UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE … · Monografia apresentada ao Departamento de...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

WALDEREZ DINIZ VIEIRA NETO

DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS

FORTALEZA 2016


SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS.

Monografia apresentada ao

Departamento de Engenharia Elétrica da

Universidade Federal do Ceará como

parte dos requisitos para a obtenção de

Graduação em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr - Ing. Tobias Rafael

Fernandes Neto

.

FORTALEZA 2016


SENSOR DE OBSTÁCULOS PARA DEFICIENTES VISUAIS.

Monografia apresentada ao curso de

Engenharia Elétrica do Departamento de

Engenharia Elétrica da Universidade

Federal do Ceará através, como requisito

para obtenção do título de Bacharel em

Engenharia Elétrica.

Aprovado em _____/_____/________.

________________________________________

Walderez Diniz Vieira Neto

BANCA EXAMINADORA

________________________________________

Prof. Tobias Rafael Fernandes Neto, Dr.–Ing.

Universidade Federal do Ceará (UFC)

_________________________________________

Prof. Paulo Peixoto Praça, Dr. Universidade Federal do Ceará (UFC)

_________________________________________

Prof. Kleymilson do Nascimento Souza, M.Sc. Universidade Federal do Ceará (UFC)

AGRADECIMENTOS

À minha família em especial e em primeiro lugar. Meus pais Gerson e Valéria

e minhas irmãs Bárbara e Géssica que proporcionaram minha caminhada possível com

amor, apoio, dedicação, esforço e perseverança. Agradeço a oportunidade única.

Aos meus colegas e amigos, que durante minha caminhada estavam ao meu

lado.

À todos os professores que contribuíram com a minha formação.

“Você tem que encontrar o que você ama!”

Steve Jobs

RESUMO

O desenvolvimento do sensor de obstáculos tem como objetivo proporcionar

maior referência espacial ao deficiente visual. Este sensor possibilita a indicação de

obstáculos como paredes, moveis, árvores, lixeiras e hastes de sinalização. O sensor emite

uma onda sonora ultrassônica de 42Khz e o tempo decorrente entre emissão e recepção

do sinal permite a indicação tanto do obstáculo como da distância do mesmo por meio de

uma cápsula piezoelétrica com atuação modulada. O atuador emite um estímulo sonoro e

vibratório. O sensor de obstáculos é composto por um circuito eletrônico compacto e leve

devido sua montagem com componentes Surface Mounting Devices (SMD), sendo o

microcontrolador responsável tanto por gerar o sinal que será transmitido através do

transdutor ultrassônico, como receber o sinal amplificado e, determinada a distância, faz

a modulação do sinal a ser aplicado no atuador piezoelétrico. O protótipo é um dispositivo

móvel com baterias de lítio acopladas a uma estrutura compacta que permite a utilização

desse dispositivo em uma das mãos ou fixo a bengala, auxiliando a locomoção das pessoas

com deficiência visual.

Palavra-chave: Bengala eletrônica, Sensor ultrassônico, Sensor para deficientes visuais.

ABSTRACT

The development of the obstacle sensor aims to provide further spatial

reference to the visually impaired. This sensor provides an indication of obstacles such

as walls, furniture, trees, trash cans and signs. The sensor emits an ultrasonic sound wave

with 42Khz and the time between signal transmission and reception allows both the

indication of the obstacle and the distance thereof by means of a piezoelectric capsule-

modulated actuation. The actuator provides an audible and vibratory stimulus. The

obstacle sensor consists of a compact, lightweight electronic circuit due to its assembly

with components Surface Mounting Devices (SMD), the microcontroller responsible both

for generating the signal to be transmitted through the ultrasonic transducer, such as

receiving the amplified signal and determined the distance, is the signal modulation to be

applied to the piezoelectric actuator. The prototype is a mobile device with lithium

batteries made in a compact structure that allows the use of this device in one hand or

fixed in a cane, assisting the mobility of people with visual impairment.

Keyword: electronic Bengal, ultrasonic sensor, Sensor for the visually impaired

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Resistores e capacitores ............................................................................................. 38

Tabela 2 – Outros componentes .................................................................................................. 38

Tabela 3 – Circuitos integrados ................................................................................................... 39

LISTA DE FIGURAS

Figura 1– Obstáculos ................................................................................................................... 12

Figura 2 – Bengala eletrônica (ultracane) ................................................................................... 13

Figura 3 – Sensor ultrassônico .................................................................................................... 15

Figura 4 – Transdutor ultrassônico. ............................................................................................. 16

Figura 5 – Microcontrolador PIC12F675 .................................................................................... 16

Figura 6 – Estrutura cristalina de um material piezoelétrico. ...................................................... 17

Figura 7 – Circuito de amplificação ............................................................................................ 19

Figura 8 – Primeiro estágio amplificação.................................................................................... 20

Figura 9 – Análise CA ................................................................................................................. 21

Figura 10 – Segundo estágio amplificação.................................................................................. 22

Figura 11 – Analise CA ............................................................................................................... 24

Figura 12 – Amplificador inversor .............................................................................................. 24

Figura 13 – LM393 ..................................................................................................................... 25

Figura 14 – Circuito do comparador ........................................................................................... 25

Figura 15 – Sinais de entrada do comparador ............................................................................. 26

Figura 16 – Circuito transmissor ................................................................................................. 27

Figura 17 – Tensão no transmissor ............................................................................................. 28

Figura 18 – Comando transmissor a 30cm .................................................................................. 29

Figura 19 – Comando transmissor para distâncias maiores que 30cm ........................................ 29

Figura 20 – Cápsula piezoelétrica ............................................................................................... 30

Figura 21 – Esquemático do sensor de obstáculos ...................................................................... 31

Figura 22 – Microcontrolador ..................................................................................................... 32

Figura 23 – Configuração das portas do CI ................................................................................. 32

Figura 24 – Circuito do microcontrolador ................................................................................... 33

Figura 25 –Taxa de verificação mínima ...................................................................................... 34

Figura 26 –Taxa máxima de verificação máxima ....................................................................... 34

Figura 27 – Fluxograma de operação simplificado ..................................................................... 35

Figura 28 – Circuito impresso(Altium) Face A ........................................................................... 36

Figura 29 – Circuito impresso(Altium) Face B ........................................................................... 37

Figura 30 – Circuito PCB do protótipo, face A ........................................................................... 37

Figura 31– Circuito PCB do protótipo, face B ............................................................................ 37

Figura 32 – Características do circuito impresso (Fabricante) .................................................... 38

Figura 33 – Formas de utilização do sensor ................................................................................ 39

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS

CA Corrente alternada

CC

Corrente contínua

CI Circuito integrado

PCI Placa de circuito impresso

SMD Surface Mounting Devices

SMT Surface Mounting technology

s Segundo

ms Milissegundo

Hz Hertz

m Metro cm Centímetro m/s Metro por segundo V Volt W Watts A Ampere

mA Miliampére

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 12

1.1. Objetivo geral ................................................................................................................. 13

2. CONCEITOS TEÓRICOS ................................................................................................... 15

2.1. Efeito piezoelétrico ......................................................................................................... 17

2.2. Princípio de funcionamento ........................................................................................... 17

2.3. Aplicações ........................................................................................................................ 18

3. AMPLIFICADOR ................................................................................................................. 19

3.1. Primeiro estágio de amplificação, circuito com polarização do estável emissor ...... 20

3.1.1. Analise CC primeiro estágio. ...................................................................................... 20

3.1.2. Analise CA primeiro estágio. ..................................................................................... 21

3.2. Segundo estágio de amplificação ................................................................................... 22

3.2.1. Análise CC segundo estágio. ...................................................................................... 22

3.2.2. Análise CA segundo estágio. ..................................................................................... 23

3.3. Terceiro estágio de amplificação ................................................................................... 24

3.4. Comparador .................................................................................................................... 25

4. TRANSMISSÃO ................................................................................................................... 27

4.1. Controle do circuito de transmissão ............................................................................. 28

4.2. Modulação dos atuadores .............................................................................................. 30

4.3. Utilização de cápsula piezoelétrica como atuador ....................................................... 30

4.4. Esquemático geral .......................................................................................................... 31

5. MICROCONTROLADOR ................................................................................................... 32

5.1. Fluxograma de funcionamento ..................................................................................... 35

5.2. Softwares utilizados ........................................................................................................ 35

5.3. Componentes eletrônicos ............................................................................................... 38

5.4. Formas de utilização ...................................................................................................... 39

6. CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 40

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 41

ANEXO A: Transistor BC846 .............................................................................................. 43

ANEXO B: Comparador LM393 ......................................................................................... 46

ANEXO C: Amplificador operacional LM741 ................................................................... 51

ANEXO D: Código MPLAB IDE ........................................................................................ 59

ANEXO E: Orçamento circuito impresso ........................................................................... 62

12

1. INTRODUÇÃO

A inclusão social é um dever que a sociedade tem com pessoas que

apresentam algum tipo de deficiência, proporcionando uma melhor qualidade de vida e

atenuação das suas dificuldades. No Brasil, segundo dados do Instituto Brasileiro de

Geografia e Estatística (IBGE, 2010), mais de 6,5 milhões de pessoas apresentam alguma

deficiência visual e desse total 528.624 são cegas (incapazes de enxergar) de acordo com

a Organização mundial de saúde (OMS, 2010) no mundo mais de 40 milhões de pessoas

são cegas e 135 milhões apresentam baixa visão. A OMS afirma que 80% dos casos de

cegueira poderiam ser evitados caso fossem realizados a prevenção e o tratamento.

A falta da visão coloca essas pessoas com deficiência visual em dificuldade

para realizar tarefas simples do dia-dia como alimentação, atravessar a rua, trocar de

roupa e se deslocar em locais desconhecidos. Os riscos de transitar nas cidades são

grandes, pois muitos projetos de acessibilidade não são implementados e com frequência

são encontradas calçadas irregulares, semáforo sem aviso sonoro, falta de piso tátil ou

mesmo a colocação de obstáculos no caminho tátil. Alguns dos obstáculos mais

frequentes encontrados estão expostos na figura 1.

Figura 1– Obstáculos

Fonte: Diversos

13

Dificuldades com obstáculos e reconhecimento de novas áreas é um dos

problemas enfrentados por deficientes visuais. A bengala é o principal utensílio para

verificação espacial, mas permite um reconhecimento de área muito limitado e seu raio

de verificação dificulta e retarda a caminhada. O sensor de obstáculos facilita essa tarefa

auxiliando a bengala e oferecendo mais uma referência durante a caminhada. O sensor

tem versatilidade na utilização, podendo ser utilizado fixo à bengala, pulso ou no braço.

Uma boa autonomia de uso devido ao baixo consumo de energia é outro fator positivo do

sensor de obstáculos, sendo utilizado por um longo período sem recarga. A verificação a

qualquer direção e ângulo e sua forma compacta permite determinar a distância das

paredes, moveis, placas de sinalização, lixeiras e pessoas. Essa referência possibilita uma

maior segurança e confiança durante o deslocamento do deficiente visual.

Os sensores eletrônicos existentes para essa aplicação, em grande parte, são

acoplados a uma bengala e sua região de verificação fica limitada a varredura do mesmo.

Um dos modelos está exposto na figura 2. Com objetivo de aumentar a versatilidade com

menor custo o dispositivo não é acoplado exclusivamente a uma bengala, mas permite

sua fixação através de um encaixe simples, permitindo assim ao usuário a escolha de onde

utilizar.

Figura 2 – Bengala eletrônica (ultracane)

Fonte: Ultracane

1.1. Objetivo geral

Desenvolvimento de um projeto voltado a acessibilidade de pessoas com

deficiência visual, tornando mais segura sua locomoção, auxiliando a bengala e cão guia.

4 m

0,8 m

4 m

1,6 m

2,1 m

14

Um protótipo compacto, baixo custo, e com boa autonomia de uso, permite assim uma

maior noção espacial facilitando o reconhecimento de novas áreas, objetos e pessoas no

caminho a ser percorrido.

15

2. CONCEITOS TEÓRICOS

O som é uma onda mecânica que se propaga a uma velocidade de 340 m/s

no ar. A distância do obstáculo é obtida através do tempo decorrido entre transmissão e

recepção. A onda sonora é refletida, conforme figura 3, e a distância é determinada através

da equação (1).

Figura 3 – Sensor ultrassônico

Fonte: Portal do arduino

A faixa de frequência sonora perceptível ao ouvido humano está entre as

frequências de 20Hz a 20kHz (Resnick, 2009), sons fora dessa faixa de frequência, por

exemplo ultrassônicos, sons acima de 20kHz, não são perceptíveis, logo a sua utilização

não provoca incomodo ao ouvido humano. A frequência de transmissão utilizada nesse

sensor é de 40kHz, pois está é a frequência padrão dos transdutores comerciais aplicados.

Transdutores são dispositivos que recebem uma determinada energia e

transformam em outro tipo de energia. Os transdutores ultrassônicos utilizados têm uma

faixa central, com maior ganho a uma frequência de 40kHz, conforme informado pelo

fabricante (Kobitone, 2006), o sensor utilizado é ilustrado na figura 4. O princípio desse

transdutor é o efeito piezoelétrico, uma vibração sonora provoca tensão elétrica, no caso

utilizado como receptor ultrassônico e uma variação de tensão provoca uma vibração

responsável por emitir o sinal de transmissão.

â /.

2

340.

2

( 1 )

16

Figura 4 – Transdutor ultrassônico.

Fonte: agelectronica

O amplificador é responsável por receber um sinal de pequena amplitude e

assim ampliar sua magnitude para uma determinada aplicação, podendo ser

implementado com transistores ou amplificadores operacionais. O sinal identificado no

transdutor ultrassônico de recepção tem que ser amplificado devido à sua pequena

amplitude, permitindo verificar o sinal que foi transmitido.

O microcontrolador ilustrado na figura 5 é um dispositivo que apresenta

processador, memória e periféricos. Podendo ser programado para atuar com uma função

específica. No sensor de obstáculos o microcontrolador é o responsável por emitir o sinal

de transmissão, verificação do tempo decorrido até a recepção do sinal e controlar o

atuador piezoelétrico.

Figura 5 – Microcontrolador PIC12F675

Fonte: Microchip

17

2.1. Efeito piezoelétrico

A palavra piezoelétrico vem do grego e significa “eletricidade por pressão”

(Margraf). Através de um estímulo elétrico é possível gerar um estímulo mecânico e o

inverso também é possível, e certos cristais apresentam essas características de interação

eletromecânica. Uma das características dos cristais piezoelétrico é sua estrutura

anisotrópica, não possuindo centro de simetria. São usados materiais como quartzo,

titanato de bário e PZT (titanato zirconato de chumbo). As aplicações desse efeito são

diversas como geração de som, detecção de som, sensores de pressão e nebulizadores.

Ilustrado na figura 6 temos um cristal de quartzo e a polarização do material piezoelétrico

diante da força aplicada sobre o mesmo.

Figura 6 – Estrutura cristalina de um material piezoelétrico.

Fonte: UFPR

2.2. Princípio de funcionamento

O circuito eletrônico foi desenvolvido para verificar obstáculos e suas

distâncias. A verificação é realizada por meio de dois transdutores ultrassônicos de 16mm

e 42kHz de frequência de atuação, um sendo responsável por emitir o sinal e outro por

receber, em seguida é contabilizado o tempo entre transmissão e recepção. Essa contagem

é realizada no microcontrolador com o incremento do registrador TMR1H. O transdutor

ultrassônico responsável por transmitir o sinal de verificação é comandado através do

microcontrolador que emite um sinal com 15 pulsos a uma frequência próxima a 40 kHz.

O transdutor responsável por receber o sinal está conectado com um amplificador que

18

apresenta três estágios de amplificação e um comparador que tem como funções o ajuste

de tensão e filtro contra ruído.

Para indicar os obstáculos o circuito conta com um atuador piezoelétrico que

emite som e vibração de acordo com seu sinal de controle. Essas diferenças de frequência

e largura no circuito de controle tem a função de oferecer uma indicação de obstáculos

por meio da cápsula piezoelétrica. O som emitido na transmissão 42kHz não é audível,

logo não gera conflito com o som emitido no atuador.

2.3. Aplicações

A utilização do sensor de obstáculos fixo no pulso, braço ou na bengala

permite uma versatilidade na utilização. Em conjunto com a bengala auxilia o usuário a

identificar obstáculos corriqueiros como postes, lixeiras e paredes. Permite também o

reconhecimento de novas áreas e localização de móveis.

Um problema comum em andar em casas e apartamentos é a presença de

alguns objetos fora do local ou mudança dos mesmos. Esse dispositivo auxilia o usuário

na locomoção neste novo ambiente até a memorização da configuração do local. Em

ambientes fechados saber qual a distância entre paredes laterais e frontais é interessante

durante a locomoção. A bengala permite apenas a verificação tátil a pequenas distâncias

numa área limitada ao alcance da bengala. O sensor possibilita uma maior área de

verificação com menor esforço físico. O objetivo não é substituir a verificação tátil da

bengala e sim auxiliar a locomoção com menor esforço.

19

3. AMPLIFICADOR

O amplificador no circuito tem como objetivo a amplificação do sinal captado

pelo transdutor ultrassônico de recepção, este possui pequena amplitude de tensão para

ser identificado, sendo necessário uma amplitude adequada para ser identificada pelo

microcontrolador. O circuito de amplificação apresenta 3 estágios, cada estágio com sua

configuração e característica. Este circuito de amplificação está integrado a um CI

comparador LM393 que permite um filtro contra ruídos para tensões inferiores a tensão

de referência do comparador e tensão adequada ao microcontrolador. A amplificação de

pequenos sinais envolve, uma análise CA e CC ambas são acopladas uma influenciando

sobre a outra. O circuito de amplificação, ilustrado na figura 7 é o responsável por

amplificar o sinal captado pelo transdutor e garantir que o sinal esteja condicionado para

o microcontrolador. Alguns obstáculos apresentam atenuação significativa do sinal

devido a pequenas áreas ou irregularidades, portanto o ganho do sinal deve ser suficiente

para amplificar essas atenuações do sinal sonoro.

A ligação Darlington é a associação de dois ou mais transistores tendo como

objetivo aumentar o ganho do circuito garantindo uma maior amplitude do sinal. Essa

conexão garante o ganho necessário ao correto funcionamento do amplificador nas piores

condições.

O cálculo dos parâmetros do amplificador permite a verificação das

características e uma análise prévia de seu funcionamento. A impedância de entrada,

impedância de saída e ganho de tensão são alguns desses parâmetros a serem calculados

e analisados para o desenvolvimento do projeto de um amplificador.

Figura 7 – Circuito de amplificação

Fonte: Próprio autor

20

3.1. Primeiro estágio de amplificação, circuito com polarização do estável emissor

A configuração apresentada na figura 8b com resistor no emissor aumenta a

estabilidade do amplificador (Boylestad, 2004). A colocação de um capacitor no emissor,

exposto na figura 8a permite a passagem de corrente do sinal CA gerado no transdutor de

recepção.

O transistor BC846B foi utilizado no circuito devido a suas dimensões

reduzidas, facilidade na sua compra e por ser um transistor NPN, portanto adequado à

aplicação. Ele possui corrente máxima do emissor de 100mA e corrente de base saturação

de 5mA. Os limites de operação impostos pelo fabricante não devem ser ultrapassados,

pois podem causar a danos ao semicondutor.

Figura 8 – Primeiro estágio amplificação.

a) Fonte: Próprio autor b) Fonte: Boylestad.

3.1.1. Analise CC primeiro estágio.

O ganho do transistor com a associação dos transistores (conexão

Darlington) é o produto dos ganhos dos respectivos transistores, portanto β1.β2=βtotal.

O transistor apresenta ganho mínimo segundo o fabricante de BC846B deβ=110, logo

21

um ganho final de βtotal=12100. São importantes na análise CC do amplificador o cálculo

da corrente de base no transistor na equação (2) e corrente no emissor equação (3).

Variáveis utilizadas nas equações abaixo:

Vcc - Tensão fonte (2s) Vbe- Tensão base e emissor Rb - Resistor de base Re - Resistor emissor Rc - Tensão coletor β - Ganho transistor Ib - Corrente de base ZI - Impedância de entrada Zo - Impedância de saída Av - Ganho de tensão ro - Resistencia

3.1.2. Analise CA primeiro estágio.

A análise CA é iniciada retirando os efeitos da tensão CC e substituindo os

capacitores em altas frequências e portanto uma baixa impedância, logo considerando um

curto-circuito. O modelo de análise CA é apresentado na figura 9. Essa análise verifica

apenas o sinal CA que se pretende amplificar. Através das equações (4) e (5) obtemos a

impedância de entrada e a equação (6) a impedância de saída do amplificador. O ganho

de tensão é obtido através da equação (7).

Figura 9 – Análise CA

Fonte: Boylestad

Ib Vcc − Vbe

!" + β + 1. Re

7,8 − 0,7

2,2.10) + 12100 + 1. 220.10) 2,67nA

( 2)

Ie β + 1. -" 12100.2,67.10./ 32,3μ1

( 3)

re

22

3.2. Segundo estágio de amplificação

O amplificador com polarização por divisor de tensão tem como principal

vantagem em relação a outras configurações um amplificador menos dependente do

ganho, pois o mesmo pode variar com a temperatura e diferentes lotes do fabricante. A

figura 10 apresenta o circuito de amplificação com polarização por divisor de tensão.

Figura 10 – Segundo estágio amplificação

Fonte: Próprio autor (a) Fonte: Boylestad(b).

3.2.1. Análise CC segundo estágio.

A análise CC do amplificador por divisão de tensão envolve uma quantidade

maior de cálculos, pois é preciso considerar a tensão (Vth) e resistência (Rth) equivalentes

2 26.10.)

-

26.10.)

32,3.10.3 804Ω

( 4 )

ZI RB//β. re RB. β. re

RB + β. re

2,2.10). 10). 804

2,2.10) + 12100.804 2199Ω

( 5 )

Considerando ro>>Rc, Zo RC=10 kΩ

( 6 )

1; −!<

2

10.10)

804 −12,43

( 7 )

23

na base do transistor. A tensão na base do transistor é obtida na equação (8) e a resistência

equivalente obtida na equação (9).

A corrente de base, equação (10), é um dos principais valores a ser calculado

e utiliza como variáveis a tensão e resistência equivalentes Vth e Rth, em seguida

determina a corrente do emissor conforme a equação (11). Os valores calculados na

análise CC em seguida são utilizados para análise CA do amplificador

3.2.2. Análise CA segundo estágio.

O circuito para análise CA é ilustrado na figura 11 (Boylestad,2004). A

determinação do ganho de tensão é apresentada na equação (15) e obtida através de

simplificações. O cálculo da impedância de entrada e saída é detalhado nas equações (13)

e (14).

ℎ !2

!1 + !2. <<

10.10)

10) + 47.10). 4 0,833

( 8 )

!ℎ !1. !2

!1 + !2

10.10). 47.10)

10) + 47.10) 9791,6Ω

( 9 )

Ib Vth − Vbe

!ℎ + β + 1. Re

0,833 − 0,7

9791,6 + 12100.2,2.10) 5nA

( 10 )

Ie β + 1. -" 12100.5.10./ 60,5μ1

( 11 )

2 26.10.)

-

26.10.)

60,5.10.3 429,75Ω

( 12 )

Zi R1//R2//β. rπ

( 13 )

Considerando ro>>Rc, Zo RC

( 14 )

Av −Vo

−

!

2D −

2200

429,75 −5,11

( 15 )

24

Figura 11 – Analise CA

Fonte: Boylestad

3.3. Terceiro estágio de amplificação

Os amplificadores são muito utilizados por sua facilidade de implementação

e sua alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Suas aplicações são

diversas como controle de sistemas, filtragem, amplificação, operações lineares e não

lineares(Boylestad, 2004). Nesse estágio foi utilizado um amplificador operacional

LM741 com configuração inversora conforme a figura 12. O ganho de tensão do

amplificador é obtido nas equações (16) e (17). Como a diferença de tensão entre os

terminais de entrada máxima não supera 30 V, pois a tensão máxima da fonte é de 8 V, a

proteção nos terminais de entrada pode ser dispensada.

Figura 12 – Amplificador inversor


E

FG 1 −

!1

!2

200.10)

100 −2000

( 16 )

E −!1

!2. FG

200.10)

1000. FG

( 17 )

Vin

Vout

25

3.4. Comparador

A utilização do comparador possibilita um filtro através do ajuste da tensão

de referência, interessante por tornar a saída do sinal amplificado nos estágios anteriores

mais estável e com menor ruído. O circuito integrado comparador LM393 ilustrado na

figura 13 apresenta sua saída binaria adequada para o microcontrolador, a figura 14

apresenta a configuração implementada no projeto. Para determinar a tensão de

referência utilizamos a equação (18).

Figura 13 – LM393

Fonte: learningaboutelectronics

Figura 14 – Circuito do comparador


V Ref

Vin

26

Variáveis utilizadas: Vcc -Tensão RF1-Resistor 15k RF2-Resistor 22k

O sinal de entrada Vin que apresentar tensão superior a 2,2 V, ou seja superior

a tensão de referência aplicada no comparador Vref, portanto a saída do comparador vai

para nível alto Vcc.

Os sinais verificados experimentalmente utilizando o osciloscópio são

apresentados na figura 15. Os sinais apresentados correspondem ao sinal de referência e

o sinal de recepção amplificado por três estágios de amplificação.

Figura 15 – Sinais de entrada do comparador


HIJ KK .!LM

!LN + !LM

3,7.22

22 + 15 2,2

( 18 )

Tensão

referência

Sinal do

amplificado

27

4. TRANSMISSÃO

A transmissão do sinal para verificação da distância é realizada através do

transdutor ultrassônico, sendo o circuito dedicado a transmissão, apresentado na figura

16, composto por um transistor BC846, resistores e o microcontrolador. A tensão

correspondente aos terminais do transdutor é ilustrada na figura 17 apresentando uma

frequência próximo a 40 kHz e ao final da transmissão é seguido de um ruído que pode

ser identificado através do transdutor de recepção, portanto não verificando um obstáculo,

mas apenas o ruído do sinal de transmissão devido ao amortecimento do sensor após o

envio do sinal. Esse problema é solucionado no software através de um loop de espera

realizado no microcontrolador para a verificação da leitura correta.

As especificações do fabricante devem ser seguidas para não ocorrer danos

aos resistores utilizados, sendo verificada nas equações (19) e (20).

Figura 16 – Circuito transmissor


Variáveis utilizadas: Vcc1-Tensão RT-Resistor 1k

28

O resistor !O suporta uma potência máxima de 1/8 W, portanto o resistor está

com dimensionamento adequando para a aplicação. Como esse resistor é o que apresenta

maior corrente, os outros semelhantes também atendem a potência exigida com uma boa

margem de segurança.

Figura 17 – Tensão no transmissor


4.1. Controle do circuito de transmissão

O sinal de transmissão apresenta um número de pulsos que possibilita a

recepção do sinal transmitido, nesse caso 15 pulsos foram utilizados como sinal de

transmissão. Como mostrado na figura 17 Após a transmissão é preciso um loop de espera

para garantir que o sinal de transmissão não interfira na identificação do sinal refletido.

A interrupção no microcontrolador é responsável por emitir o sinal de transmissão. Após

a transmissão o microcontrolador fica em espera do sinal transmitido, sendo incrementado

o registrador TMR1H do TIMER1 até o sinal do transdutor de recepção devidamente

amplificado ser identificado no microcontrolador, sendo o registrador TMR1H do

-PQ

RRN − RI

!O

8 − 0,7

1000 7,31

( 19 )

SPQ !O. -

M 1000.7,3M 0,053T

( 20 )

Ruído

29

microcontrolador responsável por determinar a largura do pulso no atuador piezoelétrico.

Com larguras diferentes produzem diferentes sons e vibrações, possibilitando diferenciar

distâncias distintas. Para uma maior taxa de verificação foi implementada uma variação

dessa taxa, após a verificação do sinal de recepção é executada a atuação sendo seguido

outro sinal de transmissão. As taxas de amostragens distintas podem ser verificadas nas

figuras 18 e 19.

Figura 18 – Comando transmissor a 30cm


Figura 19 – Comando transmissor para distâncias maiores que 30cm


Pulsos de transmissão

Pulsos de transmissão

30

4.2. Modulação dos atuadores

A modulação da largura dos pulsos somada a diferentes frequências indicam

ao usuário a distância de um determinado obstáculo. Utilizando um gerador de frequência,

foram realizados testes para verificar quais os melhores resultados nos atuadores, assim

as frequências entre 1Hz a 1000Hz apresentam uma indicação sonora e vibratória

interessante a aplicação. As frequências muito baixas foram descartadas por limitar a

taxa de amostragens por segundo. A cápsula piezoelétrica utilizada e sua configuração

construtiva estão ilustradas na figura 20. Os testes com cápsulas menores que 20 mm

apresentaram um estímulo muito discreto para a aplicação.

Figura 20 – Cápsula piezoelétrica

Fonte: sabereletronica

4.3. Utilização de cápsula piezoelétrica como atuador

Esse componente apresenta algumas vantagens em comparação com outras

formas de estímulo. Podemos citar como vantagens seu baixo custo, pequeno consumo

de energia, peso e formas mais compactas que outros atuadores. Essas características são

importantes para um dispositivo portátil e que utiliza como fonte de energia duas baterias

de 3,7 V, assim permite o aumento de autonomia com baixo custo. Uma proteção a

cápsula é necessária por não apresentar grande resistência mecânica.

31

4.4. Esquemático geral

O circuito geral apresentado na figura 21 foi dimensionado respeitando as

características de cada componente e o melhor desempenho para a aplicação. Composto

por amplificador, transdutores de transmissão e recepção, microcontrolador, atuador

piezoelétrico entre outros componentes.

Figura 21 – Esquemático do sensor de obstáculos


32

5. MICROCONTROLADOR

Esse componente é de grande utilidade na eletrônica por apresentar grande

versatilidade, baixo custo e implementação cada vez mais acessível. É composto por

memória, periféricos e pinos de entradas/saídas. Sua programação pode ser implementada

em diferentes linguagens e por diversos softwares de programação. Foi utilizada a

linguagem assembly por possibilitar uma maior autonomia sobre a programação. A figura

22 apresenta os componentes do microcontrolador que possibilitam sua versatilidade e a

figura 24 sua utilização no sensor de obstáculo. A figura 23 mostra a configuração dos

pinos do microcontrolador utilizado, o PIC12F675 da Microchip. O código em assembly

desenvolvido está no anexo D.

Figura 22 – Microcontrolador

Fonte: Antônio Sergio Sena

Figura 23 – Configuração das portas do CI

Fonte: Microchip

33

Figura 24 – Circuito do microcontrolador


A utilização do circuito integrado da Microchip PIC12F675 parte de algumas

vantagens como baixo custo, compacto, fácil acesso e com os recursos necessários. Em

anexo estão outras características importantes. A corrente máxima nas portas de saída é

de 25 mA, logo o cálculo da corrente máxima determinado na equação (21) é

indispensável.

Um recurso do microcontrolador utilizado foi a interrupção com TIMER1 que

conta com dois registradores de 8 bits o TMR1H e TMR1L. A interrupção é controlada

através do terminal T1G ou gate, que está conectado a saída do amplificador. A contagem

é incrementada enquanto o sinal gate está em nível baixo. Este recurso garante que o

circuito não fique no loop de espera indefinidamente. Com o “Estouro” do TIMER1 a

cada 60ms é direcionado para a função de interrupção que envia outros pulsos de

transmissão. O registrador TMR1H é o responsável pela largura do pulso no atuador,

portanto quanto maior o tempo, maior a largura do pulso de comando. A distância

equivalente a um estouro é 10,2 metros como está na equação (22), logo não ocorre risco

de uma transmissão anterior interferir na atual. A taxa mínima de verificação que é

quando não existe obstáculos a frente, portanto quando ocorre o “estouro” do timer1 é

-UVW RRM − XI

!

4 − 0,7

1000 3,31

( 21 )

34

mostrado na figura 26 e verificada na equação (23). A taxa máxima de verificação foi

obtida no osciloscópio como 918 amostras por segundo.

Figura 25 –Taxa de verificação mínima


Figura 26 –Taxa máxima de verificação máxima


â .

2

340.60.10.)

2 10,22

( 22 )

YZ 1

60 16[\

( 23 )

“Estouro” TIMER1

60ms

35

5.1. Fluxograma de funcionamento

O microcontrolador utiliza uma interrupção através do TIMER 1 garantindo

no “estouro”, o envio de outros pulsos de transmissão, assim a ausência de um obstáculo

não trava o funcionamento do sensor. A interrupção gera 15 pulsos no transdutor de

transmissão e em seguida retorna ao loop de espera, aguardando o som refletido pelo

obstáculo. O fluxograma de funcionamento é mostrado na figura 27.


5.2. Softwares utilizados

O desenvolvimento do projeto envolveu o conhecimento em eletrônica e

softwares específicos para cada etapa. A programação foi realizada através do software

do próprio fabricante do circuito integrado, o MPLAB IDE da Microchip, utilizando a

Figura 27 – Fluxograma de operação simplificada

36

linguagem em assembly, essa linguagem proporciona maior autonomia sobre a execução

do programa no microcontrolador, pois se aproxima mais das instruções executadas no

processador. O software utilizado para simulação do circuito foi o PROTEUS que

possibilita montar o circuito e verificar seu funcionamento. Outro software utilizado foi

o Altium, esse software é especifico para o desenvolvimento de circuitos impressos.

5.4. Placa de circuito impresso

O circuito foi projetado para a função especifica de detectar um obstáculo e

sua distância, indicando-o ao usuário. Outro objetivo é reduzir as dimensões do circuito

tanto quanto possível, por isso foi então desenvolvida uma placa de circuito impresso com

duas faces que possibilita também a fabricação em maior escala. As figuras 28 e 29 são

simulações do circuito no software de desenvolvimento Altium, e são apresentados nas

figuras 30 e 31 o circuito finalizado. O protótipo foi desenvolvido com software Altium

sendo gerado arquivos de fabricação, assim realizando o pedido das placas de circuito

impresso de uma empresa especializada devido à sua complexidade de fabricação.

Dificuldades tais como apresentar duas faces e trilhas muito próximas e de pequena

espessura. As características de fabricação da placa estão apresentadas na figura 32. O

protótipo foi soldado a manualmente com auxílio de uma pinça.

Figura 28 – Circuito impresso(Altium) Face A

2 Fonte: Próprio autor

LM741

1ºEstágio

de amp.

Chave

Fonte

2º

Estágio

de amp.

Transmissor

37

Figura 29 – Circuito impresso(Altium) Face B


Figura 30 – Circuito PCB do protótipo, face A


Figura 31– Circuito PCB do protótipo, face B


Comparador

LM393

Microcontrolador

12F675

Atuador

38

Figura 32 – Características do circuito impresso (Fabricante)

Fonte: TEC-CI

5.3. Componentes eletrônicos

O dispositivo é composto por vários componentes, cada um com suas

características e funções no circuito. Para o correto funcionamento todos os componentes

devem operar dentro dos parâmetros especificados pelos fabricantes. Os componentes

utilizados são apresentados nas tabelas 1,2 e 3.

Tabela 1 – Resistores e capacitores


Tabela 2 – Outros componentes


Componente Especificação

Resistor 2,2 kΩ 2 unidades

Resistor 10 kΩ 6 unidades

Resistor 220 kΩ 2 unidades

Resistor 47 kΩ 1 unidade

Resistor 1kΩ 4 unidades

Capacitor 100nF 4 unidades

Componentes Especificação

BC846 Transistor

Fusível Proteção

Chave com trava Liga/Desliga

Bateria lítio Duas unidades (Fonte)

Transdutores Transmissão e recepção

Cápsula piezoelétrica Atuador

Placa (PCI) Circuito impresso

39

Tabela 3 – Circuitos integrados


5.4. Formas de utilização

O projeto foi desenvolvido visando uma melhor interação e resultados na

utilização do sensor. Dentre as possibilidades de utilizar o equipamento, podemos

destacar a sua utilização acoplando o sensor a bengala ou ao braço conforme a figura 33.

O sensor de obstáculos possui um velcro na sua estrutura que permite tanto encaixe como

a retirada do mesmo com facilidade.

Figura 33 – Formas de utilização do sensor

Fonte:próprio autor

Componente Especificação

12F675 Microcontrolador

LM741 Amplificador

LM393 Comparador

40

6. CONCLUSÃO

O projeto visa a confeccionar um equipamento para auxiliar a locomoção de

pessoas com deficiência visual, possibilitando a atenuação da dificuldade de

deslocamento que essas pessoas têm de lidar durante sua vida. O desenvolvimento de um

projeto direcionado a acessibilidade, buscando a sua produção em escala, é um diferencial

do sensor de obstáculos desenvolvido apresentando uma taxa de amostragem variável, a

verificação dos obstáculos, proporciona uma indicação da distância mais próxima da

realidade com uma variação de 16 a 918 verificações por segundo. A placa de circuito

impresso apresenta dimensões reduzidas com 2,4 x 4,5 cm, a forma compacta, leve e

independente do sensor possibilita uma versatilidade na utilização. A cápsula

piezoelétrica é responsável por indicar a distância dos obstáculos e permite uma maior

autonomia de uso por ter um pequeno consumo de energia. Na sua estrutura foi fixada

um velcro para possíveis variações na utilização, portanto o sensor de obstáculos pode ser

acoplado a uma bengala ou no braço de acordo com a necessidade e escolha do usuário.

Os testes permitiram verificar que quanto maiores as dimensões da cápsula

piezoelétrica, melhor o estímulo sonoro e vibratório gerado. Em caso de ambiente com

poluição sonora elevada o som gerado no atuador pode ser suprimido conforme verificado

experimentalmente, assim o estímulo vibratório se torna a única forma de indicação de

obstáculos. O primeiro protótipo apresentou o um bom desempenho, mas um

aprimoramento e estudo é necessário para que se possa chegar a um projeto final de forma

que atenda a necessidade das pessoas com deficiência visual e possa ser fabricado em

maior escala a um custo acessível.

Ao analisar o projeto e verificar possíveis melhorias foi constatado que o

incremento de um motor vibrador opcional que será somado ao estímulo vibratório

existente, acionado através de um botão já configurado no microcontrolador permite um

estímulo mais intenso. Outro ajuste importante é adicionar outra região de verificação,

assim o sensor possibilita dobrar a área verificada durante a caminhada. Mesmo com

alterações a maior parte do circuito é preservada para possíveis melhorias.

Para trabalhos futuros, pode ser sugerido o desenvolvimento de um sensor

com duas regiões de verificação e o estudo do melhor estímulo ao usuário. Melhores

formas de utilização do sensor de obstáculos e estudo do processo de fabricação

industrial.

41

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AGELECTRONICA, Sensor ultrassônico Disponível em: < http://www.agspecinfo.com/notas/Nota1/MDU-AG_files/Medidorultrasonico.pdf> Acesso em: 1 jan. 2016. ALEXANDER, Charles K.; SADIKU, Matthew N.O. FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ELÉTRICOS. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2003 (reimpressão 2008).

Boylestad, Robert L; Nashelesky, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª. Edição. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 2004.

FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, Datasheet: Switching and Amplifier Applications. Electronic Publication 2002.

HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol. 2. 8 ed. Editora LTC, 2009. HALLIDAY, RESNICK, WALKER.

IGBE, Censo 2010 Disponível em: < http://www.pessoacomdeficiencia.gov.br/app/indicadores/censo-2010 > Acesso em: 12 Fev. 2016. KOBITONE, Transdutor ultrassônico, Disponível em:<http://www.mouser.com/catalog/specsheets/KT-400242.pdf > Acesso em: 12 jan. 2016.

MARGRAF, Piezoelétricidade, Disponível em:< http://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_UFSC/Materiais_EEL_7051/7_Materiais_Piezoeletricos.pdf > Acesso em: 9 jan. 2016. MICROCHIP, Datasheet: pic12f629/675. Electronic Publication, 2003.

NATIONAL SEMICONDUCTOR, Datasheet: Operational Amplifier LM741. Electronic Publication 1998.

PHILIPS SEMICONDUCTORS, Datasheet: comparator LM393. Electronic Publication 1995.

PORTAL DO ARDUINO, Sensor ultrassônico Disponível em: < http://www2.joinville.udesc.br/~i9/2014/08/22/hands-arduino-lcd-sensor-de-distancia/> Acesso em: 12 jan. 2016. SENA, Sérgio. Microcontroladores PIC. Publicação eletrônica.

ULTRACANE, bengala eletrônica. Disponível em: < https://www.ultracane.com> Acesso em: 1 jan. 2016.

42

UFPR, Estrutura cristalina de um material piezoelétrico Disponível em:<http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/20061/Echotrekd606628a.htm l > Acesso em: 10 jan. 2016.

43

ANEXO A: Transistor BC846

46

ANEXO B: Comparador LM393

51

ANEXO C: Amplificador operacional LM741

54

ANEXO D: DATASHEET PIC12F675

59

ANEXO D: Código MPLAB IDE #INCLUDE<P12F675.INC> __config _INTRC_OSC_NOCLKOUT & _WDT_OFF & _PWRTE_OFF & _MCLRE_ON & _CP_OFF REF_L EQU 20h REF_H EQU 21H DEC EQU 22H DEC_8 EQU 23H ORG 0x00 GOTO INICIO ORG 0x04 ; INTERRUPÇÃO TIGGER2 ; MOVLW D'15' ;Pulsos 15 ciclos MOVWF DEC_8 BANKSEL GPIO ;Desligar atuadores BCF GPIO,GP0 BCF GPIO,GP1 TIGGER ;TRANSMISSÃO GP5 BANKSEL GPIO BSF GPIO,GP5 MOVLW D'3' ;DUTY CICLE_H MOVWF DEC NP2 DECFSZ DEC GOTO NP2 BANKSEL GPIO BCF GPIO,GP5 MOVLW D'3' ;DUTY CICLE_L MOVWF DEC NP3 DECFSZ DEC GOTO NP3 NOP

NOP

DECFSZ DEC_8 ;15 Pulsos GOTO TIGGER BANKSEL TMR1H ;Limpar registradores TIMER1 CLRF TMR1H CLRF TMR1L ESP_RUID ;LOOP Espera(ruÍdo da transmissão). MOVLW D'100' MOVWF DEC MOVWF DEC_8 ESP_RUID1 DECFSZ DEC GOTO ESP_RUID1 ESP_RUID2 DECFSZ DEC_8 GOTO ESP_RUID2 BANKSEL PIR1 MOVLW B'00000000' ;TMR1IF(0) Limpar em software

60

MOVWF PIR1 RETFIE INICIO MOVLW B'11000000' ;GIE PEIE MOVWF INTCON BANKSEL PIE1 MOVLW B'00000001' ;TMR1IE MOVWF PIE1 BANKSEL PIR1 MOVLW B'00000000' ;TMR1IF(0) Limpar em software MOVWF PIR1 BANKSEL T1CON MOVLW B'01000001' ;TMR1GE TMR1ON MOVWF T1CON BANKSEL OPTION_REG ;LIGAR PULL-UP GP2 BCF OPTION_REG,7 BANKSEL WPU CLRF WPU BSF WPU,WPU2 bcf STATUS,RP0 ;Bank 0 clrf GPIO ;Init GPIO movlw 07h ;Set GP<2:0> to movwf CMCON ;digital IO bsf STATUS,RP0 ;Bank 1 clrf ANSEL ;Digital I/O BANKSEL TRISIO MOVLW B'00011100' ;Definindo porta T1G COMO ENTRADA MOVWF TRISIO MAIN ESP_ECHO ;LOOP Espera sinal amplificado. BTFSS GPIO,GP4 GOTO ESP_ECHO MAIN1 BANKSEL GPIO BCF GPIO,GP0 BCF GPIO,GP1 COMPARACAO ;SE TMR_H>TIMER_H OU MENOR MOVF TMR1H,W MOVWF REF_H ;MOVER TMR1H PARA REF_H BANKSEL STATUS CLRF STATUS MOVF TMR1H,W SUBLW D'18' ;TMR1H COM REF=18 BTFSC STATUS,C GOTO MENOR GOTO MAIOR MAIOR ;1) Executar a ação 2)ligar timer01 e ir para tigger ;1)Subtrair da referência TMR1H-REF_H

61

BANKSEL GPIO BCF GPIO,GP0 BSF GPIO,GP1 ESPERA12 ESP12 MOVLW D'20' ;Ciclo espera MOVWF DEC ESP22 DECFSZ DEC GOTO ESP22 DECFSZ REF_H ;REF_H=TMR1H GOTO ESP12 CALL TIGGER2 ;CHAMAR INTERRUPÇÃO GOTO MAIN ;RETORNAR AO LOOP DE ESPERA MENOR BANKSEL GPIO BSF GPIO,GP0 BCF GPIO,GP1 ESPERA1 ESP1 MOVLW D'20' ;Ciclo espera MOVWF DEC ESP2 DECFSZ DEC GOTO ESP2 DECFSZ REF_H ;REF_H=TMR1H GOTO ESP1 CALL TIGGER2 ;CHAMAR INTERRUPÇÃO GOTO MAIN ;RETORNAR AO LOOP DE ESPERA

END

62

ANEXO E: Orçamento circuito impresso

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE … · Monografia apresentada ao Departamento de...

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