Componentes físicos do protótipo

Agora será tratado as informações sobre os componentes físicos do experi- mento, a figura 5.3 mostra os dispositivos empregados para o recebimento do sinal analógico e a conversão em sinal digital.

(1) HC-SR04

(2) Motor de Passo

(3) Placa Arduino Uno

+ Shield (4) Led (6) Placa Arduino Uno

( ) Cabo de8 alimentação USB ( )Computador9 (7) Fonte de Alimentação externa (5) som

Figura 5.3: Interação entre componentes do sistema. fonte: Autoria própria.

HC-SR04

O transdutor HC-SR04 é um sistema utilizado para captar, filtrar e processar medidas.

No momento que a onda se encontra com um obstáculo, diversos fenômenos poderão ocorrer, entre os quais destacamos: absorção, refração, reverberação e

reflexão.

O transdutor HC-SR04 é um tipo de sonar ativo por emitir e receber ondas acústicas, com mapeamento de feixe único.

Para seu funcionamento, é preciso conectar ao microcontrolador Arduino por meio de quatro pinos: VCC (alimentação), Trig (disparador de ultrassom), Echo (recepção de ultrassom) e o GND (alimentação) (figura 5.4). Ainda, pode- se visualizar que ele possui dois autofalantes um para emitir o sinal sonoro (TX) e outro para receber o sinal (RX).

Alimentação do sensor: 5v Emite o sinal sonoro.

Receptor que espera o retorno e manda para o Arduino fazer os cálculos.

Conexão terra.

Figura 5.4: O Sensor Ultrassônico com seus quatro pinos de conexão. Fonte: Elaborado pelo autor no programa Tinkercad.

Esses sinais ultrassônicos são ondas mecânicas de frequência de 40 kHz,

bem acima da audição humana, sendo possível determinar a presença de objetos com distãncia de 2 centímetros até 4 metros. Para explicar como é originado o sinal ultrassônico é necessário entender que o sensor precisar ser conectado em um fonte de alimentação, ou seja, ao Arduino, e receber os comandos de como deverá realizar a captura, além de especificar a distância que deve alcançar.

Sinal enviado- Trigger

Sinal de retorno- Echo

Obstáculo

Figura 5.5: Mostra o funcionamento do Sensor Ultrassônico composto por dois autofalantes. Um emite o sinal trigger e quando se encontra um obstáculo ele retorna ao sensor pelo Echo, o segundo autofalante.

o pino trigger é responsável pelo envio do ultrassom. Este pino deve ser definido como ALTO (5V) (ou seja, recebe energia) por 10 µs (microssegundos), ponto em que o HC-SR04 enviará oito ciclos a 40 kHZ que ao detectar um objeto emite um sinal de pulso de volta.

Quando o transmissor ultrassônico emite essa onda ultrassônica ele começa a cronometrar. Quando encontrar um obstáculo a onda voltará imediatamente. Por fim, o ultrassom do receptor para de cronometrar quando recebe a onda refletida.

A parte interna funciona da seguite forma (figura 5.6): Em primeiro lugar, O circuito externo (Arduino) transmite por pelo menos 10µs (microssegundos) o pulso de alto nível para o pino Trigger (o autofalante envia automaticamente oito ondas quadradas de 40K) e, em seguida, espera para capturar, ao mesmo tempo, abre o cronômetro para iniciar a cronometragem.

Figura 5.6: Esquema do funcionamento de como o sinal é gerado, trasmitido e recebido. Primeiro o Arduino manda um pulso a cada 10 microssegundos para o sensor trigger, depois o trigger dispara 8 pulsos de 40KHz no ambiente pelo autofalante TX. O echo espera o retorno do sinal pelo autofalante RX enviando a informação para o microcontolador.

Fonte: [35]

A distância até o obstáculo é igual ao tempo de alto nível vezes a velocidade de propagação ultrassônica no ar, tudo divido por 2. A velocidade de propagação é de 340m / s no ar. Podemos calcular a (s) distância (s) entre o obstáculo e o transmissor:

Distância = (duração do pulso do eco) × 340 m/s

2 . (5.1)

Por exemplo, se o objeto estiver a 20 cm de distância do sensor e a velocidade do som for 340 m/s ou 0,034 cm/µs, temos:

v = 340 m/s, (5.2)

Tempo = distância velocidade (5.4) t = s v = 20 0, 034 = 588 µs (5.5)

A função que permite descrever esse movimento é dada por:

s = t 0, 034

2 (5.6)

Alguns valores que devemos considerar são:

• Tempo = largura do pulso de eco, em µs (microssegundo) • Distância em centímetros = Tempo /58

• Distância em polegadas = Tempo /148

Ou você pode utilizar a velocidade do som, no ar, que é 340 m / s. A velocidade do som pode ser calculada com base em uma variedade de condições ambientais, incluindo temperatura, umidade e pressão.

Tem um ângulo de abertura de medição de 30o_{, com ângulo efetivo de 15}o_{. O}

padrão de radiação é um gráfico que possui propriedades importantes baseadas em coordenadas espaciais, geralmente esféricas. Neste caso, discute-se a que distância um objeto pode ser detectado dependendo do ângulo.

As figuras 5.7 e 5.8 mostram a área de visão em um ambiente em duas dimensões, o raio máximo do alcance que o ultrassom pode detectar é a metade do ângulo da largura do cone de visão.

Para não ocorrer erros ou problemas na leitura durante a execução do sis- tema, é preciso verificar se o obstáculo está na posição de captura correta. Como mostra a imagem 5.9.

Ou ainda, se tiver outras condições como tentar localizar objetos além da distância de capacidade do sensor (figura a, 5.10). Tentar localizar objetos pequenos que não ser para gerar a reflexão do sinal (figura b, 5.10). Ainda, tentar funcionar o sensor com o ângulo de captura impossível de refletir esse sinal (figura c, 5.10). Até mesmo, colocar objetos que a reflexão não seja possível (figura d, 5.10).

Motor de passo Nema 17

Para efetivar o alcance do sensor HC-SR04 fixamos ele sobre o eixo de um motor elétrico de corrente contínua, para isto o motor deve possuir as caracte- rísticas necessárias de precisão e potência.

Figura 5.7: Alcance do sensor. Fonte: [59]

Figura 5.8: O sinal ultrassônico é propagado por uma onda direcionada a um ângulo de 30 graus, no entanto o mais eficaz o ângulo de medição é de 15 graus.

Fonte: [40]

O motor de passo bipolar NEMA 17 é um motor elétrico de corrente contínua

sem escovas que divide uma rotação completa (360o_{) em um número de etapas}

ou passos iguais.

Os motores de corrente contínua com escovas giram continuamente quando uma tensão contínua é aplicada aos seus terminais, já o motor de passo converte um conjunto de pulsos de tensão elétrica de entrada (normalmente pulsos de onda quadrada) em um incremento definido com precisão na posição do eixo. Cada pulso move o eixo ou rotor através de um ângulo fixo. As características completa do princípio de funcionamento do motor está descrita no Produto

T rigger Ech o

O

b

stácu

lo

O

bstácu

lo

Figura 5.9: Posicionamento do obstáculo: De um lado mostra como deve está o obstáculo no momento da captura para evitar erros durante a medição. Do outro lado, o obstáculo está inclinado e o sinal é refletido para outra direção, não sendo possível a leitura.

Fonte: [41]

> m4

a)

_b)

c)

d)

Figura 5.10: Posicionamento do sensor e os diferentes tipos de obstáculos: As várias formas que permite que o sensor não identifique as informações.

Fonte: [41]

Placa Arduino Uno e Shield motor L298P

Para controlar motores de corrente contínua para funcionar em sentido ho- rário ou antihorário foi necessário utlizar um Shield motor L298P uma fonte de tensão adicional de forma que a parte lógica dos circuitos digitais trabalhe a baixa voltagem. Compatível com a plataforma Arduino, particularmente a placa Uno com pinos de entrada saída compatíveis.

Figura 5.11: Mostra o resultado depois de encaixar o Motor Shield no Arduino UNO-1

Fonte: [55]

Diodo Led

O Led, diodo rgb, foi incluido para a visualização do funcionamento do sensor, quando acende quer dizer que o HC-SR04 converte o sinal em elétrico, que detectou um objeto, foi conectado na shield nas portas 13 e 4.

Som

O som é emitido por um buzzer que faz parte da estrutura da Shield.

Placa Arduino Uno

Foram utilizadas duas placas Arduino Uno, para converter e enviar os sinais para o computador, outro para fornecer energia suficiente para a alimentação do experimento.

O microcontrolador Arduino permite conectar vários módulos sensoriais compativéis, baseado em software de código aberto editável na IDE-Ambiente Integral de Desenvolvimento do Arduino disponível no site https://www.ardu ino.cc/en/main/software e conseguimos programar a placa e seus módulos. A plataforma física contém um conector USB para ligá-la ao computador e

Pinos de entrada e saída

Pinos Analógicos

Conectores de alimentação

Conector USB tipo B

Conector DC

Conjunto microcontrolador e cristal, responsável pela leitura e controle de todos os pinos

da placa.

Figura 5.12: A placa Arduino UNO com suas características principais. Fonte: Elaborado pelo autor no programa Tinkercad.

mandar as instruções para executar o projeto. A figura 5.12 mostra o modelo utilizado:

O microcontrolar é composto por 14 pinos de entrada e saída digi- tais (0 ao 13) que fornece uma tensão de 5 V, onde cada pino pode fornecer ou receber uma intensidade da corrente elétrica máxima de 40 mA[55]. As entradas digitais só podem assumir dois estados, HIGH e LOW, ou seja, uma tensão de 0 V ou 5 V. Alguns desses pinos possuem funções especiais, como:

• PWM : Os pinos 3,5,6,9,10 e 11, podem ser utilizados como saída PWM de 8 bits quando acionada a função analogWrite() [55]. Essa saída signi- fica Modulação Por Largura de Pulso, isto é através da largura do pulso de uma onda quadrada-sistema digital, é possível o controlar a potência ou velocidade do dispositivo conectado, utilizado para controlar veloci- dades de motores, servomotores, luminosidades e outros. Desse modo, na conexão ao pino PWM é possível controlar a potência, fazendo pulsar rapidamente um sinal digital em um condutor.

• Comunicação serial : Pinos 0 e 1 podem ser utilizados para comunicação serial que permite a transferência de dados bit a bit.

Além dos pinos digitais mencionados, a placa Arduino contém os 6 pinos analógicos (A0 até A5). A entrada analógica consite em um sinal elétrico,que podemos mensurar, definido numa gama de valores. No entanto, ela é limitada a resolução do conversor analógico digital (0-1023 para 10 bits ou 0-4095 para 12 bits).

Além disso, tem os conectores de alimentação do Arduino UNO que são compostos por 7 pinos (IOREF, RESET, 3,3 V, 5 V,2 pinos GND e VIN), tendo como característica principal:

Pino Característica

5 V Fornece tensão de 5 V para alimentação de circuitos externos.

GND Pinos de referência, terra com tensão de 0V.

A placa não conta com botão liga/desliga – Se quiser desligar a alimentação, tem que “puxar” o cabo USB. O arduino Uno pode ser alimentado pela conexão USB ou com uma fonte de alimentação externa. A alimentação é selecionada automaticamente.

Fonte de Alimentação externa

Fonte externa com tensões DC que podem variar entre 6 a 20 Volts, em todo caso, recomendamos que a tensão oferecida no equipamento fique entre 7 a 12V.

Cabo de alimentação USB

O cabo USB além do fornecimento de alimentação para o experimento, ele funciona também como meio de envio das informações dos códigos(comandos) da IDE do Arduino- a comunicação serial.

Processamento no computador

Além que programar na IDE do Arduino para mandar as informações para a plataforma de prototipagem eletrônico e os módulos sensoriais compatíveis, utilizamos para a aquisição de dados o programa Processing, ambiente gráfico que consegue ler as informações recebidas pela IDE do Arduino por meio de códigos.

Desenvolvemos um ambiente gráfico que simule o movimento do sensor na rotação completa (360o_{), verificando se há obstáculo ou não e qual a localização}

exata do objeto, calculando automaticamento a distância.

Limitamos o sensor a capturar objetos em distâncias de até 60 cm. Para iniciarmos uma medição, o pino Trig, que funciona como gatilho do nosso sensor ultrassônico, deve receber um pulso de 5V por pelo menos 10 microssegundos. Isso fará com que o sensor HC-SR04 emita 8 pulsos ultrassônicos em 40 kHz e o pino Echo, que funcionará como nosso cronômetro, vai para 5V, iniciando assim a espera pela ondas refletidas.

Observando as variáveis distãncia e tempo, medida em cm por microssegun- dos, respectivamente, podemos relacioná-los na seguinte forma:

s = 0, 034 t

Figura 5.13: Interface gráfica do sonar no Processing. fonte: Autoria própria.

Figura 5.14: Funcionamento do sistema, observando a detecção de um objeto. fonte: Autoria própria.

Relacionando-se as varáveis, distância e tempo de ida e volta, pode-se ob- servar alguns valores:

Distância (centímetros) Tempo (microssegundos)

10 588,23 20 1176,47 30 1764,70 40 2352,94 50 2941,17 60 3529,4

Na prática, o tempo total de viagem do pulso, medido ida e volta, será o dobro desse valor.