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Frequencmetro digital com a utilizaode microcontrolador PIC

Ivair TeixeiraGraduado em Cincia da Computao - FAVProfessor das Faculdades de Valinhose-mail: ivairt@yahoo.com.br

Janaine Cristiane de Souza ArantesMestre em Cincia da Computao - UFSCarCoordenadora do curso de Cincia da Computao das Faculdades de Valinhose-mail: janaine.arantes@unianhanguera.edu.br

Jeancarlo MacedoGraduado em Cincia da Computao - FAVProfessor das Faculdades de Valinhose-mail: jean.toko@gmail.com

Resumo

A eletrnica digital evoluiu rapidamente nos ltimos anos. Essa evoluo foi alavancada com o surgimento dosmicrocontroladores, que possibilitou a criao de novos e modernos equipamentos. Esses dispositivos esto cada vez maispresentes no cotidiano das pessoas e podem ser encontrados nas mais diversas aplicaes, desde simples brinquedos atsistemas avanados de segurana. O objetivo deste trabalho consiste na implementao de um frequencmetro digital de baixocusto, porttil e fcil programao. Esse frequencmetro foi desenvolvido com a utilizao de um microcontrolador PIC (PeriferalInterface Controller), um dos modelos que mais se destaca atualmente, devido facilidade de aquisio, relao custo/benefcioe ampla literatura. Para a sua implementao, foi realizada uma anlise comparativa entre dois frequencmetros j implementados,um com base em hardware e o outro voltado para software. Esse equipamento contempla no somente as vantagens dosfrequencmetros analisados, mas tambm agrega novas funcionalidades. A montagem voltada para software mostrou ser umasoluo simples e vivel. Com um nmero diminuto de componentes e ligaes foi possvel criar um equipamento de baixo custo,tima estabilidade e consumo irrisrio de energia devido interface de visualizao da frequncia em LCD (Liquid CrystalDisplay).

Palavras-chave: frequencmetro, microcontroladores, PIC, LCD.

Introduo

Atualmente, tem ocorrido uma grande evoluona rea da eletrnica digital. Os microcontroladoressurgiram para alavancar essa evoluo e cada vez maispessoas tm acesso a essa tecnologia, seja como usurioou desenvolvedor.

Os microcontroladores j fazem parte do cotidianodas pessoas e podem ser encontrados em brinquedos,fornos de microondas, mquinas de venda automtica,telefones, celulares, dentre outros equipamentos.

Uma infinidade de aplicaes com diversos graus

de complexidade pode ser elaborada commicrocontroladores. O objetivo deste trabalho consistena implementao de um frequencmetro digital compoucos componentes externos, baixo custo e consumoreduzido de energia.

Para a implementao desse frequencmetro,realizou-se uma anlise comparativa com doisfrequencmetros j desenvolvidos, um com base emhardware e o outro voltado para software. Essa anlisepermitiu o levantamento dos pontos positivos e negativosde cada um deles. Dessa forma, subsdios foram obtidospara a criao de um frequencmetro simples, capaz de

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expandir as vantagens encontradas nos frequencmetrosanalisados, bem como permitir a insero de novasfuncionalidades.

Dentre os vrios fabricantes e modelos existentes,optou-se pela utilizao do microcontroladorPIC16F628 da Microchip Inc, por ser um componentede baixo custo, fcil aquisio e com caractersticas quesuperam as necessidades do projeto proposto.

Este artigo est organizado da seguinte maneira.A seo 2 faz uma breve reviso da literatura, que exploradois tipos de frequencmetros: um com base emhardware e o outro voltado para software. A seo 3descreve o PIC, com nfase na sua estrutura interna. Aseo 4 mostra a metodologia empregada na montageme desenvolvimento do frequencmetro digital. A seo 5apresenta os resultados obtidos neste trabalho. Por fim,a seo 6 relata as concluses, bem como propostas detrabalhos futuros.

Reviso de Literatura

Um frequencmetro um instrumento de bancadade grande utilidade que capta uma oscilao, ou umasequncia de pulsos, e exibe a sua frequncia. Elesimplesmente acumula a quantidade de alternncias entreum valor de tenso positivo e negativo durante umsegundo e apresenta esse nmero em uma interface devisualizao.

Para entender melhor o funcionamento de umfrequencmetro indispensvel conhecer o conceito deonda mecnica / eletromagntica.

Onda Mecnica / Eletromagntica

Existem as frequncias que podem ser ouvidascomo o som, e existem as que podem ser vistas, como aluz. O frequencmetro proposto neste trabalho utilizabaixas frequncias, conhecidas como udio. Porm, paratodo o espectro de frequncias1 aplica-se a mesmadefinio de onda, seja ela mecnica ou eletromagntica.

O tipo mais simples de frequncia o sinalperidico, no qual um padro se repete ao longo dotempo. Um exemplo de sinal peridico a onda senoidal(STALLINGS, 2005). Uma onda pode ser definidacomo um pulso energtico que se propaga atravs doespao ou de um meio.

Na Figura 1, so exibidas algumas variveisutilizadas para descrever uma onda, tais como:comprimento () definido pela distncia entre dois pontosde mximos, amplitude (A) dada pela medida escalarda magnitude de oscilao e perodo (T) que representa

o tempo de um ciclo completo da oscilao.

Uma outra varivel de igual importncia afrequncia, utilizada para indicar a repetio de qualquerfenmeno ou evento em um determinado tempo. Aunidade de medida da frequncia o Hertz (Hz), emhonra ao fsico alemo Heinrich Rudolf Hertz(TANEMBAUM, 2003). Portanto, a frequncia expressa em Hz e representa o nmero de oscilaesem um segundo. Conforme pode ser observada na Figura2, essa oscilao assume valores de tenso positivos enegativos em um determinado intervalo de tempo, nestecaso um segundo.

Com o intuito de facilitar o entendimento do texto,a parte superior da onda representa uma tenso positiva,denominada como nvel 1, enquanto a parte inferiorindica uma tenso negativa, chamada de nvel 0. Aalternncia desses nveis de tenso designada comotransio de nvel.

Essa caracterstica de alternar a tenso pode serfacilmente detectada por uma porta de entrada domicrocontrolador ou de um circuito integrado contadore convertida no nmero de oscilaes que ocorreramem um segundo.

Hardware versus Software

Existem basicamente duas maneiras de

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implementar um frequencmetro: uma montagem combase tipicamente em hardware, que emprega circuitosintegrados e displays comuns, e uma montagem voltadapara software com a utilizao de um microcontrolador.

Frequencmetros Digitais

Atualmente, existem vrias implementaes defrequencmetros, com diversos graus de complexidade.Dentre eles, podem-se citar: Frequencmetro/Contadorde 7 Dgitos com a utilizao de microcontrolador(PEREIRA, 2002), Frequencmetro Digital com autilizao de circuitos integrados discretos(TOBALDINI, 2006).

Frequencmetro/Contador de 7 Dgitos com aUtilizao de Microcontrolador

O trabalho de Pereira (2002) apresenta umfrequencmetro/contador digital de 7 dgitos que medefrequncias de at 40 Mhz e conta pulsos ou eventosat 9.999.999. Neste projeto, so utilizados apenas ummicrocontrolador PIC16F627 e os 7 displays do tipocatodo comum.

O funcionamento bem simples, ou seja, o sinal aser medido aplicado entrada de clock externo doTimer 12. Isso faz com que ele conte a quantidade depulsos externos.

A contagem do Timer 1 inicializada em 55536 ea cada estouro da sua contagem (10000 contagens), avarivel FT4 incrementada. Essa varivel zeradaquando o seu valor for igual a 10 e a varivel FT5 incrementada. Novamente, a varivel FT5 zeradaquando o seu valor for igual a 10 e a varivel FT6 incrementada. Se o valor de FT6 for igual a 10, o Timer1 reiniciado na sua contagem inicial (55536 decimal) etodas as variveis de contagem so zeradas.

Como frequencmetro, a contagem totalizada acada segundo, todos os displays recebem o valor dacontagem atual e os contadores so reiniciados do zeropara uma nova medio. J como contador de eventos,a contagem nunca zerada e o valor mostrado no displayindica a quantidade de pulsos recebidos desde aexecuo do ltimo reset no sistema.

Frequencmetro Digital com a Utilizao deCircuitos Integrados Discretos

O trabalho de Tobaldini (2006) mostra umfrequencmetro digital montado em uma placa deprottipos, para facilitar o seu uso e a diminuio no

tamanho das ligaes entre as pastilhas.A montagem do frequencmetro em uma placa de

prottipos apresentada na Figura 3, que visualmenteest dividida em 5 mdulos: (A) memorizao e exibiodos contadores, (B) contagem do sinal de entrada, (C)seleo da diviso utilizada para o sinal e divisores defrequncia, (D) mquina de estados e (E) relgio damquina de estados.

Trs contadores decimais de 4 bits (74160)ligados em srie so utilizados para efetuar a contagemde 0 at 999. Esse valor transferido diretamente paraum decodificador BCD-Sete-Segmentos para aexibio.

Uma mquina de estados feita com contadorhexadecimal de 4 bits fornece os sinais externos para ahabilitao da contagem, o reset dos contadores e oclock.

Microcontrolador versus Microprocessador

Segundo Teixeira (2005), um microcontroladorpossui diversos perifricos em um mesmo chip, taiscomo: memrias de programa e de dados, geradores declock, portas de entrada e sada, dentre outros. J ummicroprocessador, apesar de possuir uma capacidadede processamento superior, necessita desses perifricosexternamente.

Atualmente, existem vrios fabricantes demicrocontroladores. So eles: Atmel, Fujitsu, Intel,Microchip Inc, National Semiconductor, TexasInstruments, Philips Semiconductors, Motorola, dentreoutros.

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Microcontrolador PIC

Segundo Souza (2003), o microcontrolador PICpode ser definido como um componente eletrnico quepossui uma memria interna, na qual pode ser gravadauma seqncia de instrues ou comandos estruturadosna forma de um programa.

Esse componente pode ser programado emlinguagens de alto nvel, como, por exemplo, C, Basic,Pascal, e at mesmo em uma linguagem mnemnicacomo o Assembly. Um programa para PIC recebe onome de firmware e transferido do microcomputadorpara a memria do dispositivo atravs de um hardwarede gravao.

Estrutura Interna do PIC

Teixeira (2005) descreve em seu trabalho que oPIC possui todos os componentes necessrios parautilizao em sua estrutura interna. Em um nico chipengloba memria flash para o armazenamento deprograma, memria voltil para os dados em tempo deexecuo, memria no-voltil para a persistncia dedados, portas de entrada e sada, contadores, watchdog,conversor analgico-digital, comunicao serial emhardware. Todas essas caractersticas fazem do PIC umcomponente independente.

Materiais e Mtodos

Esta seo descreve a implementao de umfrequencmetro de udio de baixo custo e tima precisocom pouqussimos componentes externos.

Ambos os projetos descritos na seo 2, utilizamo display de 7 segmentos como interface de visualizaoda frequncia medida. Isso incide em dois problemas,que so: o alto consumo de energia e a dificuldade deimplementao da placa de circuito impresso3, devidoao elevado nmero de ligaes.

importante ressaltar que a dificuldade dedesenvolvimento da placa de circuito impresso diretamente proporcional ao nmero de componentesutilizados.

O trabalho proposto apresenta uma soluo paraos problemas mencionados anteriormente, atravs daimplementao do mesmo tipo de equipamento com autilizao de um microcontrolador PIC e um displayLCD.

Frequencmetro Digital com Display de LCD

Esse frequencmetro foi desenvolvido com autilizao de um microcontrolador PIC, no qual ofirmware cuida do processo de contagem dos pulsos,sem a necessidade de vrios circuitos integradoscontadores e decodificadores. Uma das vantagens dautilizao de microcontroladores a facilidade decomunicao com LCD, que uma interface eficientee econmica para a exibio da frequncia.

O microcontrolador escolhido foi o PIC16F628da Microchip Inc, um componente de baixo custo, fcilaquisio e com caractersticas que superam asnecessidades do projeto proposto neste trabalho. Porm,uma caracterstica marcante desse fabricante aportabilidade, que permite migrar o cdigo facilmentepara os diversos modelos existentes.

As conexes de entrada e sada desse PIC sodisponibilizadas por dois conjuntos de oito portas,denominados porta e portb. Cada port pode seracessado individualmente, utilizando-se a sintaxenome_do_port, pino, por exemplo, portb, 3. Nessaimplementao, o portb utilizado para a comunicaocom o LCD na exibio da frequncia (MICROCHIP,2007). A entrada de frequncia ocorre por um dos pinosdo porta, mais especificamente, o porta, 5, que apartir de agora ser referenciado simplesmente comopino de entrada.

Quando o componente energizado, o programaentra em execuo e uma rotina apresenta no LCD afrase: FREQUENCMETRO DIGITAL. Aps essaapresentao, o LCD apagado e o frequencmetro entraem funcionamento apresentando a frequncia medida emcinco dgitos alinhados esquerda do mostrador. Cincovariveis (D1 a D5) foram criadas para armazenar afrequncia, que so incrementadas em cascata. Cadauma dessas variveis armazena um dos dgitos que seroapresentados no LCD.

O funcionamento bsico da contagem consiste emum algoritmo que permanece em lao na rotina principal,verificando se houve uma transio de nvel no pino deentrada. Na ocorrncia dessa transio, a varivel D1 incrementada e passa por um teste para verificar se atingiuo valor 10. Caso no tenha atingido esse valor, aexecuo retorna para a rotina principal aguardando umanova transio de nvel. Porm, se a varivel atingiu ovalor 10, ela iniciada com zero e a varivel D2 incrementada, e assim sucessivamente, acumulando acontagem nas cinco variveis. Na Figura 4a, mostradoum fluxograma da rotina principal do firmware.

A cada segundo, o valor acumulado nas variveis

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transferido para o LCD atualizando a exibio dafrequncia. Para obter o intervalo de atualizao do LCD explorado um poderoso recurso do PIC denominadointerrupo por transbordamento do Timer 1. OTimer 1 foi configurado para ser incrementadoautomaticamente pelo hardware a cada oitomicrossegundos, portanto, atinge sua mxima capacidadeem 524.280 microssegundos. Esse contador inicializado com o valor 24.280, forando umtransbordamento a cada 500.000 microssegundos.

Quando isso ocorre, gerada uma interrupono dispositivo. Essa ao pausa a execuo do cdigo,desviando-a para uma rotina de tratamento deinterrupo. Nessa rotina, existe uma lgica que a cadaduas interrupes (1.000.000 microssegundos) chamaa rotina que atualiza o LCD com o valor acumulado nasvariveis. Aps a atualizao as variveis so inicializadascom zero, o Timer 1 com 24.280 e a execuo retornapara a rotina principal. Essa sequncia exibida nofluxograma apresentado na Figura 4b.

O diagrama esquemtico do frequencmetro apresentado na Figura 5. Ele contm o PIC, o cristaloscilador, um LCD e dois resistores para o controle decontraste do LCD.

Resultados e Discusso

Foi realizada uma anlise comparativa entre doisfrequencmetros j desenvolvidos, um com base emhardware e o outro voltado para software, com o intuitode obter subsdios para o desenvolvimento de umfrequencmetro simples. Esse equipamento contempla nosomente as vantagens encontradas nos frequencmetrosanalisados, mas tambm agrega novas funcionalidades,tais como: base de tempo controlada por cristalpiezoeltrico e interface com LCD.

O frequencmetro proposto neste trabalho foiimplementado com a utilizao do microcontrolador PIC.Essa soluo apresenta diversas vantagens, que so:

- Simplicidade na elaborao e construo daplaca de circuito impresso, devido ao nmero diminutode componentes e ligaes.

- Facilidade de manuteno, uma vez que aquantidade de componentes passvel de apresentarproblema reduzida, consequentemente, a possibilidadede defeitos e falhas menor.

- Consumo irrisrio de energia, quandocomparado ao sistema com os displays de LEDs (LightEmitting Diode). A implementao em LCD podeconsumir at 150 vezes menos energia.

- Portabilidade, pois o equipamento pode seralimentado por pilhas comuns com garantia de grandedurabilidade.

- Expansibilidade, porque novas funcionalidadespodem ser agregadas ao equipamento, sem anecessidade de alteraes no hardware. Isso possvel,porque a contagem de pulsos realizada por software.

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Concluses

Este trabalho mostrou a viabilidade e as vantagensda implementao de um frequencmetro digital com autilizao de microcontrolador PIC. A utilizao dessetipo de dispositivo permite uma montagem compacta,eficiente e elegante.

A partir do estudo realizado sobremicrocontroladores, pde-se concluir que o PIC umdos tipos mais utilizados em aplicaes simples, devido relao custo/benefcio, facilidade de programao porutilizar apenas 35 instrues em Assembly e existnciade uma ampla literatura disponvel em livros e naInternet.

A montagem voltada para software mostrou seruma soluo bem mais simples quando comparada coma implementao por hardware. Com um nmerodiminuto de componentes e ligaes foi possvel criarum equipamento de baixo custo, com tima estabilidadee consumo irrisrio de energia devido interface porLCD, atendendo s funcionalidades desejadas.

Embora a soluo apresentada seja simples, vriostrabalhos futuros podem ser propostos, como porexemplo, a insero de novas funcionalidades ao sistema,sem a necessidade de modificaes no hardware. Taisfuncionalidades incluem relgio digital, cronmetro digital,contador de eventos, termmetro, letreiro digital,multmetro, capacmetro e vrias outras opes,simplesmente com a alterao no software.

Referncias Bibliogrficas

MICROCHIP. PIC16F627A/628A/648A Data Sheet.Disponvel em: . Acesso em: set. 2007.PEREIRA, F. Microcontroladores PIC: TcnicasAvanadas. So Paulo: rica, 2002.SOUZA, D. J. de. Desbravando o PIC. So Paulo: rica,2003.STALLINGS, W. Redes e Sistemas de Comunicaode Dados: Teoria e Aplicaes Corporativas. Rio deJaneiro: Elsevier, 2005.TANEMBAUM, A. S. Redes de Computadores. Rio deJaneiro: Campus, 2003.TEIXEIRA, I. CHATPIC: troca de mensagens entremicrocontroladores. Anurio da Produo de IniciaoCientifica Discente 2004. So Paulo, v.7, n.8, p. 110-118, 2005.TOBALDINI, R. G. Frequencmetro Digital. 2006.Relatrio Tcnico (Bacharelado em Cincias daComputao) - Centro Tecnolgico, UFSC, Florianpolis.Disponvel em: . Acesso em: set. 2007.

Notas

1 Diviso das faixas de frequncia, de acordo com assuas caractersticas.2 Timer 1 - contador de 16 bits (conta at 65.535).3 Placa para suporte dos componentes.

Recebido em 29 de setembro de 2007 e aprovado em27 de outubro de 2007.