

objeto de interesse sem estar em contato físico com ele. Basicamente, a aquisição de informações

é realizada detectando-se e medindo-se as mudanças que o objeto impõe ao campo

circunvizinho. O campo pode ser eletromagnético, acústico, magnético ou gravitacional,

dependendo da aplicação de interesse. A aquisição de informação pode ser realizada de maneira

passiva, medindo-se o campo (sinal) que é emitido naturalmente pelo objeto e processando-o; ou

de maneira ativa, iluminando-se intencionalmente o objeto com um campo (sinal) bem-definido e

processando-se o eco (isto é, o sinal retornado) do objeto.[1]

A enfase deste projeto é o sistema eletrônico que envia informações sobre variações em

um sensor para um sistema de controle, algumas aplicações industriais são citadas.

2.2.1 Sistema de automatização de empresa

Um sistema em que detectores de posição são usados foi apresentado no Induscan em

Poços de Caldas este ano foi apresentado por uma empresa localizada na cidade de Fortaleza-

CE, a IMPAR tecnologias em parceria com a UNIFOR (Universidade de Fortaleza), um sistema

automático de inspeção, distribuição e controle de produtos, com a finalidade de diminuir custos e

eliminar erros que ocorriam na produção. A empresa possui 5 máquinas na área de produção que

atua com 5 tipos de produtos, cada máquina apresenta uma esteira que leva o produto a uma

esteira principal, com o uso de pessoas para definir se estes produtos estão de acordo com o

peso e em qual local este produto devia ser armazenado, acarretando em produtos armazenados

em locais errados ou com restrições de peso de acordo com a pessoa.[5]

Cada máquina recebeu um conjunto de 3 sensores, o sensor 1(S1) detecta que um

produto foi colocado na posição 0 e liga a esteira, o sensor 2(S2) informa que o produto está em

uma posição anterior a entrada da esteira principal e para a esteira desta máquina se um produto

passou a pouco tempo pelo sensor 3(S3) que é ligado a esteira principal, o sensor ativa um

sistema de informação que fica acionado por um período T necessário para que o produto possa

deslizar pela esteira sem que outro produto entre em choque com este.[5]

Na figura 2.7 demonstra o projeto de distribuição das esteiras na fábrica, a posição dos

sensores e scanners instalados para automatização do processo.

15

Figura 2.7 – Distribuição das esteiras e sensores

O sistema de informação é um sistema eletrônico composto por portas lógicas e

temporizadores de acordo com o sensor e interligado ao CLP através de fios. O período T no

sensor 1(S1) é de 5s, sendo este intervalo necessário para que outro produto seja colocado na

esteira com uma distância de segurança contra choque, ao ser acionado o sensor 2(S2), a esteira

para se estiver acionado o sistema de informação do sensor 3(S3). O sistema de informação do

sensor 3 mantém a informação de detecção por um período de 20s para que o produto possa

passar a frente da esteira intermediária de outro produto, não ocorrendo choques.[5]

Ao final das esteiras são instalados scanners para decidir-se para qual esteira o produto

deve ser enviado e armazenado. A ação ocorre da mesma maneira para cada conjunto de 3

sensores.[5]

2.3 Sensores

O sistema eletrônico que envia dados ao sistema controlador é compatível com alguns

tipos de sensores, sendo necessário que estes apresentem um sinal de tensão em sua saída, que

chega ao sistema intermediário que comunica ao sistema controlador da máquina (ou robô) as

detecções feitas no objeto sensoreado. Eles mudam seu comportamento sob a ação de uma

grandeza física, e fornecem um sinal direto ou indireto que indica a grandeza detectada. Sensores

que atuam de forma indireta alteram suas propriedades e são mostrados na tabela 2.1: [19]

O sensor de contato é utilizado em aplicações com tornos mecânicos, pois verificam se a

ponta do probe está com menor quantidade de matéria do que em usinagens anteriores,

resultando em uniformidade na usinagem. No caso de esteiras industriais ou de supermercados,

um sensor de barreira de luz, óptico, indutivo ou capacitivo podem ser acoplados para detectar a

passagem de um objeto. Em um robô seria necessário sensores de contato ou de reflexão de luz

16

para detectar a ausência de paredes e realizar movimentos. [19]

Tabela 2.1 - Tipos de sensoresCaracterística Funcionamento

Proximidade Magnética Trata-se de dois contatos colocados no interior de uma ampola,

preenchido com resina sintética, com a proximidade de um campo

magnético, estes contatos se fecham, estabelecendo um contato

elétrico, retirando o campo magnético o contato se desfaz, eficaz para

detectores de fim de curso convencionais ou para ambientes com

condições adversas(presença de poeira, umidade,etc).Indutivo Constituído de um circuito oscilador, um circuito de disparo e um

circuito amplificador, emite um sinal amplificado que é gerado por um

circuito disparador, quando o oscilador tem queda de tensão causada

por um corpo metálico. Utilizado para detecção de partes móveis, que

não possuem força ou peso suficiente para o uso de chaves de fim de

curso convencionais. Capacitivo É semelhante ao sensor indutivo, sendo que não apresentam um

oscilador permanente, a presença de um corpo altera o dielétrico entre

as armaduras de um capacitor, a distancia entre objeto e sensor gera

oscilações que acionam um disparador, que emite um sinal que é

posteriormente amplificado. Este sensor detecta todo tipo de material,

mesmo os não metálicos, mas são sujeitos a perturbações

ambientais(tais como poeira, umidade) Óptico retro-reflexivo Um sinal de luz vermelha ou infravermelha chega a um elemento

receptor, através da reflexão do material, e um sistema comparador

pré-estabelecido emite um sinal elétrico para definir o estado do

sensor. Detecta qualquer tipo de material, utilizado em vários

segmentos da indústria, tem grande eficiência econômica.Contato O sensor ao entrar em contato com algum material fecha um contato

de um circuito pré disposto, a tensão gerada é interpretada como um

sinal de posição pelo circuito, apresenta grande desvantagem com em

circuitos com movimento, por apresentar ruídos no contato, muitas

vezes é acoplado por elementos com histerese que eliminam estes

ruídos.

17

3. Materiais e Métodos

Um detector de posições monitora o funcionamento de certos sistemas mecânicos, este

projeto visa o controle de gasto do probe de um torno mecânico na usinagem de peças. Conforme

a quantidade de peças usinadas em um certo período, este tem sua ponta desgastada,

demonstrando variações no tamanho final das peças, um detector usado em conjunto com o

probe informa a cada peça usinada a posição em que este se encontra referente a um eixo de

deslocamento, sendo monitorado junto ao torno e garantindo uniformidade para as peças

produzidas.

O detector de posição é um sistema eletrônico que recebe a informação de detecção

através de um sinal de tensão gerado pela variação de um sensor e gera uma corrente de saída

capaz de informar a um CLP ou computador central, para que este gere uma nova a ação para o

objeto controlado. Este detector apresenta dois circuitos que se comunicam com transmissão

infravermelha, são respectivamente transmissor e receptor. A transmissão infravermelha foi

escolhida por apresentar menor custo e pouca interferência no ambiente em que o sistema será

utilizado, com relação a outras técnicas de transmissão sem-fio como ondas de rádio.

Os testes para elaboração deste projeto foram feitos em laboratório, com a construção dos

circuitos em protoboard, primeiramente. Com os resultados destes foram construídos circuitos

impressos em placas para que os testes fossem realizados conectadas ao probe de um torno

mecânico, conectados a um sensor de contato e um CLP.

Os principais materiais usados na confecção são citados a seguir para melhor

compreensão.

A aplicação para o envio de sinal de detecção foi desenvolvida com a montagem de um

protótipo de transmissão e um protótipo de recepção, ambos em protoboard. Ao receber o sinal de

detecção do sensor, o transmissor verifica a condição da bateria e em envia dados com uma base

de tempo, referente ao nível em que esta se encontra. A transmissão desse pulso é feita por

pulsos de tensão gerados em um circuito monoestável ligado a um led transmissor. A figura 3.1

mostra o diagrama de blocos.

18

Figura 3.1 – Diagrama de blocos do transmissor

O sinal de detecção do sensor para os testes em laboratório foi simulado inicialmente por

uma chave e posteriormente por um gerador de funções com saída configurada para onda

quadrada, conectados a entrada do circuito de controle, este alimenta o restante do circuito,

recebe as informações sobre o nível de bateria e liga o sinal de oscilação por um período relativo

a condição da bateria. O circuito de oscilação está ligado a um LED transmissor, que transmite os

raios infravermelhos referentes a detecção ocorrida no sensor.

O bloco Circuito de controle é alimentado por uma bateria de 12V A23 da Duracell,

representado pelo sinal BAT, e está representado na figura 3.12. A entrada é referente ao sinal do

sensor, varia entre 0 (com detecção) e BAT (sem detecção) e é chamado de SINAL_SNS. As

dimensões da bateria estão descritas na figura 3.2. Ela tem aproximadamente 10 mm de diâmetro,

28mm de comprimento e 22Ω de impedância interna, ela foi acoplada a uma caneta conectada ao

probe do torno, para realização dos testes com esta.[9]

19

Figura 3.2 – Dimensões da bateria A23 da duracell [9]

O gráfico de variação de tensão por tempo de uso encontrado no datasheet do

componente mostra que esta pilha mostram uma queda de tensão menos elevado até 9,5 V,

sendo que para aplicação testou-se o uso desta para até 10,5 V, sem alterações na funcionalidade

do circuito. A figura 3.3 demonstra a queda de tensão pelo tempo para cargas de 10kΩ, 20kΩ e

46kΩ.[9]

Figura 3.3 – Gráfico de tensão x tempo de serviço[9]

3.1 Transmissor

Para maior uniformidade nos sinais que ligam os blocos, são utilizados portas schimidt-

trigger contidas no CI 4093, que contem 4 NANDs. A alimentação é de 12V, sendo que existem

apenas dois valores de tensão na saída (0 e 12V), a entrada dessas portas apresentam histerese,

sendo que 9 V é considerado entrada em nível lógico alto, e 6,3V para nível lógico baixo. A figura

3.4 demonstra a função de histerese, no caso deste CI, as tensões U1 e U2 ,são as tensões de

20

entrada, na qual tem valores de 6,3V e 9V respectivamente e estão representadas por UOH e UOL,

as tensões de saída, 0 e 12V respectivamente.[10]

Figura 3.4 – Curva de histerese do CD 4093[10]

O CD 4093 usado é fabricado pela National (o usado neste projeto), apresenta 4 portas

NAND, que podem ser usadas de formas independente como osciladores, amplificadores digitais,

monoestáveis ou ainda comparadores de tensão. Este CI é popular e apresenta baixo consumo

de energia, e é o único componente alimentado diretamente pela bateria, sendo que tem um gasto

de baixo quando as portas não sofrem alteração de tensão, a pinagem deste CI esta representada

na figura 3.5.[10]

Figura 3.5 – Pinos do CI 4093 [11]

O ponto nSINAL_SNS é gerado 15μs após o sinal de detecção[10] e tem uma tensão

invertida em relação a entrada, é ligado ao medidor de nível de tensão, apresenta BAT (com

detecção) e 0 (sem detecção).

21

Figura 3.6 – Circuito de controle

Os demais circuitos são alimentados 5 μs após a tensão de nSINAL_SNS[11] ir para BAT e

medido por um CI TL431 ligado a um divisor resistivo, com os resistores R5 = 330kΩ e R6 =

100kΩ. O TL 431 é um CI regulador de saída de tensão com 3 terminais, REFERENCE

(Referência), CATHODE (Cátodo) e ANODE (Ânodo). Como visto na figura 3.7. O CI usado neste

projeto é produzido pela Fairchild .[11]

Figura 3.7 – Diagrama de blocos do TL431[11]

O tempo de resposta desta CI é de 5μs, entre ser acionado e variar o sinal de saída. [11] A

tensão de REFERENCE chega a um comparador que é ligado a uma tensão de 2,5V. A saída é

representada pelo CATHODE, na qual a tensão depende da entrada. O ANODE é ligado ao terra

na configuração usada neste trabalho.[11]

Para que a tensão de referência seja maior do que 2,5V é necessário a utilização de um

divisor resistivo na entrada REFERENCE, na qual a nova tensão de referência é dada pela

formula da eq. 3.1[11]:

Vka = 2,5 * (1 + R1 / R2) eq. 3.1[11]

Onde 2,5V é a queda de tensão no resistor R2 como pode-se ver na figura 3.8, e a tensão

na total na série entre R1 e R2 é a nova tensão limite para regular a tensão de CATHODE. Se a

22

tensão de referência for menor do que a tensão limite, o valor de saída é igual a tensão de

REFERENCE. Representando um corte no transistor interno do CI. Se a tensão for maior do que o

limite, a tensão de saída é de 2V, com o transistor conduzindo (este CI compartilha o pino de

alimentação com o pino de saída, o nível lógico baixo é representado pela tensão de alimentação

mínima que é 2V). [11]

Figura 3.8 – Configuração usual do TL431[11]

Se o nível da bateria no transmissor é de uma valor acima de 10,5V, o CI apresenta como

tensão no CATODO um pouco acima de 0, e se o nível de tensão é menor do que o valor definido,

a tensão de CATODO é igual ao nível presente na bateria (BAT). O medidor de nível de bateria é

mostrado na figura 3.9.

Figura 3.9 – Medidor de nível de bateria

A tensão de CATODO é ligada ao circuito de controle por 2 portas inversoras, sendo o

ponto NIVEL_BATERIA inverso as tensões de CATODO e ao usado para gerar o sinal de

transmissão. Com o nível de bateria acima de 10,5V, não existe tensão no ponto 10 da figura 3.12,

formando-se uma ligação paralela entre os resistores R2 e R14, e o tempo pelo qual o transmissor

23

fica ligado é dado pela eq 3.2:

T = C1 * ( R2//R14) (eq. 3.2) [16]

Se o nível de bateria for menor do que o limite necessário para uma transmissão segura, o

ponto 10 da figura 3.6 tem uma tensão BAT e o tempo de transmissão é dado pela eq. 3.3:

T = C1 * R2 (eq. 3.3) [16]

Como os valores de R2 e R14 são iguais, verificou-se que o tempo de transmissão de

bateria normal é metade do tempo de transmissão de bateria fraca, pois R2//R14 = R2/2[16].

O ponto de DISPARO é ligado ao bloco de oscilação apresenta tensão BAT (com detecção

do sensor) e 0 (sem detecção). O circuito elaborado para o bloco de oscilação é mostra na figura

3.10:

Figura 3.10 – Bloco de Oscilação e LED transmissor

O pino 4 do 555 desliga o circuito na ausência de tensão e liga com tensões maiores do

que 2V [17], com a presença de tensão no ponto DISPARO, o LMC 555 é ativado. Ele é

configurado como um monoestável com 50% de pulso, dado pela fórmula:

f = 1 / ( 1,4 * C4 * R11 ); (eq. 3.4) [17]

A saída do LMC555 é ligado a um transistor Q3, ligado em série com o LED transmissor e

uma resistência de 180Ω. Este garante uma corrente de aproximadamente 50mA, necessária para

a distância que os raios devem percorrer até o receptor.[12]

24

O LED transmissor de raios infravermelhos usado é o TSAL6200, produzido pela Vishay.

Este apresenta 5mm de diâmetro, transmite para receptores que formam um ângulo de até 17° e

tem transmissão na faixa de 940nm de comprimento de onda. Como mostra a figura 3.11[12]

Figura 3.11 – Gráficos de Potência radiada por comprimento de onda e intensidade por ângulo de transmissão

Estas relações estão diretamente relacionadas com as características necessárias para o

funcionamento do transmissor e receptor do detector de posição, pois também é a posição na

qual estes circuitos devem estar alinhados.

25

3.2 Receptor

Nos primeiros testes realizados com o receptor, ele era constituído por um modulo receptor

calibrado para receber a freqüência do sinal enviado pelo transmissor e um filtro passa-baixa que

era acionado para avaliar a condição da bateria, mas após testes realizados em laboratório e no

torno mecânico, notou-se a presença de ruído, originados de lâmpadas fluorescentes presentes

no laboratório e dentro do torno. No laboratório, ao se ligar a luz ficava constatado a presença de

um sinal que era compatível com o modulo receptor, não ocorrendo quando a luz era mantida

acesa ou ligada, esta interferência é de até 0,8ms, a figura 3.12 traz uma das medidas de

interferência de 0,5ms.

Figura 3.12 – Gráfico de interferência da luz fluorescente

A onda 1(abaixo na figura) mostra a freqüência detectada ao acender a luz fluorescente,

tem-se uma interferência de raios na faixa de freqüência do módulo durante o período de 0,5ms.

Para amenizar o ruído luminoso deixou-se de lado a transmissão com baixo tempo de latência e

verificou-se que o tempo de 1ms é satisfatório para a transmissão ser considerada verdadeira e o

programa que controla o torno possa fazer as contas para verificar a quantidade de matéria

usinada em uma peça.

26

E assim como feito para avaliação do nível de bateria foi feito um filtro passa-baixa para

verificar a validade da detecção.

O receptor é formado por um detector de raios infravermelhos, que muda de tensão por

todo o período em que há transmissão, duas saídas fotoacopladas e alimentação externa. A

principal informação de saída é a detecção, que aciona um computador e um segundo sinal que

com a duração da transmissão informa este computador a condição da bateria. O computador dos

testes é o controle do torno. O diagrama de blocos do receptor é mostrado na figura 3.13.

Figura 3.13 – Diagrama de blocos do receptor

O bloco detector de raios infravermelhos é o módulo receptor TSOP1240, um fotodetector

calibrado com uma freqüência de 40kHz[13], é um modelo de módulo receptor, que apresenta em

seu encapsulamento além de um fotodetector, a presença de circuitos que garantem uma boa

detecção dos raios transmitidos e consegue amenizar os efeitos de ruídos luminosos. Este módulo

apresenta um encapsulamento que atua como um filtro de luz, detectando apenas raios

infravermelhos, que além de transmitidos pelo IRED, que também são encontrados em diversos

espectros de luz artificial, sendo esta outra fonte de ruídos. A figura 3.14 traz o diagrama de

blocos deste CI.[13]

27

Figura 3.14 – Diagrama de blocos do TSOP1240[13]

Para amenizar que ondas infravermelhas de fontes luminosas externas atuem no circuito,

estes operam apenas com uma freqüência de transmissão, conforme definido pelo fabricante, e

fazem o controle da variação do ambiente através de um AGC, que redefine seu nível CC através

das mudanças de nível de luz. Apresentam um sistema de demodulação seguido de um emissor

comum para a amplificação do sinal transmitido. Existem outros módulos desta mesma família

com outra frequencia central no filtro interno, modelos entre 38 e 50Khz podem ser encontrados.

[13]

O pino 2 do receptor é ligado com com um resistor de 100Ω e um capacitor de 10uF, em

forma de um filtro passa baixa, conforme recomendação do fabricante.[13] O saída do módulo é

ligado a uma porta inversora, o SINAL_MODULO tem tensão de 5V no caso de transmissão de

raios infravermelhos e 0 sem transmissão. O bloco é visto na figura 3.15.

Figura 3.15 – Bloco detector de raios infravermelhos

O bloco de decisão é formado por filtros passa-baixas, um para validação de detecção e

outro para nível de bateria, ambos são ligados ao detector de raios infravermelhos, e após o

28

período definido pela constante de cada filtro, envia um sinal para o bloco de saída. O sinal

FILTRO_RUIDO é 0 quando o sinal é validado e de 5V quando não há transmissão. O tempo da

constante do filtro passa-banda é de 1,2ms. O SINAL_LOWBAT é 0 quando a transmissão durar

por um período maior do que a constante de tempo e 5 quando a transmissão dura por um

período menor. Os circuitos de decisão são mostrados na figura 3.16

Figura 3.16 – Blocos de decisão – nível de bateria

O bloco de saída é formado por duas saídas fotoacopladas, que recebem o sinal gerado

no bloco de decisão. O FILTRO_RUIDO (detecção) chega ao clock do Flip-Flop, que utiliza sua

porta S (set) em nível '0', isto é conectado ao GND, com a presença de nível '1' no RESET,

garante-se que o circuito apresente em sua saída Q o nível lógico '0' ao se ligar o aparelho, já que

o pino de RESET deste CI, garante nível '0' na saída com a presença de tensão (nível '1')[14].

O sinal de entrada D encontra-se conectado ao VCC, em nível '1', para que a subida de

clock (FILTRO_RUIDO), gere na saída Q um nível lógico '1', o tempo em que a saída D deste CI

fica em 5V é de 220ms conforme a constante de tempo do filtro passa-alta ligado ao pino R do CI.

Por este período ativa-se o fotoacoplador SFH6156, que é ligado a um resistor de 680Ω,

gerando uma corrente de 5mA no bloco de entrada e uma corrente de 20mA na saída, necessária

para acionar a entrada do CLP do torno nos testes realizados. O diodo é usado para que a saída

possa ir de VCC para 0 ou de 0 para VCC, conforme equipamento que é acoplado a saída. A

figura 3.17 mostra o circuito de saída.

29

Figura 3.17 – Bloco de saída – sinal de detecção

O SINAL_LOWBAT é de 5V se o tempo de transmissão é maior que 3,3ms e ativa o pino D

do Flip-Flop, que é passado ao fotoacoplador. O sinal de nível de bateria fica ativado até que o

nível de bateria seja acima de 10,5V, sendo que o sinal fotoacoplado é igual ao do sinal de

detecção.

A saída fotoacoplada tem o circuito de entrada isolado em relação a saída, e assim a

escolha do CI, foi feita a partir das características de tempo de funcionamento e corrente de saída,

a figura 3.18 mostra a configuração dos pinos deste CI. O circuito integrado escolhido para a

implementação das saídas fotoacopladas foi o SFH6156, que apresenta as seguinte

características:[15]

Tensão de isolação de 5300 Vrms;

Alta relação de transferência de corrente (CTR), no mínimo 200%;

mudança de estado rápida o suficiente para ter interferência quase nula no tempo de

transmissão, variando entre 2 e 3 μs.

Figura 3.18 – Pinos do SFH6156 [15]

A entrada do CI, recebe uma corrente de 10mA, sendo que esta polarização faz com que a

corrente no transistor de saída seja de 20mA, necessárias para acionamento de CLP´s.[15]

30

4. ResultadosOs testes foram realizados em laboratório e os protótipos construídos em protoboard estão

demonstrados nas figuras 4.1 (transmissor) e 4.2 (receptor)

Figura 4.1 – Protótipo do transmissor

Figura 4.2 – Protótipo do receptor

Após a implementação dos circuitos estes foram testados em laboratório e em um torno

mecanico. O gráfico da figura 4.3 traz o tempo entre o tempo de detecção, e o acionamento dos

circuitos do transmissor, sinal de DISPARO presente no circuito do transmissor (vide figura 3.12).

31

Em que o circuito de controle ativa os outros blocos que compõem o transmissor.

Figura 4.3 – Sinal de tensão do sensor e Sinal de Disparo dos circuitos

O tempo entre a chegada do sinal de detecção vindo do sensor e o de detecção é de 8μs,

sendo irrelevante no cálculo do tempo de transmissão final.

A figura 4.4 traz o gráfico do tempo para que os pulsos gerados pelo LMC555 estabilize, o

tempo detectado pelo osciloscópio foi de 20μs, como visto na figura 4.2. (onda quadrada)

32

Figura 4.4 – Frequencia de transmissão

O tempo para que o LED transmissor transmita os pulsos de 40kHz, ocorre 40μs após o

sinal de disparo e 10μs após gerado o pulso no LMC555.

O sinal de detecção é transmitido por um período dependente do nível de bateria, sendo

de 2,2 ms quando a bateria está boa e 4,4ms quando está abaixo do nível necessário. O tempo

de transmissão é menor com a bateria em condições normais para que haja economia de energia

da bateria, transmitindo por um maior período por poucas oportunidades. A simulação dos tempos

de transmissão estão demonstradas na figura 4.5 (bateria normal) e figura 4.6 (bateria fraca)

33

Figura 4.5 – Transmissão de detecção com bateria normal

Figura 4.6 – Transmissão com bateria baixa

34

0 1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

Tempo de detecção(ms)

Tens

ão n

o fil

tro(V

)

0 1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

Tempo de detecção(ms)

Tens

ão n

o fil

tro(V

)

O tempo em que o dispositivo leva para transmitir a informação de detecção ao CLP do

torno é de 1,1ms como visto na figura 4.7.

Figura 4.7 – Tempo total transmissão

O tempo de transmissão entre a detecção e saída fotoacoplada é de 1,1ms referente ao

filtro passa-baixa instalado no receptor para evitar interferências causadas por fontes luminosas,

por isso não conseguiu-se uma transmissão de micro segundos como desejado no começo do

projeto.

O sinal fica ligado por um período de 144ms, que corresponde a uma largura de pulso bem

maior do que a mínima largura de pulso na entrada dos CLPs que pesquisamos (necessitavam

cerca de 500us). O período em que a saída fica ativada é mostrada na figura 4.8

35

Figura 4.8 – Tempo de proteção para a saída conectada ao CLP

O único objetivo não alcançado foi quanto a transmissão com baixo tempo de latência, na

ordem de centenas μs, pois houve a interferência de fontes luminosos, tendo assim a criação de

filtro para que este fosse eliminado, o tempo para a validação da detecção é responsável pelo

período entre o contato do sensor e o sinal da saída de detecção.

Com base nos dados do datasheet da bateria 12V A23 da Duracell, fez o cálculo da

quantidade de detecções que este dispositivo pode realizar. O maior gasto de bateria ocorre no

momento em que o LED transmissor é acionado, sendo que a corrente que o ativa é de 90mA.

Com uma transmissão contínua de um sinal, a bateria duraria 5 minutos aproximadamente. Então

o circuito pode ser acionado aproximadamente 10000 vezes, antes de o nível a bateria ficar

abaixo do limite esperado, levando em consideração o gasto realizado no momento em que o

circuito aguarda o contato.[9]

Os testes apresentam tempos de detecção idênticos aos demonstrados acima,

possibilitando um erro de medida de centésimos de milímetros no decorrer das medidas.

36

5. Extensões futuras

Algumas sugestões para desenvolvimentos futuros:

Um conjunto de 3 detectores de posição pode ser usado para controlar um sistema de 3

dimensões como braços robóticos, sendo cada um calibrado com uma freqüência diferente, evita-

se interferência. O uso de um microcontrolador pode ampliar as funções do receptor, gerando um

sinal que poderia substituir um CLP.

O uso de dois transmissores do dispositivo de detecção de posição, pode gerar um

sistema que detecte a posição indicada e ainda informe com o deslocamento em outro eixo

posições numa superfície que apresentam defeitos, com um ponto em um nível menor do que o

outro.

Transmissão full-duplex, para que o transmissor tenha certeza que o receptor recebeu o

sinal.

6. Conclusões

Dado o crescente aumento no interesse por técnicas de automatização de empresas e aos

estudos voltados à qualidade e condicionamento de sensoreamento de objetos, acredita-se que

este trabalho possa contribuir no que diz respeito aos aspectos característicos de algumas

técnicas digitais e aplicações industriais.

A aplicação de sistemas de sensoreamento remoto é um setor com grande espaço para

crescimento e aplicações rentáveis podem ser aplicados em conjunto com máquinas em geral,

como tornos mecânicos, esteiras industriais e robôs.

A implementação de um sistema simples de transmissão de raios infravermelhos acoplado

a um sensor é uma solução barata e eficaz para a realização de sensoriamento de certas

atividades industriais. Sendo uma forma de transmissão segura e com um tempo de resolução na

ordem de 1ms.

O uso deste sistema em um torno mecânico em conjunto com um software de controle teve

seus resultados próximos aos realizados em laboratório. Para a aplicação em um torno mecânico

usou-se um sensor de contato que possibilitava a detecção da posição em que a peça se

apresentava em relação ao eixo de deslocamento de seu probe, em uma aplicação em esteiras

industriais, poderia ser utilizado este sistema de detecção de posição, para verificação da

passagem de peças, com a utilização de um sensor apropriado. Em geral a aplicação teve os

objetivos alcançados com a aplicação para certos sistemas mecânicos.

37

7. Referências Bibliográficas

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Produtos Na Área Industrial Poços de Caldas: Induscan 2008. Disponível em:

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