Planejamento Do Sistema de Eletrônica Embarcada Para Mini Baja - Equipe Baja Espinhaço UFVJM

UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA

PLANEJAMENTO DO SISTEMA DE ELETRÔNICA EMBARCADA PARA MINI BAJA  –  EQUIPE  EQUIPE BAJA ESPINHAÇO UFVJM

Orlindo Wagner Soares Pereira

Diamantina 2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

PLANEJAMENTO DO SISTEMA DE ELETRÔNICA EMBARCADA PARA MINI BAJA  –  EQUIPE  EQUIPE BAJA ESPINHAÇO UFVJM

Orlindo Wagner Soares Pereira Orientador:

Manoel José Mendes Pires

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Bacharelado em Ciência e Tecnologia, como parte dos requisitos exigidos  para a conclusão do curso.

Diamantina 2013

P436p

Ficha Catalográfica - Serviço de Bibliotecas/UFVJM Bibliotecária Nathália Machado Laponez Maia CRB6-3002 Pereira, Or lindo Wagner Wagner Soares. Planejamento do sistema de eletrônica eletrônica embarcada para mini baja – Equipe Equipe Baja Espinhaço UFVJM / Orlindo Or lindo Wagner Wagner Soares Pereira. Per eira. – Diamantina: UFVJM, 2013. 59 p. : il. Orientador: Prof. Prof. Dr. Dr. Manoel José Mendes Pires Pires Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Bacharelado em Ciência e Tecnologia) Tecnologia) - Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Federal Federa l dos Vales Vales do Jequitinhonha e Mucuri, 2013. 1. Mini baja. 2. Baja Espinhaço. 3. Eletrônica embarcada. 4. Arduino. I. Pires, Manoel José Mendes. II. Título.

CDD 623.8504

Elaborada com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).

DEDICATÓRIA

este trabalho trabalho a minha família e amigos que sempre me incentivaram a continuar estudando.” “Dedico

AGRADECIMENTOS

Agradeço a toda

minha família e amigos próximos pelo apoio que me deram

durante estes últimos três anos. Aos professores e técnicos do Instituto de Ciência e Tecnologia pelo trabalho que fizeram e que fazem para a formação formação de futuros engenheiros. A toda Equipe Baja EspinhAço pela oportunidade de fazer parte deste projeto, a qual eu tenho o prazer de participar. Um agradecimento especial ao professor Manoel José Mendes Pires, por ter me orientado durante estes últimos meses para o desenvolvimento deste trabalho, pela  paciência e por sua experiência profissional. Um agradecimento especial também à professora Raquel Anna Sapunaru, pelo seu apoio moral e intelectual, que me fez enxergar o mundo de outra maneira e acreditar que,  por mais difícil que as coisas sejam, o melhor sempre está está por vir!

“Não olhe para o dedo. Olhe para a lua.” Platão

RESUMO PEREIRA, O. W. S; PLANEJAMENTO DO SISTEMA DE ELETRÔNICA EMBARCADA PARA MINI BAJA  –   EQUIPE BAJA ESPINHAÇO UFVJM, 59p, 2013. Trabalho de Conclusão de Curso. Bacharelado em Ciência e Tecnologia. Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri. Diamantina. Minas Gerais.

Este trabalho apresenta e discute o primeiro projeto de eletrônica embarcada do veículo Mini Baja da Equipe Baja EspinhAço UFVJM. As competições SAE Brasil de Mini Baja reúnem Instituições de Ensino Superior de todo o Brasil, com o objetivo de  promover o desenvolvimento acadêmico de alunos de engenharia com interesse no setor automotivo. Através de análises e comparações de sensores e da plataforma de aquisição e gerenciamento de sinais escolhida para o Baja EspinhAço, vários aspectos são abordados, desde a concepção até o funcionamento dos sistemas projetados. Visando a construção de um painel de instrumentos e coleta de dados, optou-se pelo uso da plataforma de  prototipagem Arduino como central eletrônica. Essa central registra e apresenta em tempo real ao piloto informações como rotação e temperatura do motor, assim como a quantidade de combustível no tanque.

Palavras chaves: Mini Baja , Baja Espinhaço, Eletrônica embarcada, Arduino

ABSTRACT

This work presents and discusses the first project of on board electronics of the Mini Baja of the EspinhAço UFVJM team. The SAE Brasil competitions of Mini Bajas involve universities and colleges from different parts of Brazil in order to promote de academic development of engineering students with interest in the automotive sector. Several aspects of the projected systems are discussed through analysis and comparisons of sensing probes, and of the chosen platform for data acquisition and management of signals. The Arduino  prototype platform has been chosen as the electronic central seeking se eking for the construction of the instruments panel and data acquisition. This central records and provide to the pilot live information as the rotation and temperature of the motor, as well as the amount of fuel in the tank. Keywords: Mini Baja Baja , Baja Espinhaço, Onboard electronics, Arduino

LISTA DE FIGURAS

Figura 1  –  Mini bajas ........................................... ................................................... .......... 18 Figura 2  –  Logo  Logo da Equipe Espinhaço Baja SAE; Integrantes da equipe participando como comissários em Piracicaba –  SP   SP ............................................................................... 19

 Esquema da placa Arduino UNO..................................................................... 21 Figura 3  –  Esquema   Modelos de plataformas de prototipagem Arduino......................................... Arduino......................................... 22 Figura 4  –  Modelos Figura 5  –  Exemplos  Exemplos de Shilds comumente utilizados com o Arduino............................ 22 Figura 6  –  Montagem  Montagem de vários Shilds.............................................................................. 23

 IDE do Arduino .............................................................................................. 23 Figura 7  –  IDE  Código básico de programação do Arduino..................................................... 24 Figura 8  –  Código Figura 9  –  Ciclo  Ciclo de desenvolvimento para a programação do Arduino............................ 24 Figura 10  –  Curvas   Curvas de um dispositivo ohmico à esquerda, e não ôhmico à direita. ....... 26 Figura 11  –  Efeito Hall ............................................... ....................................................

27

temperatura LM35CZ, e sua configuração configuração de pinagem .............. 29 Figura 12  –  Sensor de temperatura Figura 13  –  –   Sensor reedswitch e sua aplicação para a medição de velocidade ............ 29  –  Sensor Figura 14  –  Sensor  Sensor indutivo e sua aplicação para a medição de velocidade .................... 30 Figura 15  –  Display LED  Display LED de 7 segmentos ........................................................................ 31

 Display LCD 16 x 2 .............................................................. ....................... 31 Figura 16  –  Display Figura 17  –  Rede de Comunicação I2C ......................................... ................................. 32

Figura 18  –  Dispositivos   Dispositivos elétricos obrigatórios para os veículos mini-bajas: bateria, luz de freio e botão killswitch........................................................................................................ killswitch........................................................................................................ 34

 Circuitos elétricos dos itens obrigatórios dos veículos mini-bajas, à esquerda o Figura 19  –  Circuitos circuito da chave geral e à direita o circuito da luz de freio .............................................. 34 Figura 20  –  Organograma  Organograma do painel de instrumentos ....................................................... 35

 Disposição dos itens de eletrônica embarcada do Baja EspinhAço............... 36 Figura 21  –  Disposição  Layout do painel, feito no software AutoCAD......................................... ... Figura 22  –  Layout do

36

  Esquema de montagem do painel de instrumentos ...................................... 38 Figura 23  –  Esquema Figura 24  –  Esquema  Esquema elétrico da central do painel de instrumento, feito no CAD software  Eagle ..................................................... ............................................................................................................ ......................................................... .................... .................. 38

 Layout para a produção da placa de circuito impresso do PainelShield do PainelShield ........ 39 Figura 25  –  Layout para Figura 26  –  Imagem do sensor Hall SS41..................................... ..................................

40

Figura 27  –  Desenho esquemático do tanque de combustível .......................................

41

Figura 28  –  Desenho esquemático do circuito RTC............................... ........................

42

Figura 29  –   Acionamento de um display de 7 segmentos utilizando o  shift register  PCF8574AP usando apenas duas portas do Arduino........................................ ................ 43 Figura 30  –  Esquema elétrico elétrico do dispositivo dispositivo PCF8574 .................................................. 44

Figura 31  –  Display  Display LCD e Arduino na protonboard na protonboard ..................................................

44

 Fluxograma do sistema eletrônico do painel de instrumentos ...................... 45 Figura 32  –  Fluxograma

Figura A1  –  Figura 32  –   Fluxograma do sistema eletrônico do painel de instrumentos ................................................................................................................................... 51

LISTA DE TABELAS

TABELA

1

 –   Organização do Regulamento da Competição Baja SAE Brasil

...................................................................................................................................

TABELA

2

 –   Análise da Figura 3, significados das partes destacadas

...................................................................................................................................

TABELA 3

- Componentes eletrônicos do painel de instrumentos ..........................

21

37

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO...................................................................................................

15

1.1 Objetivo .................................................. .................................................... ........................................................ ....

15

1.2 Justificativa ................................................... ..................................................

16

1.3 Organização do Trabalho ................................................ .................................

16

2. CONCEITOS E DEFINIÇÕES..........................................................................

16

2.1 O Projeto Baja SAE .......................................... ...............................................

16

2.1.1 Os mini bajas ................................................. ..........................................

17

2.2 A Equipe Baja EspinhAço UFVJM ............................................. ....................

18

2.3 O Regulamento da Competição............................... .........................................

19

2.4 O Microcontrolador Arduino .............................................. .............................

20

2.4.1 O que é o Arduino? ............................................................... ..................

20

2.4.2

do Arduino ...................................................... .................................................................................. ............................

22

2.4.3 Processo de gravação do código ..................................... .........................

23

2.5 Sensores e Dispositivos Eletroeletrônicos ........................................ ...............

25

2.5.1 Princípios de Eletricidade e Eletromagnetismo ......................................

25

2.5.1.1 Lei de Ohm ...................................................... ................................................................................... .............................

25

2.5.1.2 Leis de Kirchoff ............................................. ...............................

26

2.5.1.3 Lei de Faraday ............................................... ................................

26

2.5.1.4 Efeito Hall ..................................................... ..................................................................................... ................................

27

2.5.2 Sensores ............................................. .....................................................

27

2.5.2.1 Potenciômetro....................................................... .........................

28

2.5.2.2 Sensores de Temperatura..................................................... ..........

28

2.5.2.3 Sensores de Velocidade e RPM......................................... ............

29

2.5.3 Mostradores (Displays) ........................................... ................................

30

2.6 Comunicação de Dispositivos .................. .................................................... ....................................................... ...

31

2.6.1 Comunicação Serial ....................................... .........................................

31

Shields

2.6.2 Comunicação I2C ................................................... .................................

3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ........................................................

32

33

3.1 Montagem dos Itens Obrigatórios ......................................... ...........................

33

3.2 Montagem do Painel de Instrumentos .............................................. ................

34

3.3 Implementação do Sistema .............................................. ................................

35

3.3.1 Desenvolvimento dos layouts e circuitos eletrônicos .............................

36

3.3.2 Medições de velocidade e RPM ..................................................... ............................................................ .......

39

3.3.3 Medições de temperatura e nível de combustível ..................................

40

3.3.4 Relógio Digital ................................................. .......................................

42

3.3.5 Utilização dos displays no painel projetado ............................................

42

3.3.6 A programação ............................................. ............................................

45

3.4 Análise do Projeto ................................................... .........................................

46

3.5 Perspectivas Futuras ............................................... ..........................................

47

4. CONCLUSÃO......................................................................................................

47

REFERÊNCIAS ......................................................................................................

49

ANEXOS...................................................................................................................

51

Anexo A –  Detalhes específicos do ATMEGA328PU .............................................

51

Anexo B –  A Programação..................................... ..................................................

52

15

1. INTRODUÇÃO A indústria automobilística é responsável por boa parte do desenvolvimento da economia. Há uma grande quantidade de áreas envolvidas na produção de um veículo, como a indústria eletrônica, química, têxtil, tecnologia da informação, autopeças, automação, etc. Pode-se entender como eletrônica embarcada, qualquer conjunto ou sistema eletrônico instalado em um veículo (carro, avião, navio). (CAPELLI, 2010, p.5) Nos últimos anos a eletrônica embarcada tem aumentado significativamente nos automóveis. Se antes ela se aplicava apenas à ignição e sinalização, hoje os vários veículos automotores já saem de fábrica com sistemas de injeção eletrônica, sistema de freios ABS , computador de bordo, etc. Além disso, há uma forte preocupação quanto ao consumo, e exigências quanto ao desempenho e emissão de  poluentes. O mini baja também é um veículo que possui a sua eletrônica embarcada. Uma vez que,  por ser um veículo de competição, necessita de um sistema eletroeletrônico para alcançar o desempenho desejado pela equipe e seguir os requisitos das competições. O sistema eletroeletrônico do Baja EspinhAço é composto pelos itens obrigatórios e os itens adicionais visando segurança e conforto ao piloto. Por outro lado a construção de um painel de instrumentos oferece informações do veículo, além de proporcionar conforto e praticidade ao  piloto. Para o desenvolvimento de tais sistemas, torna-se interessante o uso da simulação, modelagem matemática, informática, processos de fabricação, custos e design do produto, que garante boa aceitação do produto, além do uso de boas práticas de engenharia para o desenvolvimento do projeto.

1.1 Objetivo Este trabalho tem como objetivo projetar um sistema de eletrônica embarcada para um veículo Baja SAE (Society of Automotive Engineers), visando praticidade e conforto para o  piloto. Assim como prover a análise das características necessárias para que o veículo tenha um  bom desempenho d esempenho nas competições realizadas pela SAE S AE na categoria Baja off-road, nas quais as equipes competidoras são compostas por estudantes de graduação em Engenharia.

16

1.2 Justificativa O projeto de construção de um veículo envolve muitas variáveis, tais como o estudo de  projeto, análise de materiais e tecnologias aplicadas. Assim como a aplicação dos conhecimentos adquiridos na academia. É também uma forma de difusão do conhecimento. Além disso, a montagem de um protótipo possibilita aos alunos tudo o que está relacionado ao projeto como, oportunidade de idealização, concepção, dimensionamento, análise, simulações, fabricação, montagem, testes, além de oferecer a oportunidade de desenvolver habilidades técnicas, econômicas, sociais e interpessoais.

1.3 Organização do Trabalho Para o desenvolvimento deste trabalho optou-se pela seguinte organização: 

Conceitos e definições: Diz respeito à competição Baja SAE, a Equipe e revisão  bibliográfica.



Planejamento e desenvolvimento do projeto em si, explicando a metodologia e tecnologias utilizadas para a implementação do sistema.



Detalhes do projeto e Perspectivas Futuras



Conclusão

Optou-se, também, por incluir alguns anexos referentes ao assunto do trabalho, como detalhes específicos de dispositivos e o código da programação.

2. CONCEITOS E DEFINIÇÕES 2.1 O Projeto Baja SAE O projeto Baja SAE tem como objetivo estimular o aprendizado em engenharia e introduzir conhecimentos práticos de projeto, construção, montagem e manutenção a partir do desenvolvimento de um veículo off-road , denominado mini baja. Com essa iniciativa, a SAE estimula o desenvolvimento de novas ideias e tecnologias. (ARAÚJO et al, 2006, p.777)

17

O projeto Baja SAE foi criado na Universidade da Carolina do Sul, Estados Unidos, sob a direção do Dr. John F. Stevens, sendo que a  primeira competição ocorreu em 1976. O ano de 1991 marcou o início das atividades da SAE BRASIL, que, em 1994, lançava o Projeto Baja SAE BRASIL.  No ano seguinte, em 1995, era realizada a primeira competição nacional, na pista Guido Guido Caloi, bairro bairro do Ibirapuera, cidade cidade de São Paulo. No No ano seguinte a competição foi transferida para o Autódromo de Interlagos, onde ficaria até o ano de 2002. A partir de 2003 a competição competição passou a ser realizada em Piracicaba, interior de São Paulo, no ECPA –  ECPA  –  Esporte  Esporte Clube Piracicabano de Automobilismo. Desde 1997 a SAE BRASIL também apoia a realização de eventos regionais do Baja SAE SAE BRASIL, através de suas Seções Seções Regionais. Desde então dezenas de eventos foram realizados em vários estados do país como Rio Grande do Sul, São Paulo, Minas Gerais e Bahia. (Regulamento Baja SAE Brasil - RBSB1, 2010, p.2 )

A SAE é uma entidade fundada em 1905 nos Estados Unidos, responsável pela criação do  projeto, assim como pela realização das competições. O objetivo desta instituição é promover a difusão e o intercâmbio de informações tecnológicas entre profissionais da iniciativa privada, das comunidades acadêmicas e entidades públicas. Para isso, reúne mais de 90 mil associados, distribuídos em 93 países, atuando nas áreas terrestre, naval, aérea e espacial e estabelecendo normas e procedimentos.

2.1.1 Os mini bajas Os mini bajas, são veículos monopostos, e possuem chassis tubulares em aço, condizentes com as normas e procedimentos de segurança, além de suspensões independentes nas quatro rodas, carroceria em fibra de vidro, carbono ou kevlar , e motores estacionários de 10 HP  padronizados para todas as equipes (Figura ( Figura 1).

18

Figura 1 –  1 –  Mini  Mini bajas

As competições realizadas no Brasil se dividem em duas etapas anuais, sendo uma modalidade regional e outra nacional1. Os projetos das equipes passam por vários testes divididos em três fases distintas: provas estáticas, provas dinâmicas e enduro de resistência. A colocação final de cada veículo é calculada pela soma das notas, cada qual multiplicada pelo seu respectivo  peso.  Nesta Competição, as equipes devem mostrar suas habilidades de projeto, desenvolvimento e construção do Mini Baja, além de pilotarem os seus próprios protótipos. Desde o projeto até o carro já pronto, os integrantes devem obedecer às normas estabelecidas pela SAE. Os estudantes que participam do Projeto Mini Baja obtêm uma completa visão do desenvolvimento de um produto na indústria automobilística, desde o conceito até a construção do protótipo.

2.2 A Equipe Baja EspinhAço A equipe Baja EspinhAço é formada pelos alunos dos cursos Bacharelado em Ciência e Tecnologia e Engenharia Mecânica da UFVJM. Criada em Novembro de 2011, teve o seu 1

 As três equipes mais bem colocadas na modalidade Nacional se classificam para a competição competição mundial realizada

nos Estados Unidos.

19

 primeiro contato com a competição no ano de 2012 quando os membros foram à cidade de Piracicaba - São Paulo - participar como voluntários da competição nacional.

Figura 2 –  2 –  Logo  Logo da Equipe EspinhAço Baja SAE; Integrantes da equipe participando como comissários em Piracicaba-SP. foto tirada em 26/03/2012) A equipe conta com o apoio de diversos professores do Instituto de Ciência e Tecnologia além de utilizar a estrutura da Universidade para o desenvolvimento do projeto. A equipe desenvolveu o projeto escrito para ser apresentado na Competição Nacional 2013, que ocorreu nos dias 14 a 17 de março. A equipe foi bem na apresentação, ficando bem colocado na competição (61º colocação em um ranking de 82 equipes participantes), mesmo sem ter o protótipo pronto, o que serviu de estímulo para os trabalhos da equipe.

2.3 O Regulamento da Competição O regulamento da competição de mini bajas no Brasil é encontrado no site da SAE Brasil. E o mesmo está dividido em 5 partes: RBSB 1, RBSB 3, RBSB 5, RBSB 7, RBSB 9, RBSB 11. A Tabela 1 descreve cada tópico do regulamento (RBSB: Regulamento Baja SAE Brasil ):

20

Tabela 1: Organização do Regulamento da Competição Baja SAE Brasil. CAPÍTULO

ASSUNTO

RBSB 1

Definições

RBSB 3

Competição Baja SAE BRASIL

RBSB 5

Requisitos Gerais do Veículo

RBSB 7

Requisitos Mínimos de Segurança

RBSB 9

Avaliações e Pontuação

RBSB 11

Procedimentos da Competição

Do ponto de vista da eletrônica embarcada no veículo, o capítulo RBSB 7, itens de segurança e conforto agregam as informações pertinentes aos itens eletroeletrônicos do veículo, tais como a luz de freio, chave geral e bateria. Todas as equipes devem seguir rigorosamente o regulamento, uma vez que este é um dos requisitos básicos para um bom desenvolvimento do  protótipo.

2.4 O microcontrolador Arduino 2.4.1 O que é o Arduino? O Arduino é uma plataforma de prototipagem que contém o circuito integrado ATMEGA328PU2, pertencente à categoria dos microcontroladores, ou seja, um componente integrado onde um único dispositivo contém todos os circuitos necessários para realizar um completo sistema digital programável. Por ser open source, isto é, de código livre, o Arduino permite a construção e desenvolvimento de projetos eletrônicos sem a necessidade de um conhecimento técnico aprofundado sobre o assunto. Além disso, possui caráter colaborativo uma vez que possui desenvolvedores em vários países. Basicamente o Arduino, recebe, gera e interpreta dados. Com base nos valores de entrada e saída, permite, por exemplo, o desenvolvimento de controle residencial e robótica com

2

Circuito integrado produzido pela  ATMEL. Os detalhes específicos deste componente estão no Anexo A deste

trabalho.

21

capacidades de controle, resposta e aquisição de dados. A Figura 3 a seguir descreve a estrutura do hardware, cujos componentes estão listados na Tabela 2.

Figura 3 –  3 –  Esquema  Esquema da placa Arduino UNO. Fonte: > Tabela 2: Análise da Figura 3, significado das partes destacadas Componente

Descrição

Cor

Digital Pins

Pinos de Entrada e saída Digital

Verde Claro

Analog In Pins

Pinos de Entrada e saída Analógica (0-5V)

Azul Claro

Pinos de Energia

Laranja e Laranja Claro

Suprimento Externo de energia (9 - 12VDC)

Rosa

Power and Ground Pins Jack / Entrada de energia USB RX - TX Pins

Usada para gravar os programas; Comunicação serial entre placa e computador; Pinos usados para comunicação Serial com dispositivos

Amarelo Verde Escuro

O Arduino está disponível em uma ampla gama de modelos para melhor adaptar-se as exigências de projetos específicos, diferenciando-se pelo número de linhas de  I/O  (entrada e saída) e pelo conteúdo do dispositivo. Alguns exemplos de plataformas Arduino são apresentados na Figura 4.

22

Figura 4 –  4 –  Modelos  Modelos de plataformas de prototipagem Arduino. Fonte:

2.4.2

 do Arduino Shields  Os  shields3  são dispositivos eletrônicos que podem ser conectados (encaixados) no

Arduino. São extensões do Arduino que permitem interagir com tecnologias diversas com facilidade. As Figuras 5 e 6 trazem alguns exemplos de shields.

Figura 5 –  5 –  Exemplos  Exemplos de Shilds comumente utilizados com o Arduino. Fonte:

3

Shield

em inglês significa significa escudo. O significado deste termo, termo, no contexto, está no fato do mesmo se conectar ao

arduino formando uma espécie de escudo como pode ser observado na Figura 6.

23

Figura 6 –  6 –  Montagem  Montagem de vários Shilds . Fonte:

2.4.3 Processo de gravação do código Para gravar um código no microcontrolador é preciso inicialmente fazer o download  do  software  do arduino no link: . O passo seguinte é fazer a

instalação dos drivers ao conectar o dispositivo no computador. Realizada as etapas anteriores é preciso abrir a IDE (ver Figura 7), ou seja, o ambiente de  programação para escrever o código, na linguagem específica. A linguagem de programação do arduino é semelhante á linguagem C/C++ uma vez que  possui estruturas comuns (como if, else, switch, case,  for , etc). É importante ressaltar que a linguagem de programação do arduino é bastante específica pois as bibliotecas utilizadas são diferentes.

Figura 7 –  7 –  IDE  IDE do Arduino. Fonte:

24

Para o comando do circuito o microcontrolador utiliza duas funções básicas, que são a função void setup() e a função void loop(), a primeira configura as portas do dispositivos para os modos de entrada ou saída, enquanto a segunda executa um loop (laço) infinito, ou seja com esta função o programa fica executando infinitamente no dispositivo. A Figura 8 apresenta a sintaxe  básica de programação do d o Arduino enquanto a Figura 9 representa represent a o ciclo de desenvolvimento dese nvolvimento do Arduino, isto é o processo geral de gravação do código no dispositivo.

Figura 8 –  8 –  Código  Código básico de programação do Arduino. (retrato de tela do computador –  computador –  print  print screen)

Figura 9 –  9 –  Ciclo  Ciclo de Desenvolvimento para a programação do Arduino. Fonte:

25

2.5 Os Sensores e Dispositivos Dispositivos Eletroeletrônicos Para a escolha dos dispositivos eletrônicos é importante o conhecimento do princípio de funcionamento dos mesmos assim como os detalhes de sua instalação, e a aferição dos resultados.

2.5.1 Princípios de Eletricidade e Eletromagnetismo Os princípios físicos são importantes para o desenvolvimento dos projetos de engenharia. Em áreas como eletromagnetismo e eletrônica, alguns conceitos fundamentais tais como, a Lei de Ohm, a Lei de Kirchhoff e outras teorias são ferramentas indispensáveis para o entendimento do funcionamento de dispositivos e sistemas mais complexos. Apresentamos brevemente alguns desses conceitos relevantes no caso desse trabalho.

2.5.1.1 A Lei de Ohm A lei fundamental da eletricidade é a Lei de Ohm. Ela relaciona: Tensão (V), Corrente (I) e Resistência (R). Várias de suas aplicações são vistas diariamente, até mesmo sem conhecê-la. Segundo HALLIDAY et al. (2010, p. 151), a lei de Ohm é definida da seguinte maneira: “ A Lei de Ohm é a afirmação de que a corrente que atravessa um dispositivo é  sempre diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada ao dispositivo.” HALLIDAY et al., 2010, p. 151). Caso seja constante o valor da resistência, aumentando o valor da tensão, observa-se um aumento proporcional do valor da corrente e vice-versa. Ou seja, V = RI

26

Um dispositivo ôhmico é aquele que obedece a afirmação citada anteriormente, e um não ôhmico o contrário. A Figura 10 apresenta as curvas IxV de um dispositivo ôhmico e um não ôhmico:

Figura 10 –  10 –  Curvas  Curvas de um dispositivo ohmico à esquerda, e não ôhmico à direita. Fonte: HALLIDAY et al., 2009, p. 151  No caso de um dispositivo ôhmico, a inclinação da reta é a resistência elétrica R do trecho onde a diferença de potencial foi medida.

2.5.1.2 Leis de Kirchoff As regras ou leis de Kirchhoff são leis básicas para o entendimento de circuitos elétricos. Também conhecida como Lei das Malhas e Lei dos nós, elas se resumem nas seguintes afirmativas: “ REGRA DAS MALHAS: A soma algébrica das variações de potencial potencial encontradas ao  percorrer uma malha fechada é sempre zero.” (HALLIDAY zero.” (HALLIDAY et al., 2010, p.176) “REGRA DOS NÓS: A soma das correntes que entram em um nó é igual à soma das correntes que saem do nó.” HALLIDAY et al., 2010, p.176)

2.5.1.3 Lei de Faraday Essa lei corresponde à observação de que correntes variáveis em um circuito induzem uma corrente em um circuito próximo. A corrente variável do circuito produz um campo

27

magnético variável, que, por sua vez, gera uma corrente elétrica no segundo circuito. Similarmente, o movimento de um ímã em um circuito gera neste uma corrente. Observa-se também que, mantendo o campo fixo, mas variando a área de um circuito em contato com o campo magnético, ou ainda a orientação do circuito relativa ao campo, uma corrente no circuito também é gerada. Em conjunto, estas observações indicam que a variação do fluxo magnético gera um campo elétrico associado a uma tensão que, na presença de cargas, gera uma corrente induzida.

2.5.1.4 Efeito Hall O efeito Hall é um fenômeno que ocorre quando um condutor elétrico é submetido a um campo magnético (H) perpendicular à direção da corrente elétrica (I) que o percorre, o que ocasiona uma diferença de potencial (e) nas laterais desse. Esse efeito é significativo apenas em certos materiais, geralmente semicondutores de alta pureza. Na Figura 11 apresentamos um esquema geral da geometria envolvida.

Figura 11 –  11 –  Efeito  Efeito Hall. Fonte: (BRAGA, 2012, p.29) O efeito ocorre devido ao fato das cargas elétricas tenderem a desviar-se de sua trajetória  por causa da força de Lorentz. Desta forma cria-se um u m acúmulo de cargas car gas nas superfícies laterais do condutor produzindo uma diferença de potencial.

2.5.2 Sensores Atualmente existe uma diversidade de sensores no mercado para diversas aplicações. Dentro do ramo do automobilismo, alguns sensores ganham destaque, uma vez que possibilita a

28

medição de variáveis como nível de combustível, velocidade, temperatura, etc. Vários deles são  baseados nas leis e princípios citados nas seções s eções anteriores.

2.5.2.1 Potenciômetro O potenciômetro é um dispositivo que varia sua resistência elétrica através de um acionamento mecânico. Uma outra maneira de compreender um potenciômetro é entendê-lo como apenas uma resistência variável. Há potenciômetros de vários modelos, de diferentes resistências para variadas aplicações. Serve como auxílio para a regulagem de circuitos eletroeletrônicos, além de servir como sensor quando se trata de variação angular e linear de distâncias milimétricas. Tais como a variação do nível de fluido em um reservatório ou o deslocamento linear de um suporte mecânico.

2.5.2.2 Sensores de temperatura É possível encontrar no mercado uma variedade de sensores capazes de detectar a variação de temperatura em determinados sistemas. Os mais comuns estão relacionados com o a variação da tensão elétrica à medida que a temperatura do ambiente analisado varia. Um dispositivo muito usado para medir temperatura é o termopar. O termopar consiste em dois fios condutores de materiais diferentes unidos numa das extremidades, e que, por terem configurações distintas de níveis eletrônicos, apresentam uma diferença de potencial na junção das extremidades. Essa diferença de potencial varia com a temperatura e pode então ser utilizada  para a medição da mesma. Existem vários tipos de termopares formados com condutores de diferentes materiais. Outra maneira de medir temperatura é usando circuitos integrados, fabricados especialmente para esta finalidade a partir de materiais semicondutores. O LM35CZ (Figura 12) é um bom exemplo destes circuitos integrados, e oferece boa precisão para as faixas de temperatura entre –  entre –  50  50 a 150 ºC. O circuito integrado LM35CZ é um sensor de temperatura que oferece uma saída analógica obedecendo a uma linearidade entre temperatura aplicada a e voltagem de saída. Este

29

valor de conversão pode ser encontrado na documentação do dispositivo (datasheet ). ). Com base neste valor calcula-se a temperatura.

Figura 12: Sensor de temperatura LM35CZ, LM35CZ, e sua configuração de pinagem. Fonte: LM35CZ Datasheet 

2.5.2.3 Sensores de velocidade e RPM Para efetuar a medida de velocidade e rotações por minuto, é importante medir a frequência com que uma roda gira. Para isso é preciso, por exemplo, um sensor capaz de captar  pulsos elétricos gerados, e ou convertê-los em uma saída analógica. Para a medição de velocidade é também possível utilizar chaves magnéticas reedswitch, sensores de efeito Hall ou um sensor indutivo. A chave magnética reedswitch consiste basicamente em dois contatos metálicos dentro de uma ampola de vidro. Estes contatos estão muito próximos e quando um imã passa próximo deles, os mesmos encostam um no outro, fechando o circuito. A seguir a Figura 13 mostra a aplicação do sensor reedswitch :

Figura 13 –  13 –  Sensor  Sensor reedswitch e sua aplicação para a medição de velocidade. Fonte: (BRAGA, 2012, p.3)

30

O sensor Hall possui aplicação semelhante à chave magnética reedswitch, entretanto a forma com que o mesmo emite o sinal elétrico é diferente, como já foi explicado no item 2.5.1.4. Quanto ao sensor indutivo é importante ressaltar que o mesmo, consiste em um dispositivo responsável por obter uma corrente induzida através da variação do campo magnético na região sensora. Um artifício para medir velocidade através de um sensor indutivo é explorar os dentes de uma roda dentada de modo que o sinal emitido pelo sensor varia com a frequência com que os dentes passam próximos a ele (Figura 14):

Figura 14 –  14 –  Sensor  Sensor indutivo e sua aplicação para a medição de velocidade. Fonte: (BRAGA, 2012, p.29) Enfim em todos os casos apresentados, é importante ressaltar que a velocidade é calculada de acordo com a frequência dos pulsos obtidos.

2.5.3 Mostradores (Displays  ) Além da coleta de informações através de sensores, torna-se indispensável a apresentação dos resultados obtidos. Para isso o uso de uma interface digital facilita o entendimento de vários  processos, como por exemplo, dados obtidos por um sensor s ensor de umidade apresentados na tela de um computador. Para pequenas instalações e montagens, o uso de displays  de LED de 7 segmentos é muito interessante. Pois uma central de controle pode ser programada para a apresentação de valores numéricos. Este tipo de mostrador pode ser utilizado desde relógios digitais, até nos  painéis eletrônicos de um estádio de futebol (Figura 15). 15 ).

31

Figura 15 –  15 –  Display  Display LED de 7 segmentos. O display de LCD ( Liquid  Liquid Crystal Display ), também é bastante comum. Sendo possível encontrá-lo facilmente em diversas aplicações, como telas de TVs, computadores, relógios, celulares, painéis de carros, etc. Um exemplo é apresentado na Figura 16.

Figura 16 –  16 –  Display  Display LCD 16 x 2. O este tipo de display é bom para a apresentação de textos curto e caracteres variados, o que possibilita o seu uso em várias situações.

2.6 Comunicação de Dispositivos Para a utilização dos dispositivos eletrônicos é imprescindível o conhecimento do modo de comunicação dos mesmos. Dois tipos de comunicação básica para dispositivos eletrônicos são a comunicação Serial e a Comunicação I2C, que serão discutidas a seguir.

2.6.1 Comunicação Serial A comunicação Serial é bastante difundida nos dispositivos eletrônicos. É este o tipo de comunicação estabelecida com a maioria dos dispositivos periféricos conectados a um computador, tais como impressoras, mouses, etc.

32

A comunicação serial consiste na passagem de um bit   por vez através de dois fios de comunicação TX como pino de transmissão e RX como pino de recepção de dados. (SANTOS, 2009, p.48) A velocidade de comunicação é dada em “bauds”, isto é, bits por segundo. Os valores de velocidade de comunicação mais comuns comun s para p ara comunicação com um computador são: 300, 3 00, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 1920 0, 28800, 38400, 57600 5760 0 e 115200 (no entanto podem definir-se outros valores).

2.6.2 Comunicação I2C Para explorar todos os recursos de um sistema eletrônico, os engenheiros projetistas trabalham visando minimizar a complexidade dos circuitos. Para facilitar essa tarefa, em meados das décadas de 80 e 90, a empresa de tecnologia Phillips criou o sistema de comunicação I2C. Este tipo de comunicação consiste basicamente na transmissão de informações utilizando apenas dois fios, são eles o SDA (Serial Data Line) e o SCL (Serial Clock Line), além dos fios de alimentação4. Os fios de comunicação SDA e SCL, possuem a característica de serem bidirecionais, diferentemente da comunicação Serial descrita anteriormente,

A figura 17 apresenta um

diagrama de uma rede de comunicação I2C:

Figura 17 –  17 –  Rede  Rede de Comunicação I2C  Note que na Figura 17 aparecem os termos “M a ster” e “Slave”. Estes termos referem-se aos dispositivos que coordenam uma operação e outros que seguem orientações. Dito de outra

4

Fonte: article&sid=13>

33

maneira, o dispositivo  Master   (mestre) é responsável pelo controle da comunicação além de coordenar as operações de outro dispositivo denominado Slave (escravo)5. É importante ressaltar que todos os dispositivos conectados à rede possuem um endereço, ou seja, uma sequência binária que determina a sua posição. Este endereçamento é feito através da ligação elétrica estabelecida. Se, por exemplo, três pinos de endereçamento de um dispositivo estão conectados na sequência , este dispositivo possui o endereço de rede <1,0,1>, ou seja o VCC representa o bit 1 enquanto o GND representa o bit 0. Seja n o número de portas de endereçamento. A quantidade máxima de dispositivos que  podem ser conectados á rede I2C é dada d ada por

 dispositivos.

A vantagem deste tipo de comunicação está na praticidade que a mesma oferece para o desenvolvimento do sistema, que passa a ser organizado na forma de blocos, além de favorecer a detecção rápida e precisa de problema no circuito e no desenvolvimento facilitado das  bibliotecas de programação para os dispositivos de d e hardware projetados.

3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO O sistema eletroeletrônico do Baja Espinhaço é composto pelos itens obrigatórios e os itens adicionais visando segurança e conforto ao piloto. Em relação a esses últimos pontos, a utilização de um painel de instrumentos pode oferecer várias informações do veículo com grande  praticidade, além da possibilidade da equipe pontuar na competição no quesito inovação tecnológica.

3.1 Montagem dos Itens Obrigatórios Dentro da categoria de itens obrigatórios foram montados dois circuitos elétricos independentes, são eles: a instalação dos botões killswitches (chave geral) e o sistema da luz de freio. Para os botões killswitches  optou-se pelo botão tipo cogumelo (Figura 18), este botão  possui a característica de ser acionado pressionando-o pres sionando-o e aberto girando-o. girando-o . São usados dois botões, 5

Todos os dispositivos dispositivos da rede podem ser  Master  ou Slave. Em geral. O dispositivo que inicia a transmissão é

considerado como dispositivo  Master . (Fonte: http://goo.gl/YJkWc ).

34

 porque um é para acesso do piloto e outro para a parte externa da estrutura6. Para a luz de freio optou-se por uma lâmpada de LED (comumente utilizada em motocicletas), visto que possui  baixo consumo de d e energia. A luz de freio é acionada acion ada toda vez que o pedal de freio é pressionado, mesmo quando o carro está desligado.

Figura 18 –  Dispositivos  Dispositivos elétricos obrigatórios para os veículos mini-bajas: bateria, luz de freio e botão killswitch. Basicamente os circuitos elétricos da luz de freio e dos botões killswitch, são os apresentados na Figura 19 .

Figura 19 –  19 –  Circuitos elétricos dos itens obrigatórios dos veículos mini-bajas, à esquerda o circuito da chave geral e a direita o circuito da luz de freio.

3.2 Montagem do Painel de Instrumentos  No painel são fornecidas forne cidas informações tais como: velocidade, rotações r otações por minuto (RPM), Temperatura do óleo do motor, nível de combustível, data/hora e distância percorrida pelo veículo. 6

O botão da parte externa permite permite que o juiz de prova (por motivos de segurança ou penalização) desligue desligue o carro a

qualquer momento durante a competição.

35

Para a montagem do mesmo é preciso calibrar os sensores e efetuar a leitura dos sinais e enviá-los á uma central que será responsável por efetuar a leitura, interpretação e apresentação dos resultados. A central eletrônica escolhida para o Baja EspinhAço foi o microcontrolador arduino, explicado nas seções anteriores deste trabalho. Deste modo a concepção geral do sistema eletrônico do mini baja é como está apresentado na Figura 20.

Figura 20 - Organograma do painel de instrumentos Além disso, o painel possui um buzzer  que   que será responsável por emitir um sinal sonoro em situações críticas, tais como temperatura elevada do óleo e baixo nível de combustível. A seguir serão apresentados os detalhes construtivos do sistema, enfatizando tópicos a respeito da escolha, instalação e ação dos sensores. Em seguida, como será efetuada a leitura dos sinais emitidos pelos sensores, a programação do microcontrolador, confecção do painel e disposição dos componentes na estrutura.

3.3 Implementação do Sistema Para a implementação do sistema eletrônico do baja EspinhAço, partiu-se inicialmente  para escolha dos sensores a serem aplicados7. Em seguida definiu-se o layout do sistema, os

7

 . É importante ressaltar que os sensores apresentados neste trabalho não serão necessariamente os aplicados no

veículo.

36

circuitos eletrônicos e a programação. Para o acabamento, optou-se por desenvolver o design quando for definida a geometria da gaiola. A Figura 21, a seguir, apresenta um esboço contendo os itens obrigatórios e o painel de instrumentos:

Figura 21 –  21 –  Disposição  Disposição dos itens de eletrônica embarcada do Baja EspinhAço. Para este primeiro protótipo da Equipe Baja EspinhAço, as variáveis de interesse a serem apresentadas no painel de instrumentos, são: Velocidade, RPM, temperatura do óleo do motor, nível de combustível e relógio digital.

3.3.1 Desenvolvimento dos layouts   e circuitos eletrônicos Para a montagem do painel, preocupou-se também com o desenvolvimento do layout  e   e os circuitos eletrônicos, visto que os mesmos auxiliam tanto no entendimento do projeto quanto no seu desenvolvimento. Para isso utilizou-se os softwares AutoCAD, para o desenvolvimento do layout  e o CAD Soft Eagle  para a montagem do circuito eletrônico e da placa de circuito

impresso.

Figura 22 –  22 –  Layout   Layout  do  do painel, feito no software AutoCAD.

37

Para a montagem dos circuitos eletrônicos utilizou-se todos os dispositivos que compõe o  painel. A tabela a seguir estabelece a relação de dispositivos dispos itivos periféricos para o circuito eletrônico do painel: Tabela 3: Componentes eletrônicos do painel de instrumentos.

COMPONENTE/CIRCUITO

QUANTIDADE

Arduino

1

Display de 7 segmentos

4

LED

14

IC PCF8574

6

Potenciômetro

2

Display LCD

1

Circuito RTC

1

Buzzer

1

É importante ressaltar que nesta tabela há apenas os itens de maior relevância, pois não foram incluídos os resistores, capacitores e conectores, uma vez que os mesmos mesmos dependem exclusivamente do circuito. Para a montagem do painel optou-se pela montagem dos dispositivos separadamente. Ou seja, o painel inteiro funciona como a a ssociação de blocos, onde cada bloco representa um circuito para alguma finalidade. Como por exemplo os circuitos para os dispalys de 7 segmentos.  Na Figura 23 estão descritos os blocos funcionais do painel de instrumentos. Observe que o  painel é um sistama de entrada de dados através dos sensores, processamento com o Arduino e saída com os displays.

38

Figura 23 –  23 –  Esquema de montagem montagem do painel de intrumentos. O painel de instrumentos da equipe Baja EspinhAço funciona como um  shield  do Arduino. De modo que o mesmo é composto por outros circuitos menores. Seguindo este raciocínio, com o  software EAGLE  monta-se o digrama esquemático do   da placa Shield (Figura 24) e posteriormente com este mesmo esquemático, produze-se o layout  da de circuito impresso, onde os componentes serão soldados posteriormente.

Figura 24 –  24 –  Esquema  Esquema elétrico da central do painel de instrumento, feito no CAD software  Eagle.

39

A Figura 24 representa o cicuito elétrico da central onde os dispositivos periféricos irão se conectar através de seus repectivos  slots, (posições). Para uma melhor compreensão de como será a estrutura física final, a Figura 25 apresenta a placa de circuito impresso8  resultante do esquemático da Figura 24. Essa técnica também é aplicada em cada um dos

dispositivos

 periféricos.

Figura 25 –  25 –  Layout  Layout para a produção da placa de circuito impresso do PainelShield. Quanto à alimentação do sistema a fonte será uma bateria de 12 V e 7 Ah. A qual será adaptado um conector tipo jack  para  para a alimentação do Arduino e do circuito como um todo. Uma nota importante sobre a fonte de alimentação e os dipositivos: Os dispositivos  projetados funcionam com a tensão de 5 V, o fato de estar usando uma bateria de 12 V não significa que o sistema opera à 12 V. Na placa do Arduino há um dispositivo eletrônico denominado regulador de tensão, como o nome já diz, este dispositivo é responsável por regular uma tensão mais elevada para uma tensão menor com uma saída de corrente que não danifique os compenentes do circuito.

3.3.2 Medições de velocidade e RPM Para a medição de velocidade e rotação por minuto, utiliza-se o mesmo princípio, ou seja, a medida da frequência com que um eixo está girando. Para isso optou-se por um sensor de efeito

8

 Até o momento a equipe não fez nenhum teste para a confecção das placas de circuito impresso. Então, detalhes

específicos da montagem da placa não se encontram neste trabalho.

40

Hall, devido a sua facilidade e praticidade no momento da instalação e programação, além de ser viável economicamente. O sensor de efeito Hall escolhido foi o modelo SS41, e sua configuração de montagem é apresentada na Figura 26 a seguir:

Figura 26 –  26 –  Imagem  Imagem do sensor Hall SS41. Fonte: < http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-como-utilizar-o-sensor-de-efeitohall-com-arduino> Mas por que o sensor Hall? A resposta está na confiabilidade que o mesmo oferece devido a sua montagem. Uma característica do sensor Hall, ou melhor, do circuito integrado (IC) de efeito Hall, é o funcionamento como se fosse uma chave eletrônica, pois o mesmo quando na  presença de um campo magnético, dependendo do sentido do campo, o IC Hall inverte a sua  polaridade, e fornece estados de alta e baixa tensão  HIGH   (HIGH  ou  LOW   respectivamente). O raciocínio aplicado para contar os pulsos é baseado em dois imãs utilizados para gerar o campo magnético ao redor do sensor de modo que os mesmo invertem a polaridade do sensor quando  passam próximo do mesmo, com base nessa variação de estado é possível contar os pulsos gerados, ou seja, medir a frequência.

3.3.3 Medições de temperatura e nível de combustível Para as medições de temperatura e nível de combustível, é preciso apenas a leitura de um sinal analógico que varia de 0 a 5 V. O microcontrolador detecta tais valores de tensões e os converte em valores digitais distribuídos em canais de leitura de 0 –  0  –  1023,   1023, ou seja 1024 canais. Esses canais correspondem a uma saída linear de tensão, como na maioria dos casos dos sensores analógicos.

41

A medida do nível de combustível em veículos automotores é feita através de uma boia resistiva, isto é, um potenciômetro acoplado à boia imersa no tanque (Figura 27). O valor da resistência varia em função da posição angular da haste de sustentação, que está relacionada ao nível de combustível no tanque.

Figura 27 –  27 –  Desenho  Desenho esquemático do tanque de combustível. (ARAÚJO et al, 2006, p.8) Para medir temperatura utilizaremos circuito integrado LM35DZ9, visto que é muito fácil a sua aplicação com o Arduino. O circuito integrado LM35DZ é um sensor de temperatura que oferece uma saída analógica obedecendo a uma linearidade entre temperatura aplicada a e tensão de saída. Este valor de conversão corresponde à 10 mV/ºC. Deste modo com base nos valores que o arduino interpreta (0-1023), utiliza-se o seguinte cálculo:

   

              

Tanto para medir temperatura quanto para a medida do nível de combustível do veículo, são utilizadas as portas analógicas do Arduino. Para a medida do nível de combustível é preciso conhecer a relação entre a altura do nível e o volume, ou seja, depende exclusivamente da geometria do tanque que deve ser medida para a implementação do sistema.

9

 O sensor de temperatura LM35DZ é da mesma família do sensor LM35CZ. A diferença está na faixa de

temperatura que os mesmos operam, porém possuem mesmas configurações de montagem no sistema.

42

3.3.4 Relógio Digital Com um circuito integrado tipo RTC ( Real  Real Time Clock ) e o Arduino é possível montar um relógio digital. O circuito RTC contém o circuito integrado DS1307, este dispositivo funciona como um contador de pulsos providos de um cristal oscilador de 32,768 MHz, além de ser alimentado externamente por uma bateria de 3V. Ou seja mesmo com o circuito RTC desligado da sua fonte de alimentação principal, o sistema ainda continua operando, sendo alimentado pela  bateria de 3V. O Circuito RTC DS1307 é conectado por meio de uma comunicação I2C, apresentada no item 2.6.2, e possui uma biblioteca própria no Arduino. O circuito RTC (Figura 28) fornece os valores de Hora e Data atuais, e tais dados serão informados em um display LCD no painel do Baja EspinhAço.

Figura 28 –  28 –  Desenho  Desenho esquemático do circuito RTC. (Esquema feito no CAD software Eagle)

3.3.5 Utilização dos displays no painel projetado O painel é composto por LED’s, displays de 7 segmentos, potenciômetros, Display LCD, além de resistores e capacitores, montados em uma placa de fenolite10. O painel do baja funciona como um shield  e  e a qual o Arduino é encaixado nele. 10

 Fenolite é uma placa feita de papelão misturado à uma resina, e possui a superfície revestida por cobre,

que será responsável pelas trilhas de condução do circuito.

43

Um problema operacional quanto

ao acendimento dos LEDs, no painel, está na

quantidade limitada de portas presentes no microcontrolador, deste modo não é possível acionar todos os dispositivos do painel apenas com as portas disponíveis no Arduino. Uma solução para este problema é com a utilização de shift registers, ou seja, expansores de portas. Em geral, estes expansores de portas usam apenas duas ou três portas do microcontrolador, além disso é possível fazer uma associação dos mesmos, ampliando ainda mais a quantidade de portas disponíveis para o uso. O  shift register   PCF8574, usa apenas duas portas do Arduino, expandindo para oito. A figura 29 exemplifica a montagem do PCF8574 com o Arduino para acionar um display de 7 segmentos.

Figura 29 –  29 –  Acionamento  Acionamento de um display de 7 segmentos utilizando o shift register  PCF8574AP usando apenas duas portas do Arduino11 O PCF8574AP é um circuito integrado capaz de se comunicar com o Arduino através do  protocolo I2C (ou comunicação I2C). A biblioteca Wire.h  é uma biblioteca do arduino que estabelece este tipo de comunicação com os dispositivos I2C. Com este dispositivo é possível expandir as portas do microcontrolador. Com apenas duas  portas do Arduino pode-se ligar oito dispositivos PCF8574AP, ou seja, como este shift register   possui 8 pinos para entrada e saída as duas portas do Arduino Ardu ino foram expandidas para 64 portas, por tas, o que garante o acendimento de todos os LEDs presentes no painel do Baja Espinhaço. Tais circuitos, contendo o  shift registers , foram montados separadamente, e serão usados  para o acendimento dos LEDs do painel (incluindo os displays de 7 segmentos). Destacado em 11

 Os fios vermelho e azul, na parte inferior da figura 29, correspondem aos pinos de alimentação do dispositivo.

44

amarelo na Figura 23, o circuito deste dispositivo periférico à central é apresentado na Figura 30 a seguir:

Figura 30 –  30 –  Esquema  Esquema elétrico do dispositivo PCF8574. (Esquema feito no CAD software Eagle) Para a apresentação dos dados referentes, à data, relógio e distância percorrida o display LCD é uma ótima opção para ser aplicada no veículo, pois possibilita a apresentação de vários valores numéricos e letras no visor. A Figura 31, a seguir, apresenta a montagem típica de um display 16 x 2 utilizando o microcontrolador arduino.

Figura 31: Display LCD e Arduino na protoboard . (Fritzing.org) Este display também possui a sua biblioteca específica no Arduino. O que facilita a sua operação e apresentação dos resultados.

45

3.3.6 A programação A programação é uma das etapas mais importantes para o sistema eletrônico desenvolvido, pois é através da mesma que será realizada a leitura, interpretação e apresentação dos dados. Além disso, há recursos no sistema que só podem ser executados via programação, como é o caso do gerenciamento das informações de um dispositivo para a contagem e medição de uma variável de interesse. Uma programação ideal é aquela que aproveita de forma eficaz o funcionamento dos dispositivos do circuito e a velocidade com que interpreta e atualiza as informações. Para uma melhor compreensão da programação, desenvolveu-se um fluxograma (Figura 32) do funcionamento de toda a programação do Arduino no sistema eletrônico do painel de instrumentos da equipe Baja EspinhAço.

Figura 32 –  32 –  Fluxograma  Fluxograma do sistema eletrônico do painel de instrumentos.

46

Para um melhor entendimento e praticidade da programação, optou-se por fazer funções específicas visto que havia muitas etapas repetitivas no código, como o acendimento dos LEDs dos displays de 7 segmentos. Devido ao tamanho e complexidade, o código do algoritmo está no Anexo B deste trabalho.

3.4 Análise do Projeto O presente trabalho apresentou o sistema eletrônico do Baja EspinhAço e alguns detalhes construtivos do mesmo. É importante prever algumas possíveis dificuldades quando o projeto for implantado, ou seja, posto em prática. Uma questão de extrema importância é a calibração correta dos sensores, submetendo-os inicialmente a testes para melhor aferição dos resultados e também como treinamento para montagem e desmontagem dos mesmos, uma vez que na competição isso faz muita diferença. Além da calibração dos sensores, fazer o que se chama de “debugagem” da programação, isto programação, isto é, correção de erros na programação, o que garante um melhor desempenho do algoritmo elaborado. Um problema atual está no modo de medir o nível de combustível, ou melhor, em como acoplar a boia de combustível no tanque do Baja sem furar o tanque, visto que tal prática é  proibida, de acordo com o regulamento da competição. Caso a equipe encontre um sensor cuja variação ofereça uma saída analógica e garanta uma montagem segura, não haverá problemas e o  princípio de medição será o mesmo.  No que se refere ao acabamento e desenvolvimento das placas de circuito impresso, a Equipe está estudando os meios para que isso ocorra, seja por patrocínio (para as placas de circuito impresso) ou pelos testes com fibra de vidro, pinturas, e outros materiais de acabamento. Do ponto de vista econômico, o desenvolvimento do painel pela própria equipe é mais viável economicamente do que comprar o sistema já pronto. Além disso, a engenharia do projeto está no empenho dos alunos em desenvolver o próprio sistema. A lama é outra questão que deve ser levada em consideração, pois o painel não pode estar exposto à esta condição e outras intempéries como um dia de chuva. Por isso o painel deve ser cuidadosamente vedado, para evitar problemas de funcionamento. O posicionamento dos sensores também deve ser determinado com muito cuidado.

47

3.5 Perspectivas Futuras Além de buscar a solução dos problemas pertinentes ao tanque de combustível, outra ideia interessante é apresentar a distância total percorrida através da contagem dos pulsos do sensor de velocidade, e gravar os valores na memória EEPROM do Arduino. Esta medição tornase viável quando os sensores já estiverem instalados e funcionando corretamente. Feita a montagem, o piloto ficará bem informado do tempo de prova durante o enduro,  podendo contribuir para um melhor desempenho na competição. Por outro lado também é interessante a comunicação entre piloto e Equipe durante a competição. Para isso a Equipe  pretende, depois da implementação deste projeto inicial, incluir o módulo de comunicação EXBee, visto que será possível ter acesso, em tempo real às variáveis do veículo, através da transmissão de dados via radiofrequência. O desenvolvimento de uma interface gráfica também é muito interessante, quando se tem dados do veículo e deseja-se visualizá-los no computador. Para isso existem dois softwares que  possibilitam tal feito através da comunicação serial do Arduino com o computador, são eles o Processing e o LabView. O MATLAB também pode ser utilizado com o Arduino e pode ser útil  para análise de dados em testes preliminares do veículo. ve ículo. O microcontrolador Arduino possibilita a criação e desenvolvimento de várias ideias para o projeto Baja EspinhAço, e depende exclusivamente do estudo e busca contínua de soluções  para o projeto. Sobretudo a Equipe Baja EspinhAço, visa ser uma das melhores equipes estreantes, com o  protótipo montado, nas modalidades Regional e Nacional das competições de mini Bajas  promovidas pela SAE Brasil e Associados.

4. CONCLUSÃO  Neste trabalho foram realizados os estudos e análises técnicas sobre os mais variados tipos de sensores e dispositivos eletroeletrônicos que podem ser aplicados no Baja EspinhAço com o objetivo de determinar qual seria a melhor opção para uma possível aplicação em um veículo das competições da SAE na modalidade Baja off-road .

48

Uma vez que o piloto e a equipe possuam o conhecimento das variáveis no veículo, é  possível controlar o consumo de combustível, tempo de prova e garantir um bom desempenho nas competições. Por ser o primeiro protótipo desenvolvido pela equipe, encontramos algumas dificuldades a respeito dos termos técnicos empregados, exigências do regulamento, instalação dos sensores e gerenciamento de custos. Por outro lado essa situação possibilita o estímulo à curiosidade do aluno a buscar a solução para estes problemas, contribuindo assim para um projeto ainda melhor. A programação é um dos itens que mais requerem um estudo em todo sistema eletrônico do Baja EspinhAço, uma vez que a linguagem de programação utilizada pelo microcontrolador é  bastante específica e é preciso estar sempre pesquisando para um melhor entendimento da sintaxe e do uso das bibliotecas na programação. O primeiro projeto dos itens eletroeletrônicos do Baja EspinhAço foi concluído e a maior  parte dos componentes foi testada, resultando num grande número de informações que serão utilizadas nos projetos futuros e utilizadas na prática no primeiro veículo da equipe.

49

REFERÊNCIAS

ARDUINO. Arduino Products. 2013. Disponível em: < arduino.cc > Acessado em: 21/01/2013. ARAÚJO, T. V. G. P.; QUEIROZ, I. B.; NETO, J. M. R. S.; VALE, L. G. M.; LIMA, A. M. N.; MARIBONDO, J. F. Projeto mini baja como estudo de caso para instrumentação eletrônica. In: XXXIV COBENGE, 9., 2006, Passo Fundo. Anais do XXXIV Congresso Brasileiro de Ensino

de Engenharia Universidade de Passo Fundo. Passo Fundo: UPF, 2006. Disponível em: . Acesso em: 21  jan. 2013. ATMEL CORPORATION. ATmega328 Datasheet. 2009. Disponível em: . Acessado em: 21/01/2013. BAJA NACIONAL. Banco de Imagens. Piracicaba, 28 mar 2012. Disponível em: < http://www.saebrasil.org.br/eventos/p http://www.saebrasil.org.br/eventos/programas_estudantis/b rogramas_estudantis/baja2013/imprensa/b aja2013/imprensa/banco_de_imagens.aspx anco_de_imagens.aspx >.

Acesso em: 26/02/2013. BRAGA, N. C. Todos os tipos de Sensores. Disponível em: Acessado em: 22/02/2013. CAPELLI, A. Eletroeletrônica Automotiva: Injeção eletrônica, arquitetura do motor e sistemas embarcados. 1 ed. São Paulo: Érica, 2010. p.5-19. FILHO, R. P. D. A.. Comunicação I2C. 14 Abr 2013. Disponível em: < http://www.ele tronica.org/modules.php?name=News&file=article&sid=13> Acessado em: 16/04/2013. HALLIDAY, David, RESNICK, Robert, WALKER, Jearl. Fundamentos de Física:

Eletromagnetismo. 8 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. p.151-177.

50

 NATIONAL

SEMICONDUCTOR.

LM35

Datasheet.

2000.

Disponível

em:

<

http://www.ti.com/product/lm35 >. Acessado em: 22/01/2013. SANTOS, N. P. Arduino: Introdução e Recursos Avançados. 1 ed. Lisboa: Escola Naval, 2009,  p. 48-51. PRADO, S. Protocolo I2C. Abril, 2013. Disponível em: < http://www.embarcados.com.  br/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=83 > Acessado em: 01/04/2013. 01 /04/2013. SAE BRASIL. Regulamento Baja SAE BRASIL. 2013. Disponível em: < http://www.sae  brasil.org.br/eventos/programas_estudantis/baja2013/regras.aspx  brasil.org.br/eventos/programas_estudantis/baja2013/regr as.aspx > Acessado em: 22/02/2013.

51

ANEXOS ANEXO A - Detalhes específicos do ATMEGA328PU O ATMEGA328 pode ser visto externamente como um circuito integrado TTL ou CMOS normal, mas internamente dispõe de todos os dispositivos típicos de um sistema microprocessado, ou seja: 

Uma CPU (Central Processor Unit   ou Unidade de Processamento Central) e sua finalidade é interpretar as instruções de programa;



Uma memória EEPROM ( Electrically  Electrically Eresable Programmable Read Only Memory ou Memória Programável Somente para Leitura) na qual irá memorizar de maneira  permanente as instruções do programa;



Uma memória RAM ( Random Access Memory  ou Memória de Acesso Aleatório) utilizada para memorizar as variáveis utilizadas pelo programa;



Uma série de LINHAS de I/O (entrada e saída) para controlar dispositivos externos ou receber pulsos de sensores, chaves, etc. ;



Uma série de dispositivos auxiliares ao funcionamento, ou seja, gerador de clock, bus, contador, etc. A Figura A1 a seguir descreve a estrutura física do ATMEGA 328PU e da plataforma

arduino:

Figura A1: Diagrama de blocos de um microcontrolador ATMega328 Fonte: Datasheet  do  do microcontrolador ATMega328.

52

ANEXO B  –  A  A programação A programação foi editada no ambiente de programação do Arduino, e foi dividida em funções, de modo que fique possível entender o programa como um todo analisando as funções. Deste modo fica fácil a detecção de erros, além de facilitar a organização do algoritmo. ///// Inclusão das Bibliotecas e declaração de variáveis #include #include #include "RTClib.h" byte pinVEL = 6, pinRPM = 7, pinTemp = A0; int pinBuzz = 8, pinNivel = A1, TEMP_7SEG[2]={56,57}; int VEL_7SEG[2]= {58,59}, pcfRot = 60, pcfNivel = 61; RTC_DS1307 RTC; LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2); void setup(){

/// configurando as portas e dispositivos

Serial.begin(9600); pinMode(pinVEL, INPUT); pinMode(pinRPM, INPUT); Wire.begin();

/// CONFIGURA DISPOSITIVOS I2C

lcd.begin(16,2); verifica_RTC(); Display_Inicial(); /// APRESENTA MENSAGEM INICIAL RTC.begin();

// INICIA OBJETO RTC

} void

loop(){

////

Esta

é

uma

função

executando infinitamente Relogio(); velocidade(); ROT(); Temperatura(); Nivel_de_Combustivel(); }

//// Funções desenvolvidas para o sistema: void velocidade(){ int dez=VEL_7SEG[0];

básica

do

Arduino,

e

fica

53

int unid=VEL_7SEG[1]; unsigned long tempo_final = millis()+100; byte estado_anterior = digitalRead(pinVEL); float contador=0; while(tempo_final>millis()){ byte estado_atual = digitalRead(pinVEL); if(estado_atual!= estado_anterior){ contador++; estado_anterior = estado_atual; } } Imprime7SEG(dez, unid, contador); } void ROT(){ int Rot_MAX = 4000; int Rot; int Percentual; unsigned long tempo_final = millis()+100; 100ms byte estado_anterior = digitalRead(pinRPM); float contador=0; while(tempo_final>millis()){ byte estado_atual = digitalRead(pinRPM); if(estado_atual!= estado_anterior){ contador++; estado_anterior = estado_atual; } } Rot = contador*10*60;

/// RPM

Percentual = (Rot/Rot_MAX)*100; Shifit_Light(pcfRot, Percentual); } void Temperatura(){ int dez=TEMP_7SEG[0]; int unid=TEMP_7SEG[1]; int TEMP = analogRead(pinTemp)*500/1024;

///// janela de tempo de

54

Imprime7SEG(dez, unid, TEMP); } void Nivel_de_Combustivel(){ int NivelMAX = 3600; /// valor correspondeente a 3,6 Litros (1 galão) int Nivel = analogRead(pinNivel)* 0.12345;

//// O valor 0.12345 é

arbitrario este fator deve ser determindo //

com base na geometriado tanque.

int Percentual, Nivel_critico = 12; Percentual = (Nivel/NivelMAX)*100; Shifit_Light(pcfNivel, Percentual); if(Percentual
55

/// Impressao no dispaly LCD lcd.setCursor(0,0); lcd.print(relogio_data); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(relogio_hora); } String AjustaZero(int i){ String ret; if(i<10){ ret+="0"; } ret+=i; return ret; } void verifica_RTC(){ if (! RTC.isrunning()) { RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__)); lcd.print("Baja EspinhAco!"); delay(3000); lcd.clear(); } } void Display_Inicial(){/////// CRÉDITOS DO TRABALHO lcd.setCursor(3, 0); lcd.print("T"); delay(500); lcd.print("C"); delay(500); lcd.print("C"); delay(500); for (int positionCounter = 0; positionCounter < 3; positionCounter++) { // scroll one position left: lcd.scrollDisplayLeft(); // wait a bit: delay(300); } delay(200);

56

lcd.print(":"); delay(1000); lcd.print(" Orlindo"); delay(1200); lcd.setCursor(3, 1); lcd.print("

Wagner");

delay(3000); lcd.clear(); lcd.setCursor(5, 0); lcd.print("Orientador"); delay(2000); for (int positionCounter = 0; positionCounter < 3; positionCounter++){ lcd.scrollDisplayLeft(); delay(300); } delay(200); lcd.setCursor(3, 1); lcd.print("Manoel J.M.Pires"); delay(4000); lcd.clear(); } void Imprime7SEG(int dez, int unid, int valor){ ///// FUNÇÕES DE EXIBIÇÃO NOS DISPLAYS /////////////// int n= valor, acc; if(valor>=10){ executaDisplay( dez, n/10); executaDisplay( unid, n%10); } else{ Wire.beginTransmission(dez); Wire.write(B11111111); Wire.endTransmission(); executaDisplay( unid, n%10); } } void executaDisplay(int i, int alg) { int n = alg; switch(n){

57

case 0: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B10001000); Wire.endTransmission(); break; case 1: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B11101011); Wire.endTransmission(); break; case 2: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B01001100); Wire.endTransmission(); break; case 3: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B01001001); Wire.endTransmission(); break; case 4: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B00101011); Wire.endTransmission(); break; case 5: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B00011001); Wire.endTransmission(); break; case 6: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B00011000); Wire.endTransmission(); break; case 7: Wire.beginTransmission(i);

58

Wire.write(B11001011); Wire.endTransmission(); break; case 8: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B00001000); Wire.endTransmission(); break; case 9: Wire.beginTransmission(i); Wire.write(B00001011); Wire.endTransmission(); break; } } void buzzer(){ int freq = 4000, duracao = 500; tone(pinBuzz,

freq,

duracao);

//

pino,

frequencia

sonora

(Hz)

e

duração (ms) } void Shifit_Light(int pcf, int val) { outro valor 0-100 int n = val; switch(n){ case 12: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(B01111111); Wire.endTransmission(); break; case 25: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(B00111111); Wire.endTransmission(); break; case 37: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(B00011111);

/// recebe o respectivo PCF8574 e

59

Wire.endTransmission(); break; case 50: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(00001111); Wire.endTransmission(); break; case 62: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(B00000111); Wire.endTransmission(); break; case 75: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(B00000011); Wire.endTransmission(); break; case 87: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(B00000001); Wire.endTransmission(); break; case 100: Wire.beginTransmission(pcf); Wire.write(B00000000); Wire.endTransmission(); break; } }