Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO
Etec “JORGE STREET”
TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA
Bengala Eletrônica
Enrico Diniz Merizio
Heitor Augusto da Silva
Matheus Silva Oliveira
Pedro Giovanni Frangiotti Fracasso
Rodrigo Loiola e Silva
Professor Orientador:
Salomão Choueri Junior
São Caetano do Sul / SP
2014
Bengala Eletrônica
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como pré-requisito para
obtenção do Diploma de Técnico em
Eletrônica.
São Caetano do Sul / SP
2014
DEDICATÓRIA
Dedicamos nosso trabalho de conclusão de curso a todos os nossos familiares,
amigos e companheiros de classe que nos ajudaram por todo ano e por todo carinho
e incentivo que nos deram.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos imensamente à todos os nossos professores que nos deram incentivo,
confiança e nos passaram o conhecimento necessário para a realização deste
trabalho, além é claro, de nos auxiliarem durante esse ano inteiro.
Agradecemos também aos nossos familiares que durante todo o curso nos
incentivaram e nos deram todo o tipo de apoio, para conseguirmos concluir mais
esta fase de nossas vidas.
RESUMO
A “Bengala Eletrônica” é um projeto pensado por nós para facilitar a vida dos
deficientes visuais e deixá-los mais independentes, além é claro, da questão da
inclusão social dos deficientes visuais na sociedade. A “Bengala Eletrônica” funciona
da seguinte maneira: ela possui um sensor ultrassônico que detecta os obstáculos e
os transforma em sinais de vibração (motor de vibração em uma pulseira) e sonoros
(bips em fone de ouvido) inversamente proporcionais à distância do obstáculo
detectado, ou seja, quanto mais perto do obstáculo, mais constantes são os bips e
vibrações e quanto mais longe do obstáculo, menos constantes são os bips e
vibrações.
Palavras-chave: facilidade; inclusão social; deficiência visual.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Espectro de sons ...................................................................................... 10
Figura 2 - Comprimento de onda............................................................................... 11
Figura 3 - Detecção de objetos ................................................................................. 11
Figura 4 - Sensor ultrassônico HC-SR04 .................................................................. 12
Figura 5 - Gráfico de tempos e pulsos do HC-SR04 ................................................. 13
Figura 6 - Emissão e captação do sinal ultrassônico ................................................ 13
Figura 7 - Gama efetiva do HC-SR04 ....................................................................... 14
Figura 8 - Tabela de informações sobre o componente ............................................ 15
Figura 9 - Dimensões do HC-SR04 ........................................................................... 15
Figura 10 - circuito explicativo ................................................................................... 16
Figura 11 - Onda quadrada ....................................................................................... 16
Figura 12 - Ciclo de trabalho de 50% ........................................................................ 17
Figura 13 - Ciclo de trabalho de 30% ........................................................................ 17
Figura 14 - Ciclo de trabalho de 80% ........................................................................ 18
Figura 15 - Diagrama em blocos ............................................................................... 18
Figura 16 - Circuito estável do circuito integrado 555 ............................................... 19
Figura 17 - Circuito elétrico completo ........................................................................ 20
Figura 18 - Circuito Oscilador de frequência e interface de potência ........................ 21
Figura 19 - Layout da placa com os circuitos oscilador e de interface ...................... 22
Figura 20 - Tabela de componentes .......................................................................... 23
Figura 21 - Fluxograma do processo ......................................................................... 25
Figura 22 - Software Completo.................................................................................. 29
Figura 23 - Croqui ..................................................................................................... 30
Figura 24 - Bolsa para acoplamento das placas e conectores .................................. 30
Figura 25 - Pulseira vibratória ................................................................................... 31
Figura 26 - Visão frontal do suporte .......................................................................... 32
Figura 27 - Visão traseira do suporte ........................................................................ 33
Figura 28 - Cronograma geral ................................................................................... 33
Figura 29 - Teste dos pinos ECHO e TRIGGER do sensor HC-SR04 ...................... 34
Figura 30 - Produto final ............................................................................................ 36
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 8
TEMA E DELIMITAÇÃO .............................................................................................. 8
OBJETIVOS – GERAIS E ESPECÍFICOS .................................................................. 8
JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 8
METODOLOGIA.......................................................................................................... 8
PESQUISA DE CAMPO .............................................................................................. 8
1 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................... 10
1.1 - ULTRASSOM .................................................................................................... 10
1.1.1 - SENSOR ULTRASSÔNICO ........................................................................... 12
1.1.2 - FUNCIONAMENTO DO SENSOR ................................................................. 12
1.1.3 - INFORMAÇÕES IMPORTANTES SOBRE O COMPONENTE ...................... 14
1.2 - PWM ................................................................................................................. 15
2 - PLANEJAMENTO E DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ................................ 18
2.1 - PARTE ELETRÔNICA ...................................................................................... 18
2.1.1 - DIAGRAMA EM BLOCOS .............................................................................. 18
2.1.2 - HARDWARE .................................................................................................. 19
2.1.3 - LAYOUT ......................................................................................................... 21
2.1.4 - LISTA DE MATERIAIS ................................................................................... 22
2.2 - PARTE LÓGICA ................................................................................................ 24
2.2.1 - FLUXOGRAMA DO PROCESSO................................................................... 24
2.2.2 - SOFTWARE ................................................................................................... 26
2.3 - PARTE MECÂNICA .......................................................................................... 29
2.3.1 - CROQUI ......................................................................................................... 29
2.3.2 - ENGENHARIA DO PRODUTO ...................................................................... 30
2.4 - CRONOGRAMA ................................................................................................ 33
2.5 - TESTES REALIZADOS..................................................................................... 33
2.6 - PROBLEMAS ENCONTRADOS E SOLUÇÕES ADOTADAS .......................... 34
3 - RESULTADOS OBTIDOS .................................................................................... 35
4 - CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ....................................... 37
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 38
ANEXO A .................................................................................................................. 39
ANEXO B .................................................................................................................. 40
APÊNDICE A – DATASHEET CI 555 ........................................................................ 41
8
Introdução
Nosso grupo inicialmente teve 10 ideias de projeto para realizarmos como TCC mas o
projeto escolhido foi, a “Bengala Eletrônica”. As quais ideias eram: de um detector de
vazamento de gás, um relógio, uma ponte automática, um detector de chuva para parabrisa, um chuveiro elétrico, um armário para cadeirantes, um semáforo inteligente, uma
biblioteca automática, um detector de metal e uma lixeira eletrônica.
O grupo discutiu as características de cada trabalho e atribuiu notas, segundo os
seguintes critérios: pertinência, relevância, viabilidade e identificação. Após a atribuição
de notas de acordo com esses critérios somamos as notas e fizemos uma média final,
chegando aos três melhores projetos, e assim o grupo discutiu outros critérios,
conseguindo chegar ao consenso de fazer a Bengala Eletrônica para deficientes visuais.
A “Bengala eletrônica” é uma bengala feita para deficientes visuais, com o intuito de
facilitar a locomoção deles.
Tema e delimitação
Inclusão social dos deficientes visuais na sociedade.
Objetivos – gerais e específicos
A Bengala seria feita com o intuito de facilitar a vida dos deficientes visuais e para
aprofundarmos nossos conhecimentos no funcionamento dos circuitos utilizados no
projeto.
Justificativa
Fazer a bengala seria muito importante para os deficientes, porque além de poder evitar
acidentes eles podem se tornar cada vez mais independentes e fazer diversas atividades
sozinhos, que não faziam antes, na rua ou em qualquer outro lugar.
Metodologia
O primeiro passo que tomamos para iniciar o trabalho foi realizar uma pesquisa de campo
com os futuros usuários do produto. Para isso fomos nos seguintes institutos de cegos:
ADEVA e Padre Chico, para conseguirmos compreender as reais dificuldades dos
deficientes visuais em seu dia-a-dia, fizemos pesquisas de tipos de bengala para cegos
que encontramos no mercado, para melhor adaptarmos nosso sistema na bengala.
Pesquisa de Campo
O grupo tinha algumas dúvidas sobre como finalizar o projeto para melhor atender os
deficientes visuais e para sanar essas dúvidas o professor orientador sugeriu que
fizéssemos uma pesquisa de campo com os deficientes visuais.
9
Primeiramente, fizemos um questionário (Anexo A) e fomos realizar a pesquisa na
instituição ADEVA (Associação de Deficientes Visuais e Amigos), na realização dessa
pesquisa, o grupo descobriu que era necessário fazer mudanças no questionário, para
continuar a pesquisa. As mudanças que o grupo julgou necessário fazer no questionário
foram feitas e o grupo foi realizar a segunda parte da pesquisa de campo (Anexo B) no
Colégio para deficientes visuais Padre Chico, também em São Paulo.
Ao término da pesquisa de campo o grupo conseguiu definir o que precisava para o
projeto. O resultado da pesquisa de campo mostrou que a bengala a ser utilizada deveria
ser do tipo roller e que os obstáculos deveriam ser avisados por meio de sons (Fone de
Ouvido) e vibrações (Pulseira) e a pesquisa também mostrou que os deficientes julgaram
o nosso projeto útil
10
1 – Fundamentação Teórica
Neste capítulo apresentaremos as tecnologias utilizadas para o desenvolvimento do
projeto “Bengala Eletrônica”.
1.1 - Ultrassom
O princípio de funcionamento do ultrassom está relacionado com biônica, pois se baseia
no sonar dos morcegos.
Os morcegos se orientam no escuro por um mecanismo chamado "ecolocalização" ou
"sonar dos morcegos". Estes animais emitem gritos, que consistem em ondas de
altíssima frequência, inaudíveis pelo homem, emitidos pela boca ou pelas narinas. Esses
impulsos de ultrassom, ao atingirem um objeto, são refletidos em forma de ecos e
captados pelos ouvidos. Com esse sonar, os morcegos conseguem identificar, quando
voando, a natureza do ambiente que os circunda, bem como a forma e dimensão do
objeto. Esse sistema de comunicação utilizado pelos morcegos é bem semelhante ao que
é utilizado pelo sensor ultrassônico HC-SR04, que utilizamos para a realização nosso
projeto e que está especificado nos capítulos abaixo.
As frequências que são utilizadas para comunicação ultrassom não são audíveis ao ser
humano.
(Disponível em: http://ameliapedrosa.com.sapo.pt/FM5/Som/Espectro%20Sonoro.htm)
Figura 1 - Espectro de sons
O espectro de sons acima mostra que o Ser Humano consegue escutar sons com uma
frequência de até 20 kHz, e o ultrassom está acima dessa frequência de 20 kHz.
Mas, por que usar os ultrassons em sensores e não sons comuns?
Além de não sermos incomodados com o barulho, pois não podemos ouvir os ultrassons,
existem outras propriedades importantes que devem ser levadas em conta.
Os sons e ultrassons, como qualquer tipo de vibração possuem uma intensidade,
frequência e comprimento de onda. O comprimento de onda, que nos interessa em
especial, é a distância entre dois pontos de compressão máxima ou mínima de uma onda,
conforme mostra a figura 2.
11
(Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/3484-mec081)
Figura 2 - Comprimento de onda
Se a frequência do som aumenta, a distância entre esses pontos diminui, ou seja, temos
comprimentos de onda menores. Esse comprimento é importante, pois determina as
dimensões dos objetos em que ele pode refletir.
De fato, os sons comuns produzem o eco pela reflexão em objetos. No entanto, para
refletir, o objeto deve ter dimensões maiores do que o comprimento de onda emitido.
Assim, se desejamos que um sensor seja capaz de detectar pequenos objetos por
reflexão, o som emitido deve ter pequeno comprimento de onda, ou seja, deve ter uma
frequência muito alta, na faixa dos ultrassons.
Um sinal de 33 kHz, por exemplo, tem um comprimento de onda de 1 cm. Essa será,
portanto a ordem de grandeza do menor objeto que um sensor que use um sinal desta
frequência pode detectar, conforme mostra a figura 3.
(Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/3484-mec081)
Figura 3 - Detecção de objetos
12
A distância em que o objeto se encontra pode ser facilmente determinada pelo tempo que
o som leva para ir e voltar.
1.1.1 - Sensor Ultrassônico
O sensor escolhido para o desenvolvimento do projeto foi o sensor ultrassônico HC-SR04.
Figura 4 - Sensor ultrassônico HC-SR04
Pinos:
Vcc – alimentação 5V (DC)
Trig – pulso de entrada no trigger
Echo – pulso de saída no echo
Gnd – 0V (terra)
1.1.2 - Funcionamento do Sensor
Para verificar o funcionamento do sensor HC-SR04 é necessário alimentar o módulo e
colocar o pino Trigger em nível alto por mais de 10us. Assim o sensor emitirá uma onda
sonora que ao encontrar um obstáculo rebaterá de volta em direção ao módulo, sendo
que neste tempo de emissão e recebimento do sinal, o pino ECHO ficará em nível alto.
*A formula utilizada é o seguinte:
Distância = [Tempo ECHO em nível alto* Velocidade do som] / 2
A velocidade do som pode ser considerada idealmente igual a 340m/s, logo o resultado é
obtido em metros, se considerado o tempo em segundos. Na fórmula a divisão por 2
13
deve-se ao fato de que a onda é enviada e rebatida, logo ela percorre duas vezes a
distância procurada. O diagrama temporal da figura abaixo ilustra o que foi dito:
(Disponível em: http://users.ece.utexas.edu/~valvano/Datasheets/HCSR04b.pdf)
Figura 5 - Gráfico de tempos e pulsos do HC-SR04
A figura abaixo representa como a onda ultrassônica enviada pelo emissor é refletida e
volta para o receptor.
(Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/3484-mec081)
Figura 6 - Emissão e captação do sinal ultrassônico
14
(Disponível em:https://docs.google.com/document/d/1Y-yZnNhMYy7rwhAgyL_pfa39RsBx2qR4vP8saG73rE/edit?pli=1)
Figura 7 - Gama efetiva do HC-SR04
A figura acima representa a gama efetiva alcançada pelo HC-SR04, que chega a cerca de
30°.
1.1.3 - Informações Importantes sobre o Componente
Tensão de operação
Corrente de operação
Frequência de operação
Distância Máxima
Distância Mínima
Sinal de entrada (Trigger)
Sinal de saída (Echo)
Dimensões
5 V (DC)
15 mA
40kHz
4m
2 cm
10uS pulso TTL
Sinal TTL positivo, proporcional à distância
do obstáculo detectado.
45mm x 20mm x 15mm
15
Figura 8 - Tabela de informações sobre o componente
(Disponível em:https://docs.google.com/document/d/1Y-yZnNhMYy7rwhAgyL_pfa39RsBx2qR4vP8saG73rE/edit?pli=1)
Figura 9 - Dimensões do HC-SR04
1.2 - PWM
A sigla PWM (Pulse Width Modulation), em português significa modulação por largura de
pulso.
Modular a largura do pulso é basicamente, mudar a largura do ciclo de trabalho ou ciclo
ativo, em inglês, duty cycle. O ciclo de trabalho em ondas quadradas (sinal que é utilizado
em nosso trabalho) é dado por:
DC% = t
T
Onde: t = duração do tempo em nível alto
T = período
x100
16
Para explicar mais facilmente o princípio do PWM, utilizamos um circuito hipotético,
explicativo, como o da figura 10. Neste, temos um interruptor que quando acionado faz
com que o motor receba 6V e funcione com 100% de potência. Quando o interruptor não
está pressionado, o motor não recebe energia e simplesmente não funciona.
Figura 10 - circuito explicativo
Vamos supor que consigamos pressionar e soltar o interruptor um grande número de
vezes por segundo, de tal forma que metade do tempo ele fica ligado e metade
desligado. O resultado seria uma onda quadrada como o da figura 11.
(Disponível em: http://www.pnca.com.br)
Figura 11 - Onda quadrada
No exemplo acima o tempo t1 corresponde ao tempo que o interruptor fica pressionado e
t2 o tempo que ele fica livre. Como neste caso t1 é igual a t2, durante a metade do tempo
o motor recebe a tensão de 6V e na outra metade ele recebe 0V. A tensão média, figura
12, aplicada ao motor é neste caso de 3V, ou seja, 50% da tensão da bateria.
17
(Disponível em: http://www.pnca.com.br)
Figura 12 - Ciclo de trabalho de 50%
É claro que não é possível usar um interruptor em um circuito com PWM, pois não
conseguiríamos pressioná-lo na velocidade necessária. Mas o PWM pode ser feito de
diversas maneiras, no caso do nosso projeto o PWM foi feito por software. Abaixo temos
imagens de outras ondas quadradas moduladas em outros ciclos de trabalho, utilizando a
mesma situação exemplo mostrada acima neste capítulo.
(Disponível em: http://www.pnca.com.br)
Figura 13 - Ciclo de trabalho de 30%
(Disponível em: http://www.pnca.com.br)
18
Figura 14 - Ciclo de trabalho de 80%
2 - Planejamento e desenvolvimento do Projeto
Este capítulo apresenta como foi todo o decorrer do projeto, desde o início, contendo a
parte lógica, a parte eletrônica e a parte mecânica do projeto, além é claro do cronograma
feito pelo grupo para organizar melhor o trabalho.
2.1 - Parte Eletrônica
Neste capítulo é explicado todo o funcionamento da parte elétrica do projeto, contendo o
circuito e suas entradas e saídas.
2.1.1 - Diagrama em Blocos
O diagrama em blocos mostra todas as entradas e saídas que contém em nosso projeto e
por onde passam essas entradas e saídas, no caso no microcontrolador ATMEGA328,
como podemos ver no esquema abaixo (Figura 15).
Figura 15 - Diagrama em blocos
19
2.1.2 - Hardware
A parte elétrica do projeto (hardware), é relativamente simples. Tudo passa pelo
microcontrolador ATMEGA328. O microcontrolador possui um circuito básico, onde o
componente mais importante é um cristal de 16MHz que é responsável por fornecer a
velocidade de processamento do microcontrolador.
No pino 3 do microcontrolador está ligada uma interface de potência para que Forneça a
corrente necessária(80mA) para o funcionamento do motor de vibração e esta, por sua
vez, está conectada ao motor de vibração. Nas saídas 4 e 5 do microcontrolador estão
ligados os pinos trigger e echo, do sensor HC-SR040. E o pino 14 do microcontrolador
está conectado a um circuito integrado 555, que faz parte de um circuito de oscilador que
gera uma freqüência de 2400Hz (sinal audível) através da fórmula:
Figura 16 - Circuito estável do circuito integrado 555
Para conectar o fone de ouvido na saída desse oscilador colocam-se três resistores em
série para controlar a corrente e a tensão no fone, sendo que um deles é variável para
controlar o volume no fone de ouvido.
A alimentação da “Bengala Eletrônica” é feita por quatro pilhas, tipo AA.
A figura abaixo mostra o circuito elétrico completo utilizado para o desenvolvimento da
“Bengala Eletrônica”.
20
Figura 17 - Circuito elétrico completo
No circuito abaixo (figura 18) estão representados o circuito de interface de potência para
o motor de vibração, o circuito oscilador de frequência e a ligação do sensor ultrassônico
HC-SR04, para ficar mais clara a visualização.
21
Figura 18 - Circuito Oscilador de frequência e interface de potência
2.1.3 - Layout
Na figura abaixo (Figura 19), está o layout do circuito oscilador de frequência e interface
de potência para o motor de vibração DC, feito em uma placa virgem
22
Figura 19 - Layout da placa com os circuitos oscilador e de interface
2.1.4 - Lista de materiais
A tabela abaixo mostra todos os componentes utilizados no circuito e a denominação
utilizada para identifica-los.
23
Lista de Materiais com identificação no Esquema Elétrico
Identificação
CI1
CI2
R1 e R6
R2 e R5
R3
R4
P1
C1 e C2
C3 e C5
C4
X1
D1
Q1
CN1 e CN2
HC-SR04
Descrição
Microcontrolador - ATMEGA328
Temporizador - 555
Resistor de carbono - 10kΩ x 1/4W
Resistor de carbono - 4k7Ω x 1/4W
Resistor de carbono - 2k7Ω x 1/4W
Resistor de carbono - 1kΩ x 1/4W
Trimpot - 33kΩ
Capacitor cerâmico - 22pF
Capacitor cerâmico - 100nF
Capacitor cerâmico - 10nF
Cristal - 12MHz
Diodo - 1N4148
Transistor NPN amplificador - BC548
Conector molex - pequeno - 2 vias - macho
Módulo Sensor Ultrassônico
Figura 20 - Tabela de componentes
24
2.2 - Parte Lógica
A parte lógica da “Bengala Eletrônica”, é a parte mais complexa do nosso projeto e este
capítulo contém tudo que é necessário para entender o funcionamento da parte lógica,
como: fluxograma do processo e o programa implementado, bem como a linguagem de
programação utilizada.
2.2.1 - Fluxograma do processo
O fluxograma abaixo (figura 21) é a representação esquemática do processo funcional da
“Bengala eletrônica”, ou seja, representa a sequência das operações que ocorrem no
processo.
Primeiramente a inicialização do software é feita, depois o processo aguarda a leitura da
distância feita pelo sensor, para comparar se a distância é maior/igual a um metro, se sim,
a distância é convertida em freqüência, proporcional à distância e vai para o motor de
vibração (PWM) e para a saída do fone de ouvido, e depois o processo volta ao seu
início, se não o processo volta ao seu início.
25
Figura 21 - Fluxograma do processo
26
2.2.2 - Software
Para o desenvolvimento do programa foi utilizada linguagem C e a IDE do arduíno, e o
programa foi gravado no microcontrolador ATMEGA328.
Essa IDE possui funções prontas, e para utiliza-las basta inserir alguns comandos. No
caso do nosso projeto foram utilizadas duas dessas funções: a função “Tone” para gerar a
frequência para o controle da oscilação no fone de ouvido, a função “analogWrite” para
gerar uma onda quadrada modulada por PWM para controlar a potência no motor e
também a biblioteca “NewPing” que configura o módulo HC-SR04 e simplifica a leitura da
distância.
Descrição das funções:
“analogWrite”: gera uma onda quadrada em PWM de 490Hz em um pino, variando o ciclo
de trabalho através de um valor de 0( 0%) a 255(100%), como mostra abaixo:
“Tone”: gera uma onda quadrada de 50% de ciclo de trabalho em um pino, especificando
a frequência desejada em hertz, podendo indicar a duração em milissegundos:
Caso não indique a duração o pino continuará emitindo o sinal até que use o comando
“noTone”:
Porém, ao utilizar a função “tone” juntamente com a biblioteca “NewPing”, o programa não
é compilado e apresenta-se a seguinte mensagem:
Uma das soluções para isso é utilizar a biblioteca “NewTone”, ela funciona da mesma
maneira do que a biblioteca “tone”. A única diferença é a substituição do comando “tone”
por “NewTone” e “noTone” por “noNewTone”. Com isso solucionamos o problema do
“vector7”.
Mas quando as funções “NewTone” e “analogWrite” são utilizadas no mesmo programa, a
função “NewTone” não funciona devidamente.
Para isso opta-se por gerar a onda PWM “manualmente” sem utilizar a função
“analogWrite”, assim substituindo esse comando por esse conjunto de instruções:
27
Como o comando “analogWrite” possui uma frequência de 490Hz, o seu período dura
2ms, assim a soma do tempo em nível alto com o tempo em nível baixo terá que ser
sempre igual a 2ms.
Com isso foi possível implementar o programa final:
28
29
Figura 22 - Software Completo
2.3 - Parte Mecânica
Neste capítulo são mostradas as ideias iniciais de como ficaria o projeto e o seu resultado
final.
A bengala para deficientes visuais foi comprada. A bengala é do tipo roller, onde usa-se o
método de rolar a sua ponteira no chão. Utilizamos a bengala roller por dois motivos, o
primeiro é que ela foi apontada na pesquisa de campo como melhor do que a bengala do
tipo ponteira fixa, onde usa-se o método de bater no chão a ponteira, e o segundo motivo
é que entendemos que rolar a bengala seria melhor do que bate-la no chão, já que
estamos utilizando um sensor que é um dispositivo sensível.
2.3.1 - Croqui
No croqui abaixo (Figura 23) é representada a nossa ideia inicial de como ficaria o
produto final do nosso projeto.
30
Figura 23 - Croqui
2.3.2 - Engenharia do Produto
Uma das maiores dificuldades que o grupo imaginava enfrentar era aonde acoplar as
placas, o motor de vibração e o sensor ultrassônico, que deveria ficar junto à bengala.
Para o acoplamento das placas usamos uma bolsa de pano (Figura 24), emborrachada e
acoplamos a chave liga/desliga, a entrada para fone de ouvido, o conector para
alimentação do motor de vibração, o conector de alimentação do sensor e o suporte das
quatro pilhas AA.
Figura 24 - Bolsa para acoplamento das placas e conectores
Para o deficiente visual perceber a vibração inversamente proporcional à distância do
obstáculo e para não vibrar a bengala, optamos por colocar o motor de vibração em uma
pulseira. A pulseira vibratória foi feita à partir de uma munhequeira e costurada para fixar
o motor de vibração, a pulseira final está representada na figura 25.
31
Figura 25 - Pulseira vibratória
O sensor ultrassônico foi uma preocupação grande do grupo, para acopla-lo à bengala de
um modo que ele ficasse protegido e em uma posição que sua gama efetiva não
detectasse o chão como obstáculo, influenciando assim no funcionamento do projeto. A
partir de simulações do movimento do deficiente visual ao utilizar a bengala, chegamos ao
valor do ângulo em que deveria ser colocado o suporte do sensor, 52° em relação à
bengala. O suporte foi feito de acrílico com 52° de inclinação em relação à bengala, o
encaixe do suporte com a bengala está foi rebitado para ficar muito bem fixado e para a
proteção do sensor fizemos um molde de espuma emborrachada branca, que fica em
torno dele. O suporte final está mostrado nas figuras abaixo.
32
Figura 26 - Visão frontal do suporte
33
Figura 27 - Visão traseira do suporte
2.4 - Cronograma
O cronograma abaixo (Figura 28) mostra todas as tarefas realizadas pelo grupo e os
responsáveis pelas tarefas, na primeira linha estão as tarefas e na segunda linha os
responsáveis por ela, com a data prevista de realização em preto e a data real de
realização em verde.
Figura 28 - Cronograma geral
2.5 - Testes realizados
Para o desenvolvimento da “Bengala Eletrônica”, tivemos que fazer alguns testes. O
componente principal a ser testado era o sensor ultrassônico HC-SR04, onde
precisávamos saber o funcionamento exato dos pinos ECHO e TRIGGER. A figura abaixo
representa os sinais dos pinos ECHO e TRIGGER, em azul e amarelo, respectivamente.
O ECHO, em azul, mostra o retorno da freqüência quando o TRIGGER, em amarelo
recebe um pulso de 10us.
34
Figura 29 - Teste dos pinos ECHO e TRIGGER do sensor HC-SR04
2.6 - Problemas encontrados e soluções adotadas
O maior problema encontrado pelo grupo para o desenvolvimento do projeto foi para fazer
o software, que foi desenvolvido por arduíno e tivemos problemas nos conflitos das
bibliotecas “analogWrite” e “NewTone”.
O outro grande problema encontrado pelo grupo foi para acoplar as placas do hardware
(na bolsinha) com o sensor (na ponta da bengala), e para a solução deste problema
usamos flat cabe e colocamos espaçadores para o flat cable na bengala.
35
3 - Resultados Obtidos
A bengala eletrônica é constituída por um sensor ultrassônico de distância, esse sensor
detectará os obstáculos e o atraso do sinal recebido pelo sensor será transformado em
sinal sonoro (bips), fones de ouvido e tons de vibração, através de um motor.
O usuário terá a opção de conectar um fone de ouvido, para os tons sonoros funcionarem
em conjunto com os tons de vibração, que poderão ser acionadas por um botão
liga/desliga. Esses tons serão proporcionais à distância detectadas pelo sensor.
As vibrações e os tons de bip só serão ouvidos pelo usuário, se ele optar em conectar um
fone de ouvido ou a pulseira, ou então pode optar pelos dois juntos.
Depois de alguns ajustes, o produto final da “Bengala eletrônica” alcançado pelo grupo
está mostrado na figura abaixo.
36
Figura 30 - Produto final
37
4 - Conclusões e Desenvolvimentos futuros
Para concluirmos o projeto e chegarmos ao produto final enfrentamos alguns problemas e
tivemos algumas dificuldades para solucioná-los, mas conseguimos encontrar saídas e
resolver esses problemas.
O desenvolvimento da “Bengala Eletrônica” contribuiu imensamente para o
desenvolvimento profissional de todos os componentes do grupo, aprendemos
tecnologias novas que não aprenderíamos nas aulas normais do curso, como por
exemplo arduíno e o sensor ultrassônico e no convívio do grupo, durante o ano todo
aprendemos a lidar com as dificuldades do dia-a-dia causadas pelo convívio em grupo.
Os objetivos iniciais traçados pelo grupo foram alcançados, mas melhorias que o grupo vê
como complementares no projeto existem, como por exemplo: deixar o sistema todo sem
fio, pro RF(Radiofrequência) e adicionar mais um sensor na bengala, para detectar
buracos.
38
Referências bibliográficas
CRUZ, Eduardo Cesar Alves; JUNIOR, Salomão Choueri. Eletrônica Aplicada. São Paulo:
Editora Érica, 2011.
SUPERROBOTICA, disponível em: http://www.superrobotica.com
ROBOT-ELETRONICS, disponível em: http://www.robot-electronics.co.uk
DAEDALUS, disponível em: http://www.daedalus.ei.tum.de
MILESBURTON, disponível em: http://www.milesburton.com
GITHUB, disponível em: https://github.com
NEWTONBRAGA, disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br
FLIPEFLOP, disponível em: http://www.filipeflop.com
WEBTRONICO, disponível em: http://www.webtronico.com
FAUNACPS, disponível em: http://www.faunacps.cnpm.embrapa.br
39
Anexo A

Primeira pesquisa de campo realizada:
Pesquisa de Campo
Nome:__________________________________________________________
Perda total de visão ou Baixa visão? ________________________________
Você utiliza Bengala?_____________________________________________
Roller ou Fixa? __________________________________________________
Quais são suas principais dificuldades no dia – a – dia?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
No caso de você utilizar uma bengala eletrônica, quanto mais perto do obstáculo, você
prefere sentir tons de vibrações ou sons através de fones de ouvidos?
___________________________________________________
Nível de Utilidade: ( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 ( ) 4 ( ) 5 ( ) 6 ( ) 7 ( ) 8 ( ) 9 ( ) 10
Você compraria uma bengala eletrônica? ___________________________
Você tem alguma sugestão para melhorar nosso projeto?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
40
Anexo B

Segunda pesquisa de campo:
Pesquisa de Campo
Nome:__________________________________________________________
Perda total de visão ou Baixa visão? ________________________________
Você utiliza Bengala?_____________________________________________
Roller ou Fixa? __________________________________________________
Quais são suas principais dificuldades no dia – a – dia?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
No caso de você utilizar uma bengala eletrônica, quanto mais perto do obstáculo, você
prefere sentir tons de vibrações ou sons através de fones de ouvidos?
___________________________________________________
Nível de Utilidade: ( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 ( ) 4 ( ) 5 ( ) 6 ( ) 7 ( ) 8 ( ) 9 ( ) 10
Você compraria uma bengala eletrônica? ___________________________
Você tem alguma sugestão para melhorar nosso projeto?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
41
Apêndice A – Datasheet CI 555
www.fairchildsemi.com
LM555/NE555/SA555
Single Timer
Features
Description
•
•
•
•
•
The LM555/NE555/SA555 is a highly stable controller
capable of producing
accurate timing pulses. With
monostable operation, the
time delay is controlled by one
external resistor and one capacitor. With astable operation,
the frequency and duty cycle are accurately controlled with
two external resistors and one capacitor.
High Current Drive Capability (200mA)
Adjustable Duty Cycle
Temperature Stability of 0.005%/ C
Timing From  Sec to Hours
Turn off Time Less Than 2 Sec
Applications
•
•
•
•
8-DIP
Precision Timing
Pulse Generation
Time Delay Generation
Sequential Timing
1
8-SOP
1
Internal Block Diagram
R
GND
1
Trigger
2
Comp.
R
R
8
Vcc
7
Discharge
Discharging Tr.
42
Output
3
OutPut
Stage
F/F
6
Threshold
5
Control
Voltage
Comp.
Reset
4
Vref
LM555/NE555/SA555
Absolute Maximum Ratings (TA = 25 C)
Parameter
Supply Voltage
Lead Temperature (Soldering 10sec)
Power Dissipation
Operating Temperature Range
LM555/NE555
SA555
Storage Temperature Range
Symbol
Value
Unit
VCC
16
V
TLEAD
300
C
PD
600
mW
TOPR
0 ~ +70
-40 ~ +85
C
TSTG
-65 ~ +150
C
4
3
44
LM555/NE555/SA555
Electrical Characteristics
(TA = 25 C, VCC = 5 ~ 15V, unless otherwise specified)
Parameter
Symbol
Conditions
Min.
Typ.
Max.
Unit
Supply Voltage
VCC
-
4.5
-
16
V
1
Supply Current * (Low Stable)
VCC = 5V, RL = ∞
-
3
6
mA
ICC
VCC = 15V, RL = ∞
-
7.5
15
mA
ACCUR
∆ t/∆ T
∆ t/∆ VCC
RA = 1kΩ to100kΩ
C = 0.1 F
-
1.0
50
0.1
3.0
%
ppm/ C
%/V
-
2.25
150
0.3
-
%
ppm/ C
%/V
VCC = 15V
9.0
10.0
11.0
V
VCC = 5V
2.6
3.33
4.0
V
VCC = 15V
-
10.0
-
V
VCC = 5V
-
3.33
-
V
2
Timing Error * (Monostable)
Initial Accuracy
Drift with Temperature
Drift with Supply Voltage
2
Timing Error * (Astable)
Intial Accuracy
Drift with Temperature
Drift with Supply Voltage
Control Voltage
VC
Threshold Voltage
Threshold Current *
ACCUR
∆ t/∆ T
∆ t/∆ VCC
VTH
3
RA = 1kΩ to 100kΩ
C = 0.1 F
-
0.1
0.25
A
VCC = 5V
1.1
1.67
2.2
V
VCC = 15V
4.5
5
5.6
V
0.01
2.0
A
0.7
1.0
V
0.1
0.4
mA
0.06
0.25
V
0.3
0.75
V
0.05
0.35
V
12.5
-
V
-
ITH
Trigger Voltage
VTR
Trigger Current
ITR
Reset Voltage
VRST
-
Reset Current
IRST
-
VTR = 0V
VCC = 15V
ISINK = 10mA
Low Output Voltage
High Output Voltage
VOL
VOH
0.5
ISINK = 50mA
VCC = 5V
ISINK = 5mA
VCC = 15V
ISOURCE = 200mA
ISOURCE = 100mA
VCC = 5V
ISOURCE = 100mA
0.4
-
-
12.75
13.3
V
2.75
3.3
-
V
Rise Time of Output
tR
-
-
100
-
ns
Fall Time of Output
tF
-
-
100
-
ns
ILKG
-
-
20
100
nA
Discharge Leakage Current
Notes:
1. Supply current when output is high is typically 1mA less at V CC = 5V
2. Tested at VCC = 5.0V and VCC = 15V
3. This will determine maximum value of RA + RB for 15V operation, the max. total R = 20MΩ , and for 5V operation the max.
total R = 6.7MΩ
45
LM555/NE555/SA555
Application Information
Table 1 below is the basic operating table of 555 timer:
Table 1. Basic Operating Table
Threshold Voltage
Trigger Voltage
Discharging Tr.
Reset(PIN 4)
Output(PIN 3)
(Vth)(PIN 6)
(Vtr)(PIN 2)
(PIN 7)
Don't care
Don't care
Low
Low
ON
Vth > 2Vcc / 3
Vth > 2Vcc / 3
High
Low
ON
Vcc / 3 < Vth < 2 Vcc / 3
Vcc / 3 < Vth < 2 Vcc / 3
High
Vth < Vcc / 3
Vth < Vcc / 3
High
High
OFF
When the low signal input is applied to the reset terminal, the timer output remains low regardless of the threshold voltage
or the trigger voltage. Only when the high signal is applied to the reset terminal, timer's output changes according to
threshold voltage and trigger voltage.
When the threshold voltage exceeds 2/3 of the supply voltage while the timer output is high, the timer's internal discharge
Tr. turns on, lowering the threshold voltage to below 1/3 of the supply voltage. During this time, the timer output is
maintained low. Later, if a low signal is applied to the trigger voltage so that it becomes 1/3 of the supply voltage, the
timer's internal discharge Tr. turns off, increasing the threshold voltage and driving the timer output again at high.
1. Monostable Operation
+Vcc
102
8
Vcc
DISCH
Trigger
2
RA
101
THRES 6
3 OUT
C1
RL
CONT
1
Ω
Ω
Ω
Ω
=1k
TRIG
GND
Ω
7
5
Capacitance(uF)
4
RESET
RA
10k
100k
1M
10M
100
10-1
10-2
C2
10-3
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
Time Delay(s)
Figure 1. Monoatable Circuit
Figure 2. Resistance and Capacitance
vs. Time delay(td)
102
46
47
LM555/NE555/SA555
Figure 1 illustrates a monostable circuit. In this mode, the timer generates a fixed pulse whenever the trigger voltage falls
below Vcc/3. When the trigger pulse voltage applied to the #2 pin falls below Vcc/3 while the timer output is low, the
timer's internal flip-flop turns the discharging Tr. off and causes the timer output to become high by charging the external
capacitor C1and setting the flip-flop output at the same time.
The voltage across the external capacitor C1, VC1 increases exponentially with the time constant t=R A*C and reaches
2Vcc/3 at td=1.1RA*C. Hence, capacitor C1 is charged through resistor R A. The greater the time constant RAC, the longer it
takes for the VC1 to reach 2Vcc/3. In other words, the time constant RAC controls the output pulse width.
When the applied voltage to the capacitor C1 reaches 2Vcc/3, the comparator on the trigger terminal resets the flipflop, turning the discharging Tr. on. At this time, C1 begins to discharge and the timer output converts to low.
In this way, the timer operating in monostable repeats the above process. Figure 2 shows the time constant relationship
based on RA and C. Figure 3 shows the general waveforms during monostable operation.
It must be noted that, for normal operation, the trigger pulse voltage needs to maintain a minimum of Vcc/3 before the timer
output turns low. That is, although the output remains unaffected even if a different trigger pulse is applied while the output
is high, it may be affected and the waveform not operate properly if the trigger pulse voltage at the end of the output pulse
remains at below Vcc/3. Figure 4 shows such timer output abnormality.
Figure 4. Waveforms of Monostable Operation (abnormal)
2. Astable Operation
+Vcc
100
RA
8
RESET
Vcc
DISCH 7
2
TRIG
RB
THRES
3
RL
6
OUT
C1
GND
1
(RA+2RB)
10
Capacitance(uF)
4
1k
10k
1
100k
1M
0.1
10M
0.01
CONT 5
C2
1E-3
100m
1
10
100
Frequency(Hz)
1k
10k
100k
48
Figure 5. Astable Circuit
Figure 6. Capacitance and Resistance vs. Frequency
49
LM555/NE555/SA555
Figure 7. Waveforms of Astable Operation
An astable timer operation is achieved by adding resistor R B to Figure 1 and configuring as shown on Figure 5. In astable
operation, the trigger terminal and the threshold terminal are connected so that a self-trigger is formed, operating as a multi
vibrator. When the timer output is high, its internal discharging Tr. turns off and the V C1 increases by exponential function
with the time constant (RA+RB)*C.
When the VC1, or the threshold voltage, reaches 2Vcc/3, the comparator output on the trigger terminal becomes high,
resetting the F/F and causing the timer output to become low. This in turn turns on the discharging Tr. and the C1 discharges
through the discharging channel formed by RB and the discharging Tr. When the VC1 falls below Vcc/3, the comparator
output on the trigger terminal becomes high and the timer output becomes high again. The discharging Tr. turns off and the
VC1 rises again.
In the above process, the section where the timer output is high is the time it takes for the V C1 to rise from Vcc/3 to 2Vcc/3,
and the section where the timer output is low is the time it takes for the V C1 to drop from 2Vcc/3 to Vcc/3. When timer
output is high, the equivalent circuit for charging capacitor C1 is as follows:
RA
RB
Vcc
C1
dv
c1
C1 dt
-- - - -- - - -- - -
Vcc – V  0-
 1
= R +R
A
B
------- ------ ----- ------- ----
VC1 0+ = VCC ⁄ 3
-
V
C1
 t = V
Vc1(0-)=Vcc/3
2
1 – --e
CC
3
–
 2
t
-- - - -- - - -- - - -- - - -- - - -- - - -- - - -- - - -- -
R + R C1
 A  B
 3
Since the duration of the timer output high state(tH) is the amount of time it takes for the VC1(t) to reach 2Vcc/3,
50
555/NE555/SA555
tH
V
2
C1
 t = --V
3
2
=V
CC
1
CC
– --e
- –------------------------------------
 RA
+ RB C1
 4
3
 5
tH = C1 RA + RB In2 = 0.693  RA + RB C1
The equivalent circuit for discharging capacitor C1 when timer output is low as follows:
RB
R
C1 VC1(0-)=2Vcc/3
dvC1
C1--------------dt +
R
D
1
+ R VC1 = 0
A
B
 6
t
-------------------------------------
2
VC1 t = 3
 RA + RD C1
--V
CCe
 7
Since the duration of the timer output low state(tL) is the amount of time it takes for the VC1(t) to reach Vcc/3,
tL
1
--V
3 CC
2
-
= --V
3 CC e
------------------------------------
 RA + RD C1
 8
tL = C1 RB + RD In2 = 0.693  RB + RD C1
 9
Since RD is normally RB>>RD although related to the size of discharging Tr.,
tL=0.693RBC1
(10)
Consequently, if the timer operates in astable, the period is the same with
'T=tH+tL=0.693(RA+RB)C1+0.693RBC1=0.693(RA+2RB)C 1' because the period is the sum of the charge time and
discharge time. And since frequency is the reciprocal of the period, the following applies.
frequency,
1
= --------------------------------------1.44-
T
 RA + 2RB C1
f = --
 11
3. Frequency divider
By adjusting the length of the timing cycle, the basic circuit of Figure 1 can be made to operate as a frequency divider.
Figure 8. illustrates a divide-by-three circuit that makes use of the fact that retriggering cannot occur during the timing cycle.
5
1
52
LM555/NE555/SA555
Figure 8. Waveforms of Frequency Divider Operation
4. Pulse Width Modulation
The timer output waveform may be changed by modulating the control voltage applied to the timer's pin 5 and changing
the reference of the timer's internal comparators. Figure 9. illustrates the pulse width modulation circuit.
When the continuous trigger pulse train is applied in the monostable mode, the timer output width is modulated according
to the signal applied to the control terminal. Sine wave as well as other waveforms may be applied as a signal to the control
terminal. Figure 10 shows an example of pulse width modulation waveform.
+Vcc
R
4
A
8
RESET
Vcc
7
DISCH
Trigger
2 TRIG
6
THRES
Output
Input
3 OUT
GND
CONT 5
C
1
Figure 9. Circuit for Pulse Width Modulation
Figure 10. Waveforms of Pulse Width Modulation
5. Pulse Position Modulation
If the modulating signal is applied to the control terminal while the timer is connected for astable operation as in Figure 11,
the timer becomes a pulse position modulator.
In the pulse position modulator, the reference of the timer's internal comparators is modulated which in turn modulates
the timer output according to the modulation signal applied to the control terminal.
Figure 12 illustrates a sine wave for modulation signal and the resulting output pulse position modulation : however, any
wave shape could be used.
5
3
54
LM555/NE555/SA555
+Vcc
RA
4
8
RESET
Vcc
7
DISCH
2 TRIG
RB
6
THRES
Output
3 OUT
Modulation
CONT 5
GND
C
1
Figure 11. Circuit for Pulse Position Modulation
Figure 12. Waveforms of pulse position modulation
6. Linear Ramp
When the pull-up resistor RA in the monostable circuit shown in Figure 1 is replaced with constant current source, the V C1
increases linearly, generating a linear ramp. Figure 13 shows the linear ramp generating circuit and Figure 14 illustrates the
generated linear ramp waveforms.
+Vcc
RE
4
RESET
2
R1
8
Vcc
DISCH
7
THRES
6
CONT
5
Q1
TRIG
R2
Output
3
OUT
GND
1
C1
C2
Figure 13. Circuit for Linear Ramp
Figure 14. Waveforms of Linear Ramp
In Figure 13, current source is created by PNP transistor Q1 and resistor R1, R2, and RE.
V
CC
–V
E
IC =
 12
--------------------------RE
Here, VE
is
R2
VE = VBE + R--------------------1+R2-
V
CC
 13
For example, if Vcc=15V, RE=20kΩ , R1=5kW, R2=10kΩ , and VBE=0.7V,
VE=0.7V+10V=10.7V
55
Ic=(15-10.7)/20k=0.215
56
M555/NE555/SA555
When the trigger is started in a timer configured as shown in Figure 13, the current flowing to capacitor C1 becomes a
constant current generated by PNP transistor and resistors.
Hence, the VC is a linear ramp function as shown in Figure 14. The gradient S of the linear ramp function is defined as
follows:
V
p–p
S=
----------------T
 14
Here the Vp-p is the peak-to-peak voltage.
If the electric charge amount accumulated in the capacitor is divided by the capacitance, the V C comes out as follows:
V=Q/C
(15)
The above equation divided on both sides by T gives us
V
Q⁄T
--- =
T
 16
----------C-
and may be simplified into the following equation.
S=I/C
(17)
In other words, the gradient of the linear ramp function appearing across the capacitor can be obtained by using the
constant current flowing through the capacitor.
If the constant current flow through the capacitor is 0.215mA and the capacitance is 0.02uF, the gradient of the ramp
function at both ends of the capacitor is S = 0.215m/0.022u = 9.77V/ms.
5
7
58
LM555/NE555/SA555
Mechanical Dimensions
Package
Dimensions in millimeters
9.60
7.62
0.300
0.200
+0.10
+0.004
0.010 –0.002
0~15
MAX
3.40  0.20
0.134  0.008
0.25 –0.05
0.100
3.30  0.30
5.08
0.130  0.012
0.33
0.013 MIN
0.060 0.004
 0.10
1.524
0.018 0.004
0.10
6
#5
2.54
#4
9.20 0.20
0.362 0.008
#8
MA
0.378 X
#1
0.4
6.40  0.20
0.252  0.008
0.031
( 0.79 )
8-DIP
5
9
60
LM555/NE555/SA555
Mechanical Dimensions (Continued)
Package
Dimensions in millimeters
8-SOP
( 0.56 )
1.55  0.20
0.061  0.008
1.27
0.050
6.00  0.30
1.80 MAX
0.071
0.236  0.012
0
-
0
.
+
0
.
002 004
15
-
0
.
+
0
.
05 10
MAX0.10
MAX0.004
.
006
3.95  0.20
0.156  0.008

5.72
0.225
0.50  0.20
0.020  0.008
0~
8
0.016  0.004
0.41  0.10
MA
0.202 X
5.13
#5
#4
.
4.92 0.20
0.194 0.008
#8
#1
0
0.022
0.1~0.25
MIN 0.004~0.001
6
1
62
LM555/NE555/SA555
Ordering Information
Product Number
Package
LM555CN
8-DIP
LM555CM
8-SOP
Product Number
NE555N
Package
8-DIP
NE555D
8-SOP
Product Number
Package
SA555
8-DIP
SA555D
8-SOP
Operating Temperature
0 ~ +70 C
Operating Temperature
0 ~ +70 C
Operating Temperature
-40 ~ +85 C
63
LM555/NE555/SA555
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device or system whose failure to perform can be reasonably
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64