PaulaHaradaLanesJr2008Projeto

Edição atual tal como 21h03min de 3 de setembro de 2008

Objetivo

      Existem muitos produtos tecnológicos voltados para a acessibilidade disponíveis no mercado, e um sistema como o proposto é apenas um exemplo. “Um sistema de entrada automática facilita o acesso de pessoas com problemas de destreza/mobilidade às suas casas ou apartamentos, evitando que estas tenham que se preocupar com equilíbrio, destreza e chaves” ¹Além disso, é possível afirmar que a população em geral aprecie os meios tecnológicos que tenham como objetivo facilitar as tarefas diárias.

      Ainda assim, o projeto foi concebido para atender a parcela da população para qual o produto venha oferecer mais do que apenas facilidade e sim autonomia, independência e empowerment². Para pessoas com o mal de Parkinson³ , por exemplo, cuja praxia fina está debilitada, a simples tarefa de inserir uma chave na fechadura pode se tornar uma tortura. Há também os casos de pessoas portadoras de atrofia no braço que se tornam dependentes de outrem para realizar tarefas relativamente simples como entrar em casa.

      Pretende-se, então, como objetivo geral, construir um sistema que possibilite a acessibilidade de pessoas com mobilidade e/ou destreza reduzidas aos diversos ambientes e a facilidades de segurança, eliminando a necessidade de chaves mecânicas e do processo de abertura manual.

      Esse sistema também pretende ser útil para pessoas que precisam de auxílio (como enfermeiros particulares), pois, tal qual qualquer sistema de controle remoto, a porta poderá ser aberta a distância (a pessoa ainda no leito, por exemplo). Por certo que isso trará implicações de segurança que deverão ser avaliadas pelo usuário, como por exemplo, um meio eficiente de identificação da pessoa a porta ou um sistema de checagem de identidade.

Fundamentação Teórica

      O projeto compreenderá cinco partes menores:

1. Um protótipo de barreira física (porta) movimentada por um motor elétrico;
2. Um circuito controlador do motor, incluindo os sensores necessários;
3. Um circuito acionador via controle remoto, com identificação;
4. Um circuito acionador secundário, auxiliar ao controle remoto, com finalidade de backup e/ou acesso de pessoas que não possuam o controle remoto.
5. Montagem de uma implementação da plataforma Arduino, cujo microcontrolador irá comandar e integrar as demais partes;

      Para que haja uma compreensão do processo de projetar um dispositivo, é necessário o estudo das teorias e fundamentos a ele associado. Essa fundamentação deve contemplar todas as subdivisões do projeto bem como os métodos de relacionamento que serão usadas para uni-las.

      Todos os diversos tipos de dispositivos encontrados atualmente, que recebem do meio externo algum tipo de informação e devolvem uma resposta em forma de movimento, som, luz, calor ou outra qualquer, estão realizando uma transformação de energia num processo que pode ser definido como computação física.⁴ Basicamente, computação física é uma forma de comunicação entre o mundo físico real e o mundo virtual do computador. A transformação de energia é princípio básico necessário para tornar isso possível. (O’SULLIVAN & IGOE, 2004)

      Na comunicação real-virtual, os periféricos presentes no meio convertem formas de energia diversas (calor, como no sensor de temperatura, mecânica, como no pressionar de um botão, etc.) em energia elétrica, que pode será utilizada e processada por um sistema computacional (circuitos, microcontrolador e a parte de software – programa – a eles associado). Esse sistema, por sua vez, emitirá uma resposta, na forma de energia elétrica, que, por meio de atuadores como lâmpadas, motores e auto-falantes será transformada novamente em formas de energia que interagem com o ser humano (calor, luz, movimento).

      Portanto, os dispositivos computacionais capazes de interagir com o ambiente podem ser descritos basicamente como constituídos por três módulos: um módulo sensorial, um módulo de processamento e um último que pode ser chamado de atuador.

      Nesse contexto, para o presente projeto, os periféricos responsáveis acionamento e correto controle do motor (sensores, emissores de IF, botões, etc.) comporão o módulo sensorial, o microcontrolador ATMega168TM da Atmel, juntamente com o circuito que define a plataforma Arduino constituíram o módulo de controle, e por fim o motor elétrico será, por si, o atuador do sistema.

Processamento e Controle

      O processamento dos dados obtidos dos sensores, bem como o controle do motor e dos parâmetros do dispositivo a ser projetado, serão realizados por meio da plataforma Arduino. Arduino, segundo o site oficial⁵ , é uma plataforma eletrônica de prototipagem, de código aberto, baseada em hardware e software flexíveis e fáceis de usar. Seu propósito é atender a artistas, designers, hobbistas ou a qualquer um que esteja interessado em criar objetos ou ambientes interativos.

      Dessa forma, Arduino é uma plataforma voltada para utilização com a computação física. O Arduino pode “sentir” o ambiente a sua volta (receber entradas de sensores, botões, etc. por meio de seus pinos) e processar essa informação, para então controlar lâmpadas, motores ou outras ferramentas de interação física (saídas de tensão para um servo-motor, por exemplo).

      As aplicações possíveis podem ser auto-suficientes (funcionar sem a presença de um computador) ou podem estar associadas a softwares de computador (Flash, MaxMSP, softwares via Java, C, C++...) podendo gerar saídas gráficas e aplicações de controle via Software.

      O ambiente de desenvolvimento é baseado em Processing, com uma linguagem de programação que é uma implementação de Wiring, podendo ser descarregado gratuitamente no site oficial, além de possuir código aberto.

      A arquitetura é baseada nos microcontroladores ATMega8 e ATMega168 e os esquemas são publicados sob uma licença Creative Commons permitindo a todos montar sua própria versão da plataforma.

      Os microcontroladores ATMega8 e ATMega168 diferenciam-se apenas na quantidade de memória flash disponibilizada para gravar os programa que são de 8k e 16k bytes, respectivamente. Por essa razão o ATMega168 é mais comumente encontrado nas placas Arduino.⁶

      A comunicação com o computador, para realizar a gravação do programa no microcontrolador pode ser feita por meio de uma saída serial (modelo mais antigo), USB, ou até mesmo BlueToothTM. O modelo mais difundido possui saída USB (Arduino Diecimila) por ser mais amplamente compatível com arquitetura atual dos computadores pessoais.

Os periféricos de entrada: disponibilizando dados externos

      Os dados do ambiente serão importantes em diversas partes do projeto. Sensores deverão ser utilizados para controlar o comportamento do motor elétrico (inverter sentido de rotação, parar, acionar, etc.), sensores de presença serão utilizados para impedir o fechamento da porta enquanto o usuário ainda não atravessou completamente.

      Além disso, como o sistema propõem-se a implementar uma solução via controle remoto, teremos os emissores e receptores do sinal, que poderão ser com a tecnologia do infravermelho ou da radiofreqüência.

Sensores

      Assim como os seres humanos adquirem informações do seu ambiente por meio dos seus sentidos, sistemas eletrônicos de controle ou mensuração adquirem estas por meio de sensores. Sensores estão presentes em sistemas eletrônicos projetados para as mais variadas utilizações (na indústria, em equipamentos usados na medicina, em casa, etc.) e atualmente são necessários para uma grande gama de aplicações. (REVERTER & ARENY, 2005)

      Dentre os diversos tipos de sensores, lavando em consideração a aplicação desejada no projeto, os sensores ópticos são os mais apropriados, visto sua facilidade de utilização como dispositivos para detectar presença (por exemplo, em um sistema com um fototransmissor e um fotodetector orientados diretamente, é possível determinar a presença de um objeto toda vez que o feixe de luz que une transmissor e detector for interrompido).

      Fotodetectores ou receptores ópticos são estruturas semicondutoras que quando atingidas por um feixe de ondas eletromagnéticas, de certo espectro de comprimentos de onda, (infravermelho a ultravioleta) a energia dos fótons incidentes acaba por liberar elétrons e alterar, pois, as propriedades de condutibilidade do material. Essas estruturas, então, quando expostas a um campo elétrico geram pequenos (na realidade micro) sinais de corrente elétrica.

      Portanto, são sensores de energia eletromagnética que transformam sinais de ondas eletromagnéticas (luz, infravermelho, etc.) em elétricos para que estes sejam processados por circuitos eletrônicos, os quais restauram a informação.

      Fototransmissores, por sua vez, são dispositivos realizam o oposto: transformam sinais elétricos em ópticos. Esses sinais ópticos podem ser provenientes de LDs (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) ou LEDs (Light Emitting Diode). LDs são diodos laser que emitem radiação infravermelha, invisível a olho nu. Já LEDs são emissores de luz visível e possuem taxa de transferência de informações inferior a 110Mbits/s.

      Os sensores ópticos, de uma maneira geral, operam a partir de raios de luz (normalmente infravermelho) que indicam a presença ou ausência de um objeto no caminho da luz. O mais preciso deles é o sensor a laser. Há diversos tipos de sensores ópticos. Entre eles destacam-se os sensores de barreira e os de posição. (PAZZOS, 2002)

      Sensores de barreira necessitam de um objeto emissor e outro receptor, perfeitamente alinhados, que podem ser posicionados a até 50 metros de distância, o que facilita o controle de presença de objetos de grande porte. (PAZZOS, 2002)

      Sensores de posição determinam a posição do objeto em qualquer instante de tempo. Os sensores potenciométricos são os mais simples desta classe e funcionam a partir da variação da resistência de um potenciômetro que está conectado ao eixo cuja posição que deseja-se conhecer. Os potenciômetros podem ser de rotação, rotativos ou lineares. Os primeiros monitoram a rotação do eixo a partir da medição do ângulo. Os potenciômetros rotativos são ligados por eixo a uma polia que está ligada por uma correia ou por engrenagens dentadas ao objeto que se desloca. Isso limita o deslocamento possível de medição, tornando necessário o uso de polias/engrenagens de maior diâmetro para medir maiores deslocamentos. Os potenciômetros lineares oferecem a menor possibilidade de mensuração, pois tem curso limitado a, no máximo, 25 cm e velocidade máxima de 1m/s. (PAZZOS, 2002)

Infravermelho

      A transmissão de informações por infravermelho (IR - Infrared) baseia-se na radiação eletromagnética entre as freqüências de rádio e da luz visível (100 GHz a 100 THz). Pode ser direta ou difusa. (GALLO & HANCOCK, 2003)

      No primeiro caso há comunicação direta entre o transmissor e o receptor, sendo necessário que o caminho entre eles esteja totalmente desobstruído. (MOREIRA, 1997)

No segundo caso o transmissor emite um sinal forte, que se espalha pela área em que se encontra, é refletido por obstáculos e superfícies em geral e finalmente é interceptado pelo receptor; isso permite maior mobilidade aos dispositivos aos quais estão acoplados tanto o receptor quanto o emissor, mas exige maior potência.</p>

      Uma das limitações dessa transmissão é o problema de interferência óptica, causado pela iluminação (natural e artificial) do ambiente. Essa tranmissão também é vista como direta a curtas distâncias (a distância varia de 10 cm a 1 metro), com velocidade de transmissão entre 9600 bps e 4 Mbps e baixo consumo de energia. (PAZZOS, 2002; MOREIRA, 1997)

      Entre os padrões dessa conexão encontram-se o FIR (Fast Infrared),como o próprio nome indica, o mais rápido; o SIR (Serial Infrared), o mais lento; e o IrDA (Infrared Data Association). O padrão IrDA é uma associação de indústrias de equipamentos de informática e comunicação criada em 1993. Sua norma especifica sistemas ópticos e uma de suas vantagens é a possibilidade de utilização em larga escala. (ROSS, 2003)

Radiofreqüência

      RF (Radio Frequency) são frequências utilizadas para transmitir informações à distância, sem o uso de fios. É muito utilizada em celulares, pagers e computadores. Dependendo da potência do emissor as ondas de RF podem ou não atravessar obstáculos, como paredes. (GALLO & HANCOCK, 2003)

      Quando um sinal elétrico RF é emitido, transforma-se em uma onda eletromagnética que abrange não só as freqüências de rádio como também as freqüências de infravermelho, luz visível, luz ultravioleta, raios-X, raios gama e outros. (CARR, 2001)

      Sistemas que utilizam essa tecnologia são chamados de sistemas de RFID (Radio Frequency Identification) e consistem num emissor, um receptor, a própria onda e seus componentes. A eles podem ser adicionados outros componentes como memórias, sensores, criptografias e controles de acesso, a fim de controlar e administrar outros sistemas, o que torna cada sistema de RFID altamente customizado e encarece a aplicação. (DONTHARAJU et al., 2008)

Sistema acionador

      Para realizar a conversão de qualquer forma de energia para energia mecânica, o dispositivo mais utilizado é o motor. De fato, o motor é definido como um sistema que transforma energia, se uma forma geral, em energia mecânica.

      Dentre os diversos tipos de motores disponíveis, os motores elétricos são os que se demonstram mais apropriados para aplicações em automação, pois convertem energia elétrica em energia mecânica.

      Existem dois tipos básicos de motores elétricos que são classificados de acordo com a corrente que os alimenta os de corrente alternada (Alternate Current - AC) e de corrente contínua (Direct Current - DC) dos quais se estende uma grande variedade de tipos de motores. (KUO,1985)

      A grande maioria dos motores elétricos utilizados atualmente são motores AC (ou CA). O primeiro fato a ser considerado para explicar tamanha ubiqüidade é a facilidade de conversão de tensões alternadas altas para baixas, e vice-versa. Isso possibilita um transporte eficiente de energia que quase não envolve perdas. (FOGIEL, 2002)

      Além disso, existem os motores em corrente alternada oferecem outras vantagens. Em geral esse tipo de motor é mais barato que os motores DC. A maioria deles não precisa de escovas e comutadores, o que elimina muitos problemas de manutenção e até da ocorrência de faíscas. (FOGIEL, 2002; KENJO,1991)

      Contudo, para aplicações em que se necessita ter um controle maior sobre a velocidade e a rotação do motor, os motores AC de indução não são os mais aconselháveis. Nesses casos, como, por exemplo, na maioria das aplicações de robótica, os motores que funcionam em corrente contínua são melhor aplicáveis.

      Motores DC são, geralmente, dispositivos de dois terminais controlados eletricamente, geram uma quantidade considerável de rotações por minuto (rpm) considerando seu tamanho, além de poderem ter seu sentido de rotação alterado simplesmente por uma mudança de polaridade em seus terminais.

      Em uma comparação entre os modelos disponíveis de motores DC, percebe-se que, apesar de alguns possíveis incômodos como ruídos e a necessidade de reposição de escovas, o motor com escovas possui um preço mais acessível comparado aos modelos sem escovas, alem do fato de seu controle direcional ser por um circuito relativamente simples, enquanto os sem escovas necessitam de um complexo sistema eletrônico. (MANI, 2006)

      Alem disso, sob cargas mecânicas elevadas os motores DC de alta qualidade, com escovas ou sem escovas, possuem eficiência praticamente igual (Os motores DC de boa qualidade têm rendimento girando em torno de 55% a 65%).

      Outras considerações devem ser feitas no tangente a evitar esforço excessivo por parte do motor. Pode ser necessário uma caixa de redução ou um sistema com engrenagens mais simples, a serem definidos nos testes do projeto, para evitar uma sobrecarga mecânica.

Princípios relacionados ao funcionamento de um motor DC.

      Os motores em corrente contínua tem sua estrutura análoga ao gerador de corrente contínua. O princípio físico mais relacionado com o funcionamento desses dois dispositivos é estabelecido pela Lei de Faraday da tensão induzida. Segundo o princípio da indução eletromagnética descoberta por Faraday, se um condutor “atravessar” as linhas de um campo magnético (ou se as linhas de campo atravessarem o condutor) uma tensão ou força eletro-motriz (f.e.m.) será induzida nos terminais do condutor. Uma das condições necessárias, portanto, é o movimento do condutor por entre as linhas de campo (ou vice-versa).(GUSSOW, 2007)

      Desse fato retira-se, então:

      Onde: <math>v_{\text{ind}}\,</math> = Tensão induzida;

                <math>N\,</math> = Número de voltas na bobina (para um condutor linear N = 1);

                <math>\frac{\Delta_\phi}{\Delta_t}</math> = Taxa com a qual o fluxo magnético atravessa o condutor.

      Tendo por base esses princípios então, pode-se compreender o funcionamento de um motor baseado em seus elementos básicos: (GUSSOW, 2007)

1. O rotor
2. O comutador
3. As escovas
4. O campo magnético permanente

      O movimento ocasionado por um motor DC é obtido por meio do rotor. O rotor é um eletroímã com várias bobinas que, por sua vez, são ligadas a um comutador responsável por inverter o sentido da corrente que circula através da bobina a cada meia volta realizada.

      Esse processo de inversão do sentido da corrente realiza também a inversão da polaridade do eletroímã do rotor, isso impede que o rotor entre em estado de equilíbrio com o campo eletromagnético permanente que o circunda. Na iminência do equilíbrio a corrente é alternada gerando nova polaridade no rotor que volta a ser repelido pelo campo permanente estabelecendo um repetitivo movimento circular.

      O comutador é constituído de duas placas curvas que recebem a corrente da fonte por escovas e a repassam às bobinas. Assim, a cada meia rotação, os contatos das escovas com as placas do comutador são invertidos, invertendo assim a corrente na bobina e os pólos do eletroímã. Ao reverter-se a corrente recebida pelas escovas do comutador teremos uma inversão na direção da rotação do motor. (MANES e TICINESE,1946)

      Segue um modelo:

      Na figura 7 tem-se o pólo S “para cima”. Ele será atraído para o imã com o pólo N voltado para o sistema. Quando ele estiver se aproximando e ameaçar um equilíbrio que acabaria com a rotação, as placas do comutador já estarão em uma posição que inverte o sentido da carga, invertendo o pólo do rotor eletroímã, continuando a rotação magnética que se mantém em um ciclo. (MANES E TICINESE,1946)

      Pela regra da mão direita de Fleming, podemos determinar a força contra eletromotriz (f.c.e.m) que age no rotor. Com o dedo médio indicando o sentido da corrente e o indicador, o campo magnético (B), temos o sentido de atuação da força eletromagnética no polegar. A força é dada matematicamente por:

      Onde <math>|\vec L|\,</math> é o comprimento do condutor, <math>I\,</math> a intensidade da corrente, e <math>\vec F\,</math> a f.c.e.m.. No caso da Figura 5, é possível notar que o rotor está sujeito a um torque eletromagnético que gera uma rotação no sentido anti-horário.(KENJO,1991)

      Um fato importante presente em motores DC é que enquanto fornece-se corrente ao rotor ele gera um torque proporcional a esta corrente, mas a rotação do rotor gera uma força eletromotriz que se opõe a este torque. Se aplicarmos uma tensão constante ao sistema, ele irá acelerar até que os dois efeitos especificados se equilibrem. (KENJO,1991)

      É destes efeitos que se pode extrair um importante mecanismo de controle de velocidade de um motor DC: a corrente. Quanto maior for a corrente no sistema, maior será a f.c.e.m., o que gerará um maior tempo em desequilíbrio de forças, ou seja, uma força resultante ( dada pela diferença entre a f.c.e.m. e a f.e.m.) agirá sobre mais tempo sobre o movimento, lhe imprimindo uma aceleração que forçará o equilíbrio de forças a ocorrer em uma velocidade maior. (KENJO,1991)

      Para variarmos a intensidade de corrente no sistema podemos trabalhar com a tensão aplicada ao rotor (da Lei de Ohm):

      Onde <math>V\,</math> é tensão e <math>R\,</math> a resistência do rotor. Conforme a equação acima, se a tensão fornecida ao rotor for aumentada, a intensidade de corrente que circula no sistema também o será. (KENJO,1991)

      O torque executado pelo motor pode ser calculado com a seguinte equação:

      Onde <math>T\,</math> é o torque, <math>k_l\,</math> é a constante de torque do rotor, fornecida pelo fabricante do motor, <math>\phi\,</math> é o fluxo fornecido pelo campo magnético permanente (também especificado pelo fabricante) e <math>I_r\,</math> é a corrente que circula no rotor. Ou seja, quanto maior a corrente fornecida, maior também o torque realizado pelo motor. Assim, ao carregar-se algo ao motor para que ele o movimente, a necessidade de um aumento de torque será suprida por uma demanda de corrente. Deve-se, contudo, levar em conta que um motor possui um máximo de corrente que pode circular por ele sem que ele se sobrecarregue. O torque neste ponto é o máximo que o motor pode oferecer quando em operação. É evidente que o motor possui um torque maior na partida, devido à f.c.e.m. que, quando não ainda equilibrada com a f.e.m., promove a rotação inicial do motor. (MIN, 1994)

      Portanto, para movimentar algo que necessite de muito torque o motor irá demandar corrente e caberá ao arranjo do circuito limitar a corrente máxima que chega a ele, para que não sobrecarregue. Haverá um esforço muito grande por parte do motor então, a partir daí, torna-se interessante um sistema de redução. Isto aumentaria o torque, mas reduziria a velocidade de rotação, minimizando o esforço do motor.

O controle do motor DC

      Para realizar o controle de velocidade do motor, feitas as considerações sobre a influência da corrente sobre o torque, fica evidente que bata apenas realizar um controle sobre a corrente fornecida ao motor.

      Apesar de um simples potenciômetro ser capaz de regular a corrente transmitida ao motor, esse processo revela-se ineficiente, visto que a potência fornecida ao circuito seria dissipada em calor, a fim de controlar a velocidade do motor. Dependendo das aplicações um excesso de calor dissipado poderia levar a um sobreaquecimento, e posterior falha, do componente regulador.

      Uma maneira mais eficiente de realizar esse controle pode estar em controlar a corrente enviando-a em pequenos pulsos. Variando a freqüência e amplitude dos pulsos aplicados a velocidade do motor pode ser controlada. Essa maneira de controle evita “estressar” qualquer componente com um fluxo contínuo de corrente. (SCHERZ, 2000)

Eis três exemplos de osciladores que podem realizar esse controle:

      Para o controle do sentido de rotação do motor e até para o controle de velocidade, o sistema mais comumente utilizado é H-Bridge, ou Ponte-H. (KENJO, 1991). Segue um esquema:

      O circuito da esquerda representa uma montagem utilizando BJTs e a da esquerda utiliza MOSFETs. O movimento direto do motor é obtido aplicando um sinal positivo (5V) a entrada Forward, enquanto nenhum sinal é enviado a entrada Reverse (sinais nas duas entradas não são permitidos). Novamente, a velocidade do motor será controlada pela regulagem de pulsos do sinal de entrada.

      O funcionamento básico da Ponte-H pode ser descrito da seguinte maneira (modelo BJT): Quando uma tensão positiva é aplicada na base de Q3 este passa a conduzir o que, por sua vez, faz com que o transistor pnp Q2 também conduza. A corrente, então, flui do sinal positivo para o motor, da esquerda para a direita.

      Para reverte a rotação, o sinal é retirado da base de Q3 e colocado em Q4. Q4 então conduzirá e permitirá que Q1 conduza, fazendo com que a corrente percorra o motor na direção oposta. Os diodos nos circuitos são para amortecer os picos transientes que são gerados pelas bobinas do motor para que elas não danifiquem os demais componentes do circuito. É importante ressaltar que o circuito a base de MOSFET trabalha de uma maneira similar (SCHERZ, 2000)

      É possível construir esses circuitos com relativa facilidade, contudo já existem CIs (circuitos integrados) comerciais que compreendem dispositivos de controle de motor DC.

Referências Bibliográficas e Bibliografia

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Notas

• 1. Traduzido do inglês. (SEBASTIAN, Eisla - 2008 )
• 2. “O processo pelo qual uma pessoa, ou grupo de pessoas, usa o seu poder pessoal inerente à sua condição – por exemplo: deficiência, gênero, idade, cor – para fazer escolhas e tomar decisões, assumindo assim o controle de sua vida.” (SASSAKI, 1999)
• 3. A Doença ou Mal de Parkinson (DP) é uma desordem neurológica dege¬nerativa progressiva do sistema nervoso central que aco¬mete principalmente o sistema motor. Atinge atualmente cerca de 1% da população com mais de 60 anos de idade. Estima-se que, por conta do aumento da expectativa de vida da população mundial, esse mal venha a superar o câncer na causa mortis da população adulta e idosa. (BRAVO & NASSIF, 2006)
• 4. Este termo é melhor empregado em inglês como Physical Computing.(O’SULLIVAN & IGOE, 2004)
• 5. Site Oficial do Arduíno – acesso em 31 Ago 2008
• 6. Informações reiradas do Site Oficial do Arduíno