Especificações do Microcontrolador

O microcontrolador processa todo o ciclo de funcionamento e aquisição de dados, desde o envio do trem de impulsos, para excitar o emissores de ultra-som, até ao processamento dos dados para posteriormente serem enviados pelo módulo transceiver XBee, figura 5.28.

Figura 5.28: Ciclo de funcionamento e tratamento do sinal.

A tabela 5.4 explica as funções atribuídas aos pinos do microcontrolador, esses foram utilizados tendo em consideração as funções desempenhadas pelos perifé- ricos embutidos a que se relacionam.

Foram testados dois métodos para a aquisição de dados, o primeiro método tem uma menor complexidade de software em comparação com o segundo, esse im- plica uma maior capacidade de software e de processamento de dados.

O primeiro método testado consiste especificamente na excitação de um emissor e activação do receptor adjacente, isso é realizado para todos os restantes, conforme ilustrado na figura 5.29

Pinos Especificação da função MCLR/VPP/RE3

RB7/KBI3/PGD RB6/KBI2/PGC

Permite o acesso exterior para fazer update do software do microcontrolador, este é realizado por um hardware espe- cial, fornecido pela Microchip, acoplado a um computador para a gravação destes programas (MPLAB ICD, In-Circuit Debugger) no microcontrolador, sendo só possível pois estes são flexíveis, permitem uma alteração do código de pro- grama (memória tipo flash), sem necessitar de mudança fí- sica quanto à placa do circuito.

RC2/CCP1 Saída do trem de impulsos para o sensor, o módulo de CCP1 envia um trem de impulsos e em simultâneo inicia a cronometragem do timer1.

RC3/SCK/SCL RC4/SDI/DAS

Realiza o controlo do desmultiplexer do circuito emissor. RC0/T1OSO/T13CKI

RC1/T1OSI

Realiza o controlo do multiplexer do circuito receptor. RC5/SDO Pino que recebe o sinal do eco (amplificado, rectificado e

comparado), ao receber este sinal, vai interromper o timer1 anteriormente inicializado aquando do envio do pulso. RA0/AN0/CVREF

RC7/RX/DT RC6/TX/CK

O pino RA0 é utilizado para activar ou desactivar o módulo de comunicação. Os pinos RX e TX estabelecem a ligação com o módulo de comunicação, realizando a transmissão e recepção de dados.

Tabela 5.4: Funções atribuídas aos pinos do microcontrolador PIC.

Neste método o grau de enchimento é calculado recorrendo a um menor número de amostragem, podendo desde logo ser susceptível de um maior erro de pre- cisão, no entanto não necessita de uma grande capacidade de processamento de dados, e possui um tempo de aquisição de dados pequeno.

O segundo método testado, tem um funcionamento mais complexo, com maior exigência a nível do processamento de dados e maior tempo a processar a infor- mação, conforme ilustrado na figura 5.30.

Todo este processo sequencial de aquisição de dados é controlado pelo microcon- trolador, conforme mostra a tabela 5.5.

O microcontrolador selecciona qual o transmissor que vai enviar o trem de impul- sos e em simultâneo activa todos os receptores. Estes ficam à espera da recepção dos ecos que lhe permitirão determinar o grau de enchimento.

5.4. Unidade Central de Processamento 83

Figura 5.29: 1o _{método de aquisição de dados.}

Transmissor Receptores Activos

Transmissor 1 Receptor 1 –> Receptor 2 –> Receptor 3 –> Receptor 4 Transmissor 2 Receptor 1 –> Receptor 2 –> Receptor 3 –> Receptor 4 Transmissor 3 Receptor 1 –> Receptor 2 –> Receptor 3 –> Receptor 4 Transmissor 4 Receptor 1 –> Receptor 2 –> Receptor 3 –> Receptor 4

Tabela 5.5: Estrutura de selecção para aquisição de dados.

O receptor adjacente ao emissor é aquele que requer um pouco de atenção espe- cial, devido a proximidade com o emissor, este por vezes pode ser susceptível de introduzir medições erradas, fruto do ruído transmitido através do material em que estes são fixados e de possíveis ecos laterais.

Para efectuar cada ciclo de recolha de dados foi criada uma máquina de estados por forma a tornar mais perceptível e facilitar o processamento.

Sempre que se inicia uma aquisição de dados, o microcontrolador vai controlar a operação, selecciona qual o emissor que envia o trem de impulsos e qual o receptor a activar para detectar os ecos. Para cada emissor activo ele vai receber os ecos de cada receptor de uma forma sequencial, como mostra a figura 5.30. Assim o grau de enchimento determinado por cada emissor é com base em 40 amostras (4 receptores x 10 amostras), isso é feito para os quatro emissores, por forma a determinar o grau de enchimento, após estar determinado o grau de enchimento por cada emissor é calculado a grau de enchimento final.

Como podemos verificar na figura 5.30 o grau de enchimento final do ecoponto é a média das médias das amostras de cada receptor, conseguindo assim um valor

Figura 5.30: 2o_{método de aquisição de dados.}

com uma precisão e uma margem de erro muito menor.

Este método de aquisição é um método mais lento, porém tem uma precisão maior que o primeiro método, em suma este método determina o grau de enchi- mento de um conjunto de 160 amostras, isso tem como contrapartida o aumento do consumo de energia de aquisição de dados e a complexidade do sistema.

Capítulo 6

Resultados e Conclusões

Ao longo do decorrer deste trabalho foram estudadas formas para determinar o grau de enchimento do ecoponto, para isso foram testados dois métodos de maneira a aferir qual o mais preciso e que nos garante melhor fiabilidade nas aquisições.

São apresentadas conclusões finais relativamente aos testes do trabalho desenvol- vido, esses foram necessários para concluir acerca da melhor distribuição para os sensores no interior do ecoponto, os diferentes testes realizadas permitiram-nos concluir qual dos métodos de aquisição do grau de enchimento nos permitiria ter um sistema com maior viabilidade energética e que apresentaria menor erro de precisão nas medições. Estes foram realizados no ecoponto de cartão e papel, devido a ser o ecoponto que implica maiores dificuldades de análise devido ao material e modo como ele fica depositado no seu interior.

A comunicação sem fios com os transceivers XBee foi também testado, não apre- sentando qualquer problema.

6.1

Testes do Trabalho Realizado

Com a aplicação experimental do sistema (aplicado no ecoponto de cartão e pa- pel) verificamos que o sensor adjacente ao emissor era o que requeria um maior cuidado quando da sua utilização, como se pode verificar na figura 6.1, o receptor adjacente ao emissor recebe interferências quando é enviado o trem de impulsos,

estas devem-se nomeadamente ao tipo de material a que estão acoplados den- tro do ecoponto e à elevada sensibilidade ao ultra-som dos elementos de que é construído (liga de titano-zirconato).

Figura 6.1: Ruído causado pela proximidade dos sensores.

Este ruído fez com que fosse realizado um ajuste a nível de software por forma a despreza-lo, como pudemos ver na figura esse intervalo de tempo durante o qual ele está presente é de 1.830ms, ou seja, este sensor para distâncias inferiores a 31cm perde precisão, equação 6.2.

d = c × t0

2 (6.1)

d = 340 × 1.830 × 10 −3

2 = 0.311m (6.2)

Foram realizadas diferentes testes práticos de medidas para os dois métodos ex- perimentados de forma a retirar conclusões acercas da precisão na determinação do grau de enchimento e concluir relativamente à vantagem ou não de ter um processo mais complexo sabendo que o tempo de aquisição de dados aumenta com a complexidade.

Os testes realizados visaram criar diferentes situações que podem acontecer no- meadamente no ecoponto de cartão e papel, a primeira situação considerada foi para uma distribuição uniforme do cartão por todo o ecoponto.

6.1. Testes do Trabalho Realizado 87

A figura 6.2 mostra as formas de onda do eco recebido pelo receptor para o pri- meiro método testado, para os diferentes graus de enchimento adoptados.

Figura 6.2: Formas de onda do eco resultantes da aplicação do primeiro método.

Neste primeiro método o receptor é o que está adjacente ao emissor, fazendo uma análise das formas de onda dos ecos do sinal, conseguimos saber o grau de enchimento através do tempo de voo, com este método verificamos que se consegue resultados satisfatórios.

Para o ecoponto vazio (0%), o tempo de voo é 9.860ms, aplicando esse valor, observamos através da equação 6.3 que a distância a que se encontra o cartão é de 1.676m, como o ecoponto mede 1.75m e o dispositivo se encontra a 1.70m, verificamos que a medição apenas apresenta uma margem de erro de 1.42%.

d = 340 × 9.860 × 10 −3

Prosseguimos o teste realizando uma análise com o ecoponto a 25%, em que o tempo de voo determinado é 6.860ms, é de referir que a 25% a distância determi- nada pelo sistema deveria ser de aproximadamente 1.28m.

Aplicando o tempo de voo à equação 6.4 determinou-se que ele indica uma dis- tância de 1.16m, para este grau de enchimento não se obteve-se uma precisão muito boa mas é no entanto elucidativo o grau de enchimento que presenciamos, a margem de erro é de 9.01%

d = 340 × 6.860 × 10 −3

2 = 1.16m (6.4)

Com o ecoponto a 50% (aproximadamente 82cm), os desempenhos obtidos foram totalmente satisfatórios, o dispositivo conseguia determinar com grande precisão a distância a que se encontrava o cartão.

Para este ensaio em que colocamos o ecoponto com um grau de enchimento de 50%, o tempo de voo medido foi de 4.860ms, ou seja o sistema indica-nos que o cartão está a 82cm (equação 6.5), sendo exactamente essa a distância a que se encontra, para valores intermédios obteve-se uma boa precisão nas medições.

d = 340 × 4.860 × 10 −3

2 = 0.82m (6.5)

Para um grau de enchimento de 75% (aproximadamente 42cm), como consegui- mos observar na figura 6.2 o eco começa a ficar próximo da interferência causada pela proximidade do emissor, sendo ainda possível determinar o valor do tempo de voo.

O tempo de voo quando o grau de enchimento se encontra nos 75% é de 2.460ms, sabemos assim que o cartão dentro do ecoponto se encontra a cerca de 42cm do topo (equação 6.6). A partir deste ponto começou-se a ter um pouco mais de in- certeza nos resultados, visto estes sensores a curtas distâncias (<20cm) não serem válidos.

d = 340 × 2.460 × 10 −3

2 = 0.418m (6.6)

Como podemos ver na figura 6.2, para um grau de enchimento de 100% o melhor teste conseguido foi para uma distância de 21cm (equação 6.10), sendo no entanto

6.1. Testes do Trabalho Realizado 89

de pouca precisão, pois em alguns instantes tornava-se impossível diferenciar o ruído do eco.

d = 340 × 1.260 × 10 −3

2 = 0.214m (6.7)

O teste do segundo método de aquisição dos dados é de um processo mais lento, pois quando se activa o emissor todos os receptores vão escutar o meio de uma forma sequencial e determinar o grau de enchimento para os pulsos enviados por aquele emissor, como podemos ver na figura 6.3, ou seja, quando o emissor (Ti) é activado é efectuada a medição por todos os receptores (R0, R1, R2e R3).

Figura 6.3: Formas de onda do eco do segundo método para um grau de enchi- mento de 0%.

Neste teste o ecoponto encontra-se vazio (0%), foi enviado um term de impulsos pelo sensor e registado as medições para todos os receptores, verificamos que o tempo de voo medido por todos os receptores é 9.660ms. Com este tempo de voo determinamos que o cartão se encontra a 1.642m, equação 6.8.

d = 340 × 9.660 × 10 −3

Colocou-se o grau do enchimento do ecoponto a 25% (cartão a uma distância de 1.28m do sensor), as formas de onda para este nível estão ilustradas na figura 6.4

Figura 6.4: Formas de onda do eco do segundo método para um grau de enchi- mento de 25%.

Com este grau de enchimento os resultados analisados ficaram um pouco além da expectativa, visto este nos indicar que o cartão se encontra a uma distância de 1.166m de distância, equação 6.9.

d = 340 × 6.860 × 10 −3

2 = 1.166m (6.9)

Para valores intermédios a precisão é muito elevada, obtendo sempre a distância exacta a que se encontra o cartão, como podemos observar para o grau de en- chimento a 50%, figura 6.5, as medições de todos os sensores foram precisas, à distância de 0.82m (50%) o tempo de voo é de 4.860ms, equação 6.10.

d = 340 × 4.860 × 10 −3

6.1. Testes do Trabalho Realizado 91

Figura 6.5: Formas de onda do eco do segundo método para um grau de enchi- mento de 50%.

Os testes para o grau de enchimento a 75% também se revelaram conclusivos, como podemos ver na figura 6.6, todos os sensores obtiveram o mesmo valor (2.460ms).

Para este grau de enchimento a distância medida tem que ser de 0.42m, equação 6.11 pelo que verificamos que a precisão é elevada.

d = 340 × 2.460 × 10 −3

2 = 0.418m (6.11)

Os testes realizados para o ecoponto cheio tiveram um grau maior de dificuldade de análise, devido à pequena distância que separava o sistema de aquisição do cartão.

Uma das características dos sensores utilizados era a pouca precisão para medi- das inferiores a 20cm, a alta sensibilidade do seu encapsulamento recebe as inter- ferências do emissor devido a sua proximidade, essa interferência para medições superiores 20cm não é relevante.

Figura 6.6: Formas de onda do eco do segundo método para um grau de enchi- mento de 75%.

Como podemos verificar pela figura 6.7, para o nível de enchimento a 100%, o receptor adjacente ao emissor, recebe muitas interferências para estas distâncias, o que dificulta ao sistema fazer a distinção entre o que é o pulso e o ruído.

Como pudemos ver na figura 6.7 os outros receptores conseguem umas medições com boa precisão, excepto o receptor adjacente.

Existe uma pequena discrepância entre as medidas do receptor (R1, R3) e R2, como vemos pela análise dos tempos medidos, a equação 6.12 mostra a medida determinada através do receptor (R1, R3) e a equação 6.13 indica a distância me- dida pelo receptor R2.

d = 340 × 1.33 × 10 −3 2 = 0.22m (6.12) d = 340 × 1.53 × 10 −3 2 = 0.26m (6.13)

A tabela 6.1 mostra os valores do grau de enchimento para uma distribuição uni- forme obtidos através dos dois métodos testados.

6.1. Testes do Trabalho Realizado 93

Figura 6.7: Formas de onda do eco do segundo método para um grau de enchi- mento de 100%.

Grau de enchimento Método 1 Método 2

0% 1.676m 1.642m

25% 1.166m 1.187m

50% 0.82m 0.82m

75% 0.418m 0.419m

100% 0.214m 0.235m

Tabela 6.1: Comparação dos métodos para o teste 1

Como pudemos verifica pela tabela os valores determinados pelos dois métodos para este teste são muito próximos em ambos os métodos. É importante refe- rir que estes valores são determinados de um número de amostragem diferente, podendo-se afirmar que o segundo método é menos permissivo a erros de medi- ções.

O segundo teste a que foram sujeitos os dois métodos de aquisição foi para uma distribuição irregular de cartão no ecoponto, dessa forma foi criada a situação mostrada na figura 6.8, para se puder analisar como responderia o sistema a esta situação.

Figura 6.8: Distribuição não uniforme do cartão no ecoponto.

Para o primeiro método foram conseguidos bons resultados, cada sensor deter- minou com uma relativa precisão a distância a que se encontrava o cartão, para isso contribuiu a forma como foi planificada a distribuída dos sensores.

Os sensores estão distribuídos por quadrante, de maneira que quando é enviado o trem de impulsos, perpendicular ao sensor, eles primeiramente detectam o car- tão que se encontra paralelo ao sensor no mesmo quadrante, apesar de por vezes chegar com um pouco de atraso.

Como o receptor que detecta o eco do pulso é o adjacente ao emissor, conseguiu- se fazer uma apreciação correcta do grau de enchimento, no entanto este apre- senta um pequeno atraso, por causa da distribuição não ser uniforme, porém conseguiu-se projectar uma ideia da distribuição do cartão no seu interior.

Para o segundo método a análise dos dados foi mais complexa, pois além da sua distribuição não ser uniforme, o seu princípio de aquisição de dados requeria determinados cuidados, pois em cada medição o receptor que se encontrava no quadrante que estava a 100%, em que se situava o emissor/receptor 3, recebia os ecos muito fracos, excepto quando foi o emissor adjacente a transmitir. Em geral este receptor indicava sempre valores entre os 75% e os 100%.

Os resultados à análise do segundo teste encontram-se na tabela 6.2.

Em análise ao teste realizado, de uma forma geral conseguiu-se obter o objectivo pretendido, que era fazer um esboço da distribuição do cartão dentro do eco-

6.1. Testes do Trabalho Realizado 95

Emissor Método 1 Método 2

R0 R1 R2 R3 R0 R1 R2 R3 Média E0 0.83m 0.84m 1.74m 1.35m 0.31m 1.06m E1 1.67m 0.81m 1.66m 1.3m 0.29m 1.01m E2 1.16m 0.86m 1.6m 1.24m 0.3m 0.98m E3 0.26m 0.5m 0.49m 0.44m 0.26m 0.42m Medida Total 0.98m 0.87m Quadrante 4 (50%) 3 (0%) 2 (25%) 1 (100%) 4 (50%) 3 (0%) 2 (25%) 4 (50%) 1 (100%)

Tabela 6.2: Comparação dos métodos para o segundo teste.

ponto através da análise do grau de enchimento intermédio, determinado por cada receptor.

A complexidade do segundo método é benéfica no caso de um dos sensores ficar obstruído por algo, pois se apenas fizermos uma análise à média total ela apre- senta um valor mais próximo do ideal. No entanto se analisar-mos os valores intermédios, quando enviado o trem de impulsos pelo emissor 3, todos os recep- tores determinam um grau de enchimento situado entre os 75% e 100% no caso do receptor 3.

O ultimo teste realizado foi considerando a possibilidade de um cartão ficar na diagonal dentro do ecoponto como mostra a figura 6.9.

Como podemos verificar pela imagem um cartão pode ficar na diagonal, dessa forma realizamos o teste nas mesmas condições, as conclusões que retiramos deste teste são as seguintes:

• As ondas são reflectidas na diagonal, dessa forma a onda do eco recebida chega com um pequeno atraso, e a onda contêm maior ruído,

• Ambos os métodos são eficazes neste caso, indicando-nos que o ecoponto está a 50% do seu grau de enchimento, em algumas das medições o grau de enchimento determinado situava-se abaixo dos 50%, devido ao seguinte factor: apesar de o cartão estar na diagonal entre os 75% e os 25%, o que de- veria produzir um resultado de 50% não se verificou pelo seguinte motivo, os sensores distam um do outro 45cm, não estando encostados aos bordos do ecoponto, daí muitas das vezes indicar graus de enchimento inferiores a 50%.

Após realizados os três testes para os dois métodos podemos concluir que para este tipo de aplicação o factor precisão não é o mais importante, nomeadamente em relação ao ecoponto de papel e cartão. Se tivermos em conta uma condição ideal (distribuição uniforme) os métodos tem uma elevada precisão, porém nos testes para uma distribuição irregular os resultados obtidos distam um pouco do valor pretendido, isso deve-se essencialmente à forma como os ultra-sons são reflectidos pelo cartão, no entanto os valores medidos continuam a deixar per- ceptível e completamente elucidado como se encontra o cartão distribuído. É de referir os principais factores para termos optado pelo primeiro método fo- ram: menor tempo de aquisição de dados comparado ao segundo método (apro- ximadamente quatro vezes), o que se traduz em menor consumo de energia, o seu desempenho e precisão em relação ao outro método são semelhantes, daí não ser necessário um sistema com uma complexidade de software tão elaborado. O sistema de aquisição de dados está ilustrado na figura 6.10, este tem a pos- sibilidade de ser aplicado em várias aplicações que se destinem a determinação de distâncias ou aplicações em que se use o ultra-som como forma de mensurar. Como é de notar este pode ser objecto de evoluções nomeadamente em relação ao hardware e software, a evolução tecnológica a isso o permite, com a criação de circuitos integrados cada vez mais pequenos.