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CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE TREMORES DE TERRA
Edgar Martins Ferreira Coronato
Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final como requisito parcial à conclusão do
Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Prof. José Carlos da Cunha.
UNICENP/NCET
Curitiba
2007
12
TERMO DE APROVAÇÃO
Edgar Martins Ferreira Coronato
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE TREMORES DE TERRA
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da
Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. José Carlos da Cunha (Orientador)
Prof. Mauricio Perretto
Prof. Nestor Cortez Saavedra Filho
Curitiba, 5 de Novembro de 2007.
13
AGRADECIMENTOS
A minha esposa, meus pais, amigos e todas as pessoas que de uma forma ou de outra me
ajudaram a crescer academicamente.
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RESUMO
O objetivo deste trabalho foi descrever o desenvolvimento de um sistema para monitoramento
de tremores de terra, que são provenientes de impactos em canteiros de obra.
Visto que atualmente as áreas urbanas estão nas proximidades de minas e de grandes obras, os
abalos gerados pelas explosões e impactos causam desconforto aos moradores e até mesmo
danos às edificações próximas.
Este sistema de monitoramento de tremores de terra ajudará no dimensionamento de carga das
explosões e impactos e também atuará como um inventário do abalo proveniente destes, podendo
assim ser um instrumento de prova sobre as magnitudes dos abalos.
O sistema é composto por um hardware, que é capaz de captar tremores de terra através de um
acelerômetro e transmitir os dados do tremor para um PC. Um software instalado no PC recebe
os dados e mostra os tremores em forma de gráfico e quantifica os abalos na escala de g
(aceleração da gravidade). Assim se busca demonstrar o comportamento dos tremores de terra
em canteiros de obras.
Os resultados deste trabalho são um hardware sensível o suficiente para captar os abalos e um
software capaz de se comunicar com o hardware e traduzir todas essas informações para uma
linguagem entendível ao ser humano, que se dá da forma de um arquivo HTML.
O arquivo HTML resultante, contém os gráficos dos 3 eixos durante todo o tempo que foi
coletado os dados, cada impacto é identificado, separado e mostrado imagens diferentes,
mostrando assim a magnitude dos impactos.
O sistema completo foi testado em duas condições, uma em campo e uma em laboratório.
Ambas as situações com o impacto de um peso sobre o solo com a captação dos dados pelo
sismógrafo.
O sistema se mostrou eficiente no que foi proposto. A uma sensibilidade de 1,5 g, o sistema
foi capaz de ser sensibilizado por pequenos tremores.
A utilização do sistema é simples e fácil e é perfeitamente aplicável para medições em campo
sem nenhuma alteração de hardware ou software.
Foi desenvolvida uma plataforma com 3 hastes que se mostrou muito boa no que tange a
transmissão de vibração visto que ela fica quase toda introduzida no solo.
Palavras chave: monitoramento, tremores de terra, acelerômetro, impacto, abalo, obra,
explosões, desconforto, gráfico, aceleração
15
MONITORING SYSTEM OF GROUND TREMORS
ABSTRACT
This project aims to describe the development of a monitoring system for ground tremors that
come from impacts occurred in constructions sites.
Since the urban areas are close to mines as well as to big constructions sites, nowadays, the
damages caused by the explosions cause discomfort to the householders and even damage the
buildings around them.
A monitoring system for those tremors will help the dimensioning of the explosion loads and
will also be used as an inventory of the explosions for being an instrument of proof in case any
damage happens.
This system is consisted of a hardware, which is capable to catch ground tremors by an
accelerometer and transmits the tremors to a PC. A software installed in the PC receives the data
and shows the tremors in graphics. This way, I will demonstrate the ground tremors behavior
after explosions in building sites.
This project results are a hardware sensible enough to capture ground tremors and a software
capable to communicate with the hardware and translate all the data to an understandable
language to human beings, which is in a HTML file form. The resultant HTML file, has graphics
of the 3 axis during the whole time the data was collected, each impact is identified, separated
and shown different images, showing then the impact magnitudes.
The completed system was tested in 2 different conditions, one at site and the other in a
laboratory. Both situations had a weight impact on ground with the data caption done by a
seismograph. The system showed to be efficient on what it was proposed. At a 1,5g sensibility,
the system was able to be sensible for small tremors.
The utilization of the system is simple and easy, and it is perfectly applicable to site
measuring with no change of hardware or software.
A 3-stem platform was developed which has shown to be very good at the vibration transitions,
once it is basically all inserted on ground.
Key words: monitoring, ground tremors, accelerometer, impact, shock, construction,
explosions, discomfort, graphic, acceleration
16
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................18
LISTA DE SIGLAS..................................................................................................................20
LISTA DE SÍMBOLOS............................................................................................................21
EQUAÇÕES.............................................................................................................................22
GRÁFICOS ..............................................................................................................................23
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO..............................................................................................24
CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...................................................................25
2.1) Onda...............................................................................................................................25
2.2) Ondas sísmicas. ..............................................................................................................25
2.2.1) Ondas de corpo.......................................................................................................................... 25
2.2.2) Ondas de Superfície. ................................................................................................................. 26
2.3) Normas e Orientações....................................................................................................27
2.3.1) Norma Brasileira (NBR 9653). ................................................................................................. 27
2.3.2) Norma Norte-Americana - USBM (RI 8507). .......................................................................... 27
CAPÍTULO 3 – ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO..................................................................29
3.1) Especificação do Software. .............................................................................................29
3.1.1) Assembly................................................................................................................................... 30
3.1.2) C++ Builder............................................................................................................................... 30
3.1.3) Linguagem PHP. ....................................................................................................................... 30
3.2) Especificação do Hardware............................................................................................30
3.2.1) O acelerômetro. ........................................................................................................................ 31
3.2.2) Conversor AD ........................................................................................................................... 32
3.3) Plataforma de Desenvolvimento .....................................................................................35
3.3.1) Equipamentos............................................................................................................................ 35
3.3.2) Softwares.................................................................................................................................. 35
4.1) Aquisição do sinal do acelerômetro. ...............................................................................36
4.1.1) PCI para acelerômetro.............................................................................................................. 36
4.1.2) Configuração da sensibilidade do acelerômetro........................................................................ 37
4.1.3) Modo de operação ..................................................................................................................... 38
4.1.4) Circuito de teste ........................................................................................................................ 39
4.2) Filtragem do sinal...........................................................................................................40
4.3) Conversão analógico digital............................................................................................40
17
4.3.1) Entrada de sinal analógico. ..........................................................................................40
4.3.2) Seleção do sinal de entrada. ...................................................................................................... 40
4.3.3) Referências de tensão................................................................................................................ 41
4.3.4) Clock para o ADC0808............................................................................................................ 42
4.3.5) Disponibilização dos dados no barramento.............................................................................. 42
4.4) Firmware........................................................................................................................43
4.5) Software. ........................................................................................................................43
4.5.1) Recepção dos dados. ................................................................................................................. 43
4.5.2) Script de processamento............................................................................................................ 45
4.6) Montagem. .....................................................................................................................45
CAPÍTULO 5 – VALIDAÇÃO E RESULTADOS ...................................................................48
5.1) Resultados. .....................................................................................................................48
5.2) Validação dos dados. ......................................................................................................49
5.2.1) Teste em laboratório.................................................................................................................. 50
5.2.2) Teste em Campo........................................................................................................................ 51
CAPITULO 6 – CONCLUSÕES ..............................................................................................52
CAPITULO 7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................53
APÊNDICE A – GLOSSÁRIO.................................................................................................54
ANEXOS .................................................................................................................................54
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Propagação de ondas de corpo. [ONDAS] ...........................................................26
Figura 2 - Propagação de ondas de superfície. [ONDAS] .....................................................27
Figura 3 - Diagrama de blocos do firmware..........................................................................29
Figura 4 - Diagrama de blocos do software...........................................................................29
Figura 5 - Diagrama de Blocos do Hardware. .......................................................................31
Figura 6 - Princípio de transdução do acelerômetro MMA7260QT.......................................31
Figura 7 - Diagrama de Blocos do acelerômetro MMA7260QT............................................32
Figura 8 - Orientação dos eixos do acelerômetro MMA7260QT. ..........................................32
Figura 9 - Diagrama de Blocos do conversor AD ADC0808.................................................33
Figura 10 - Pinagem do conversor AD ADC0808.................................................................33
Figura 11 - Dimensões físicas do conversor AD ADC0808. .................................................34
Figura 12 - Kit didático microcontrolador 8031. ...................................................................35
Figura 13 - Layout de placa PCI para acomodar o acelerômetro MMA7660QT. ...................36
Figura 14 - Placa com o acelerômetro MMA7660QT soldado. .............................................36
Figura 15 - Pinagem do acelerômetro MMA7260QT............................................................37
Figura 16 - Circuito de testes para acelerômetro. ..................................................................39
Figura 17 - Circuito de testes montado em PCI.....................................................................39
Figura 18 - Filtro passivo passa baixa. ..................................................................................40
Figura 19 - circuito para a geração das tensões de referência ................................................41
Figura 20 - Sinal de clock necessário ao ADC0808 ..............................................................42
Figura 21 - Circuito para geração do clock ...........................................................................42
Figura 22 - Fluxograma do firmware ....................................................................................44
Figura 23 - Tela do software.................................................................................................44
Figura 24 – Plataforma .........................................................................................................46
Figura 25 – Tampa ...............................................................................................................46
Figura 26 - Placa eletrônica ..................................................................................................47
Figura 27 - Hardware Montado ............................................................................................48
Figura 28 - Software em execução........................................................................................48
Figura 29 - HTML resultante mostrando eixos .....................................................................49
Figura 30 - Imagem separada de impacto..............................................................................49
Figura 31 - Teste de laboratório............................................................................................50
Figura 32 - Gráfico de impacto a 30 cm................................................................................50
Figura 33 - Gráfico de impacto a 60 cm................................................................................50
Figura 34 - Teste em campo .................................................................................................51
Figura 35 - Gráfico de impacto a 1 metro .............................................................................51
Figura 36 - Gráfico de impacto a 2 metros............................................................................51
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - configuração da faixa de g para o Acelerômetro MMA7260QT. ..........................37
Tabela 2 - Sensibilidade de saída por faixa de g escolhida. ...................................................38
Tabela 3 - Seleção de entrada analógica no ADC0808. .........................................................41
Tabela 4 - Forma de transmissão de dados............................................................................43
20
LISTA DE SIGLAS
NCET - Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas
UNICENP - Centro Universitário Positivo
PC - Computador pessoal
F - Freqüência
VP - Velocidade de Partícula
VR - Velocidade resultante de vibração da partícula
VL - Velocidade de vibração na direção longitudinal
VT - Velocidade de vibração na direção transversal
VV - Velocidade de vibração na direção vertical
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LISTA DE SÍMBOLOS
ΩΩΩΩ - Ohm
mm/s – Milímetros por Segundo
Hz – Hertz (repetições por segundo)
g - Força de gravidade
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EQUAÇÕES
Equação 1 - Cálculo da freqüência de corte do filtro passa baixa. .........................................40
Equação 2 - Valor da saída digital ........................................................................................41
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GRÁFICOS
Gráfico 1 - Evolução da saída em V pelo g aplicado. ...........................................................38
24
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
As atividades em que são necessários o uso de explosivos e impactos, como em minas,
grandes construções e escavações, devem ser controladas, não só com relação ao resultado, que é
o efetivo efeito da explosão no local, mas também quanto a danos estruturais em edificações
próximas (casas, edificações históricas, etc.). Essa atividade é regida por normas técnicas e
padrões nacionais e internacionais que sugerem parâmetros de medição e limites definidos na
avaliação de prováveis danos. [BACCI, 2003]
As características de uma explosão estão relacionadas com a velocidade de vibração de
partícula (VP), que é normalmente expressa em mm/s, freqüência de vibração e a duração do
fenômeno sobre o local atingido. Sabemos que explosões são desconfortáveis para os moradores
próximos e normalmente esses moradores se queixam da atividade de uma mina ou uma grande
obra localizada na proximidade de sua residência. [BACCI, 2003]
O objetivo deste projeto foi o desenvolvimento de uma solução envolvendo hardware e
software para monitorar os tremores causados por essas explosões e impactos e mensurar esses
abalos em escala de g (aceleração da gravidade) e tempo de duração do abalo.
O projeto consiste no em um dispositivo equipado com um sensor de vibração, onde os
parâmetros referentes à vibração em três eixos são enviados para o PC, o software instalado
identifica cada impacto classifica o abalo em escala de g e calcula a duração do fenômeno. O
resultado final é um gráfico geral de cada eixo com a identificação do impacto. Para cada abalo
proveniente do impacto, é gerada uma imagem com o gráfico deste e é calculada a duração do
abalo e as acelerações máximas, positiva e negativa.
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CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este Capítulo transcorrerá sobre a fundamentação teórica de propagação de ondas, como as
ondas se propagam no solo após uma explosão ou impacto. Serão mostrados normas nacionais e
internacionais sobre os níveis toleráveis de vibração de solo em áreas urbanas e um breve
comparativo dessas normas.
2.1) Onda.
Uma onda em física é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e
periódica no tempo. A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de onda e a
periodicidade no tempo é medida pela freqüência da onda, que é o inverso do seu período. Estas
duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda. [HALLIDAY, 1996].
Fisicamente uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de
um meio (líquido, sólido ou gasoso). [HALLIDAY, 1996].
2.2) Ondas sísmicas.
Uma onda sísmica é uma onda que se propaga através da Terra, geralmente como
conseqüência de um sismo, ou devido a uma explosão. [BACCI, 2003]
Ondas sísmicas têm características como velocidade de partícula (VP), que é a velocidade em
que ela se propaga, que normalmente é expressa em mm/s e Freqüência (F) de vibração que é
expressa em Hz. A combinação dessas duas grandezas que qualificam a onda sísmica como
nociva ou inofensiva. [BACCI, 2003]
2.2.1) Ondas de corpo.
As ondas de corpo ou volume propagam-se através do interior da Terra. As ondas de corpo
são as responsáveis pelos primeiros tremores sentidos durante um sismo bem como por muita da
vibração produzida posteriormente durante o mesmo. Existem dois tipos de ondas de corpo:
primárias (ondas P) e secundárias (ondas S). [MIRANDA, 2004]
As ondas P ou primárias são as primeiras a chegar, pois têm uma velocidade de propagação
maior. São ondas longitudinais que fazem a rocha vibrar paralelamente à direção da onda, tal
como um elástico em contração. Ao chegarem na superfície, no ar, estas ondas de pressão tomam
a forma de ondas sonoras e propagam-se à velocidade do som. [MIRANDA, 2004]
As ondas S ou secundárias são ondas transversais ou de cisalhamento, o que significa que o
solo é deslocado perpendicularmente à direção de propagação como num chicote. A sua
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velocidade de propagação é cerca de 60% daquela das ondas P, para um dado material. A
amplitude destas ondas é várias vezes maiores que a das ondas P. [MIRANDA, 2004] Como nos
mostra a figura 1 que exemplifica como se propagam as ondas de corpo do tipo S e tipo P.
Figura 1 - Propagação de ondas de corpo. [ONDAS]
2.2.2) Ondas de Superfície.
As ondas de superfície são semelhantes às ondas que se observam à superfície de um corpo de
água e propagam-se imediatamente abaixo da superfície terrestre. Deslocam-se mais lentamente
que as ondas de corpo. Devido à sua baixa freqüência, longa duração e grande amplitude, podem
ser das ondas sísmicas mais destrutivas. Propagam-se pela superfície a partir do epicentro (ponto
inicial de um sismo, tal como as ondas de uma pedra ao cair na água), com velocidades mais
baixas que as ondas de corpo. [MIRANDA, 2004]
As ondas do tipo Rayleigh (R), provocam vibração no sentido contrário à propagação da
onda, ou seja um movimento de rolamento (descrevem uma órbita elíptica), e a sua amplitude
diminui rapidamente com a profundidade. [MIRANDA, 2004]
As ondas do tipo Love (L) são ondas de superfície que produzem cisalhamento horizontal do
solo e a sua energia é obrigada a permanecer nas camadas superiores da Terra por ocorrer por
reflexão interna total. [MIRANDA, 2004] Como nos mostra a figura 2 que exemplifica como se
propagam as ondas de superfície do tipo R e tipo L.
27
Figura 2 - Propagação de ondas de superfície. [ONDAS]
2.3) Normas e Orientações.
Existem diversas normas e recomendações ( nacionais e internacionais) sobre os níveis de
vibração do solo, onde um determinado tremor pode ser qualificado e quantificado como
destrutivo ou inofensivo. [BACCI, 2003]
2.3.1) Norma Brasileira (NBR 9653).
A norma brasileira foi constituída através de medições após explosões e verificação de
estruturas. Foi definido como limite para a velocidade de vibração da partícula (Vp) em 15mm/s,
para não haver danos a edificações. A norma também discorre sobre não haver ultralançamentos
de fragmentos e sobrepressões atmosféricas excessivas, esses dois fatores não vamos abordar
neste projeto. Embora seja amplamente difundido que, para freqüências altas, a estrutura suporta
melhor as vibrações, a norma brasileira não trata da freqüência dos fenômenos vibratórios, nem
determina os tipos de edifícios afetados pelas vibrações, sendo, desse ponto de vista, deficiente
em relação às normas internacionais. [BACCI, 2003]
2.3.2) Norma Norte-Americana - USBM (RI 8507).
Segundo Duvall e Fogelson (1962) os danos em residências são proporcionais à velocidade de
vibração de partícula e que danos maiores (queda de reboco ou rachaduras) podem ser esperados
a partir de Vp de 190mm/s (7,6pol/s). Já danos menores (trincas no reboco, abertura de
28
rachaduras preexistentes) podem ser esperados a partir de Vp de 140mm/s (5,6pol/s) e que
50mm/s (2,0pol/s) representa um valor razoável de separação entre zona de segurança e uma
zona de prováveis danos. [BACCI, 2003]
O Boletim 656, publicado pelo Bureau of Mines, intitulado "Blasting Vibrations and Their
Effects of Structures", propôs uma velocidade máxima de partícula de 50mm/s (2,0pol/s) como o
nível de segurança para as construções civis. [BACCI, 2003]
Sobre a freqüência, a norma americana qualifica como uma relação com a velocidade da
partícula. O aceitável para construções modernas é uma velocidade de 19 mm/s a uma
freqüência de até 40 Hz e 50 mm/s a partir de 40 Hz. Para construções antigas, 12,7 mm/s para
freqüência de até 40 Hz e 50 mm/s a partir de 40 Hz. [BACCI, 2003]
2.3.3) Comparação entre normas.
Como se percebe as normas citadas acima (Brasileira e Norte Americana) diferem em vários
pontos. Isso se dá pela diferença e importância que os países tratam o uso de explosivos.
As normas européias (não citadas neste documento) definem intervalos de freqüência
menores, devido aos tipos de construções mais antigas e, portanto, mais sensíveis encontradas
nesses países.
A norma brasileira citada, não faz citação quanto à freqüência e não define os tipos de
construção civil nem os possíveis danos que podem ocorrer em função do tipo de material
utilizado. O valor definido pela ABNT como limite é baseado em estudos internacionais e não
com a realidade das construções nacionais. [BACCI, 2003]
29
CAPÍTULO 3 – ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO
3.1) Especificação do Software.
O software desenvolvido no projeto está divido em duas partes: Primeiro, o software
embarcado no hardware que é denominado firmware, que foi desenvolvido em ASSEMBLY
(linguagem de programação de baixo nível) que é responsável pelo controle do hardware,
aquisição e envio de dados pela comunicação estabelecida. O diagrama de blocos do firmware
está especificado na figura 3. Segundo, o software que irá receber e tratar os dados, que foi
desenvolvido em linguagem C++ em ambiente C++ Builder que é de um nível mais alto. Este foi
desenvolvido para ser executado em ambiente Windows de 32 bits e é responsável pela
comunicação com o hardware, recebimento dos dados e salvamento dos dados em disco. Para se
gerar as imagens realizar cálculos sobre os dados coletados, foi utilizado scripts em linguagem
PHP. O diagrama de blocos do software está especificado na figura 4.
Figura 3 - Diagrama de blocos do firmware.
Figura 4 - Diagrama de blocos do software.
30
3.1.1) Assembly.
Uma linguagem assembly, também conhecida como linguagem de montagem é uma notação
legível por humanos para o código de máquina que uma arquitetura de computador específica
usa. O programa desenvolvido para o firmware em assembly, fica restrito a sua arquitetura e no
caso deste projeto é a arquitetura 8051 da Intel. [TANENBAUM]
3.1.2) C++ Builder.
O C++ Builder é um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE), produzido pela Borland
para a escrita de programas em na linguagem C++. O aplicativo inclui ferramentas que permitem
desenvolvimento visual através de “arrastar e soltar”, tornando a programação mais simples. É
direcionado preferencialmente para a plataforma Windows de 32 bits e produz programas
orientados a janelas. [BORLAND]
3.1.3) Linguagem PHP.
PHP (um acrônimo recursivo para “PHP: Hypertext Preprocessor”) é uma linguagem de
programação interpretada, baseada em script sob a licença Open Source. A linguagem surgiu por
volta de 1994, como um subconjunto de scripts Perl e atualmente sob a versão 5.0, seu propósito
principal é de implementar soluções velozes, simples e eficientes. [PHP.NET]
3.2) Especificação do Hardware.
O hardware é responsável pela aquisição dos dados do acelerômetro referentes aos abalos,
como a saída dos dados do acelerômetro utilizado, o MMA7260QT fabricado pela empresa
Freescale Semicondutor, é um sinal analógico, é necessário a digitalização do mesmo. Esta
digitalização é realizada pelo conversor AD ADC0808 fabricado pela empresa National
Semiconductor. Após a conversão dos dados analógicos para digitais, os 8 bits de dados são
conectados à porta de dados do “Kit didático microcontrolador 8031”. O microcontrolador
realiza um mapeamento em memória deste dispositivo para acessar os dados disponíveis no
barramento. O microcontrolador grava em memória RAM os dados dos 3 eixos e os transmite
pela serial que é convertida em USB para a conexão com o PC. Veja a figura 5 com o diagrama
de blocos do hardware.
31
Figura 5 - Diagrama de Blocos do Hardware.
3.2.1) O acelerômetro.
O acelerômetro é um componente sensor, este é capaz de converter movimento em sinais
elétricos. [PERTENCE,1996] Através de variações de aceleração nos seus eixos, ele exprime
essa variação em termos de g (força de gravidade) através de uma escala analógica com um sinal
elétrico em Volts (V). [WERNECK]
Baseado nos princípios da física, como a lei de Hook e a segunda lei do movimento de
Newton, o acelerômetro é capaz de medir com boa confiabilidade a aceleração, velocidade e
distância de um movimento que é aplicado sobre ele. [HALLIDAY, 1996]
O MMA7260QT, cujo diagrama de blocos está ilustrado na figura 7, é dotado de 3 eixos de
sensibilidade e sua orientação é ilustrada na figura 8. Permite a seleção entre 4 níveis de
sensibilidade 15g, 2,5g 4.0g e 6,0g. Usa a tecnologia de Micromáquina capacitiva que conforme
a força exercida nos seus eixos é alterada sua capacitância e conseqüentemente seu sinal de
saída. A figura 6 demonstra este principio de transdução.[FREESCALE]
Figura 6 - Princípio de transdução do acelerômetro MMA7260QT.
32
Figura 7 - Diagrama de Blocos do acelerômetro MMA7260QT.
Figura 8 - Orientação dos eixos do acelerômetro MMA7260QT.
3.2.2) Conversor AD
O conversor utilizado é um ADC0808 que é um componente conversor de dados analógicos
para dados digitais de 8 bits, mais conhecido como conversor AD. Sua tecnologia é CMOS, é
dotado de um multiplexador de 8 canais, por onde é feita a entrada dos dados analógicos. Cada
um dos 8 canais pode ser multiplexado diretamente e em qualquer ordem e o endereçamento é
feito por 3 bits de seleção que podem ser configurados com os valores de 0 a 7 obedecendo os
níveis TTL. Com uma resolução de 8 bits os dados digitalizados tem uma escala que inicia de 0
e termina em 255 e esta obedece os valores de referência que são inseridos fisicamente no
componente, onde o –Ref é equivalente ao 0 e o + Ref é equivalente a 255. [NATIONAL] Veja
abaixo na figura 9 o diagrama em blocos do ADC0808. A Pinagem do ADC0808 é mostrada na
figura 10 e suas dimensões físicas na figura 11.
33
Figura 9 - Diagrama de Blocos do conversor AD ADC0808.
Figura 10 - Pinagem do conversor AD ADC0808.
34
Figura 11 - Dimensões físicas do conversor AD ADC0808.
3.2.3) Kit didático microcontrolador 8031.
Este kit refere-se à uma placa de circuito impresso destinada à montagem de um circuito
didático para uso do microcontrolador 8031, a qual foi totalmente desenvolvida no Unicenp.
Na placa é possível endereçar 32K posições de memória, visto que são utilizadas memórias
RAM (62256) e EPROM (27C256) que possuem organização de 32K endereços X 8 bits. É
possível também endereçar um hardware externo utilizando a expansão de 16 bits, neste caso,
pode-se desabilitar a memória RAM da placa utilizando endereços acima de 7FFFh, pois a partir
desse endereço o bit A15 ficará em 1 levando o pino /CE da memória RAM para estado de
desabilitação do chip.
Há o barramento de dados de expansão de 8 bits para troca de informações com hardwares
externos, utilizado por endereçamento. Também há uma porta de E/S disponível (porta P1) que
pode ser acessada a qualquer momento sem necessitar de endereçamento. A placa ainda possui
uma saída para alimentação de circuitos externos. Um cristal oscilador de 11,059MHz deve ser
utilizado para que, quando for utilizar o 8031 para comunicação serial, seja possível utilizar
taxas de baudrate entre 1200 e 19200 bits/s. Veja abaixo a figura 12 que mostra o kit didático
montado. Veja no (Anexo 1) o diagrama esquemático, o layout da placa e a lista de componentes
do Kit didático microcontrolador 8031.
35
Figura 12 - Kit didático microcontrolador 8031.
3.3) Plataforma de Desenvolvimento
A plataforma de desenvolvimento está relacionada às ferramentas e equipamentos utilizados
de acordo com a necessidade do projeto, bem como softwares para programação e compilação de
programas.
3.3.1) Equipamentos
• Osciloscópio digital
• Multímetro digital
• Gerador de funções
• Microcomputador PC
3.3.2) Softwares
• Windows XP
• OrCAD Release 10.5
• Borland C++ Builder 6.0
• PHP 5.0
• Internet Explorer
• Microsoft Office 2003
• Biblioteca jpgraph (em PHP)
• Reads51
36
CAPÍTULO 4 – DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO
Este capítulo irá descrever o desenvolvimento do Hardware e do software, bem como o
relacionamento destes com outras partes do projeto e os componentes utilizados.
4.1) Aquisição do sinal do acelerômetro.
Como descrito no capítulo anterior, o componente central do projeto é o acelerômetro, este
tem a capacidade de amostrar em uma escala analógica em V (volts) o valor da aceleração em
cada um de seis eixos. Para sua alimentação, é necessário uma tensão entre 2,2V a 3,6V.
[FREESCALE, 2007]
4.1.1) PCI para acelerômetro.
Devido à grande sensibilidade mecânica, eletrostática e térmica do acelerômetro
MMA7660QT [FREESCALE, 2007], foi desenvolvida uma placa única para acomodar este
componente. Segue abaixo na figura 13 o layout desta placa.
Figura 13 - Layout de placa PCI para acomodar o acelerômetro MMA7660QT.
Após a confecção da placa de circuito impresso ilustrada pela figura 13, esta foi estanhada e o
acelerômetro MMA7660QT foi soldado sobre ela com um soprador de ar quente. Foi colocado
também barras de pinos para facilitar as conexões aos pinos do circuito integrado. O resultado
final é ilustrado pela figura 14.
Figura 14 - Placa com o acelerômetro MMA7660QT soldado.
37
4.1.2) Configuração da sensibilidade do acelerômetro
Como o acelerômetro tem uma configuração de sensibilidade, pode-se escolher entre 4
valores como mostra a tabela 1 abaixo. Para a seleção desses modos é necessário configurar os
pinos g-Select1 e o g-Select2 (pinos 1 e 2 respectivamente) como mostra a pinagem do
MMA7260QT na Figura 15.
TABELA 1
g-Select1 g-Select2 Faixa de g
0 0 1,5g
0 1 2,0g
1 0 4,0g
1 1 6,0g
Configuração da faixa de g para o Acelerômetro MMA7260QT.
Figura 15 - Pinagem do acelerômetro MMA7260QT.
A conversão de g para V segue a tabela 2 abaixo onde o 0g, independente de escala equivale a
tipicamente 1,65 V. O máximo para as saídas é de 2,85 V e o mínimo é de 0,45 V.
38
TABELA 2
Faixa de g Sensibilidade
1,5g 800mV/g
2,0g 600mV/g
4,0g 300mV/g
6,0g 200mV/g
Sensibilidade de saída por faixa de g escolhida.
O Gráfico 1 evidencia a evolução do sinal de saída (em V) em relação ao g aplicado ao
acelerômetro MMA7260QT. Este gráfico mostra a configuração de sensibilidade em 1,5g. Nota-
se que esta evolução é simétrica. A variação acontece em porções de 0,02 g para o eixo X, 0,01 g
para o eixo Y e 0,01 g para o eixo Z.
Volts / g
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2
g
V
Gráfico 1 - Evolução da saída em V pelo g aplicado.
4.1.3) Modo de operação
O acelerômetro MMA7260QT tem dois modos de operação, o normal e o sleep. Em modo
normal, ele está em funcionamento captando os movimentos nos eixos e enviando sinais
correspondentes aos pinos de saída e o consumo de corrente neste modo é de 500 uA. Em modo
sleep, as saídas não funcionam e o consumo de corrente é de 3 uA. [FREESCALE, 2007]. Para
39
deixar o acelerômetro em modo normal, é necessário colocar o pino 12 conforme mostrado na
figura 15 em nível lógico “1”.
4.1.4) Circuito de teste
Montando o circuito proposto pelo datasheet do MMA7260, mostrado pela figura 17,
pode-se testar as saídas analógicas do acelerômetro, para isso é necessário o uso de um
osciloscópio ou um multímetro. Com o circuito montado, conforme a figura 18, ao conectar um
multímetro ou osciloscópio a qualquer saída do acelerômetro, espera-se os valores de tensão
conforme o datasheet.
Figura 16 - Circuito de testes para acelerômetro.
Figura 17 - Circuito de testes montado em PCI.
40
4.2) Filtragem do sinal
Foi implementado na saída de cada eixo do acelerômetro, um filtro passivo passa baixa.
Como os tremores de terra que interessa ao sistema estão entre 1 e 100 Hz foi implementado o
filtro com o capacitor de valor 0,1 µF e resistor de 15KΩ, como mostra a figura 19 abaixo. A
formula 1 abaixo demonstra como chegar ao valor de freqüência de corte do filtro. O resultado
da implementação é um filtro com freqüência de corte de 106 Hz.
fc=1/2πRC
Equação 1 - Cálculo da freqüência de corte do filtro passa baixa.
Figura 18 - Filtro passivo passa baixa.
4.3) Conversão analógico digital.
Para o sinal do acelerômetro ser processado pelo microcontrolador, ele tem que passar por um
estágio de digitalização e para isso é utilizado o conversor AD ADC0808, que além de digitalizar
o sinal, atua como multiplexador.
4.3.1) Entrada de sinal analógico.
A entrada de sinal analógico no ADC0808 é feita pelos pinos 1 a 5 e 26 a 28, totalizando 8
entradas analógicas. É utilizado no processo de digitalização apenas 3 dessas 8 entradas esses são
ligados nas entradas IN0, IN1 e IN2 3 nos pinos 26, 27 e 28 respectivamente como mostra a
figura 10 acima.
4.3.2) Seleção do sinal de entrada.
Como temos 3 sinais de entrada, temos que selecionar qual deles será digitalizado, para
isso o ADC0808 possui 3 bits de seleção, são eles o ADD A, ADD B e o ADD C nos pinos 23 a
25 como mostra a figura 10 acima. Veja a tabela 3 que evidencia a configuração.
41
TABELA 3
Seleção de entrada analógica no ADC0808.
4.3.3) Referências de tensão
O valor digitalizado da saída depende dos valores definidos para referencias positiva e
negativa. Este valor segue a fórmula a seguir.
Valor = (TE-Tmin)*256/TM-Tmin
Equação2 - Valor da saída digital
Onde TE é a tensão de entrada, TMin é a tensão mínima e TM é a tensão máxima.
Estas tensões de referência devem estar de acordo com o nível de saída do acelerômetro, e
como visto no item 4.1.2, as tensões do acelerômetro vão de 0,45V a 2,85 V. Para um ajuste das
tensões foram colocados trimpots para a regulagem. O circuito para a geração das tensões de
referência é mostrado na figura 19.
Figura 19 - circuito para a geração das tensões de referência
42
4.3.4) Clock para o ADC0808
O Clock necessário para o funcionamento do ADC0808 é uma onda quadrada como mostra a
figura 20 . Para prover este sinal de clock é utilizado o circuito ilustrado pela figura 21.
Figura 20 - Sinal de clock necessário ao ADC0808
Figura 21 - Circuito para geração do clock
4.3.5) Disponibilização dos dados no barramento
A saída de 8 bits de dados do ADC0808 que são os pinos 17 ao 21, 8, 14 e 15 estes, são
conectados em ordem ao barramento de dados do microcontrolador 8031, pelo kit didático.
Os pinos A15 e /RD do kit didático que fazem a ativação da conversão, é por eles que é
ativado o latch transparente 74LS373 que coloca os dados disponíveis no barramento. Para mais
detalhes, consulte o esquemático completo no Anexo deste documento.
43
4.4) Firmware
O firmware que está desenvolvido em linguagem assembly segue o modelo indicado pelo
fluxograma na figura 22.
Para ler os dados disponíveis pelo ADC0808 é necessário mapear o ADC em memória e é
isso que é feito. Para selecionar o ADC, precisa-se configurar qualquer endereço acima de
7FFFh. Note no trecho de código abaixo como é feito o procedimento.
MOV DPTR, #8000H ;Setado endereço para acesso ao barramento
MOVX A, @DPTR ;A recebe dados do barramento
MOV DPTR, #01H ;Selecionando endereço da RAM para gravação
MOVX @DPTR, A ;Gravando dados em memória RAM
O código completo do firmware está disponível neste documento no (ANEXO 2).
O firmware coleta uma amostra de cada um dos 3 eixos, grava em memória RAM e envia
esses dados pela serial. Para não embaralhar os dados, foi adicionado um separador a cada
amostra de dados dos eixos, este separador é de 3 bytes 255 33 255. Os dados são enviados
conforme a tabela 4 a seguir. Os valores X, Y e Z na tabela são referentes ao valores nominais de
g coletados de cada eixo respectivamente.
Separador Dados Separador Dados Separador Dados Separador
255 33 255 X Y Z 255 33 255 X Y Z 255 33 255 X Y Z 255 33 255
Tabela 4 - Forma de transmissão de dados
4.5) Software.
O software é composto por duas partes, uma que recebe os via serial e outra que trata os dados
e gera os resultados. O código fonte completo está disponível no Anexo 3.
4.5.1) Recepção dos dados.
Os dados são recebidos pelo programa que foi desenvolvido em C++. Este é ilustrado pela
figura 23.
44
Figura 22 - Fluxograma do firmware
Figura 23 - Tela do software
45
Na aba conexão, é feita a conexão com a porta serial que está configurada para o conversor
serial-USB. O Campo “PortaCOM” mostrará as portas seriais que estão disponíveis. Após a
seleção de velocidade e da Porta Com, clicando em Conectar, o programa está apto a receber
dados do sismógrafo.
Os dados são todos alocados no campo “Dados recebidos do sismógrafo”. Após o
recebimento dos dados, deve se salvar os dados no botão “Salvar Dados” e Gerar os arquivos de
resultado clicando no botão “Gerar arquivos”, ao clicar, será invocado o Script em PHP irá
analisar o arquivo salvo e gerar imagens e o HTML. O código fonte completo do script PHP está
descrito no Anexo 3.
4.5.2) Script de processamento.
O script de processamento é invocado a partir do clicar do botão “Gerar arquivos” do
software de coleta de dados. Este script é responsável por separar os dados dos eixos X, Y e Z,
identificar os tremores em cada eixo e separá-los, montar uma imagem com os dados de cada
eixo e uma imagem para cada impacto de em cada eixo e finalmente quantificar os dados de cada
tremor.
Os tremores são identificados pela variância de amplitudes. Um valor é definido para esta
variância e a cada 10 amostras, é checada se a variância está acima deste limite. Se a variância
dessas amplitudes for superior ao valor definido, a amostra é considerada um tremor. Como um
tremor pode ter a duração maior que 10 amostras, os conjuntos de 10 amostras são unidos e
assim formam um tremor completo. Este procedimento é feito para os dados de cada eixo.
Cada tremor é quantificado quanto a sua amplitude máxima positiva, que é o maior valor
positivo da amplitude e amplitude máxima negativa que é o maior valor negativo da amplitude.
O cálculo realizado é descrito na formula 2, mas o resultado desta fórmula é um valor em volts e
para converter este valor em “g” é utilizado os dados de conversão da tabela 2 , sabendo que o
máximo para as saídas é de 2,85 V e o mínimo é de 0,45 V. O valor máximo em V é o valor
mais positivo da escala em e o valor mínimo é o valos mais negativo da escala em “g”.
O tempo de duração de cada tremor é calculado multiplicando a quantidade de amostras pelo
tempo que é necessário para gerá-las. Este tempo é o tempo de execução do microcontrolador
executar todas as tarefas referentes a coleta e transmissão dos dados.
4.6) Montagem.
O Hardware é composto por 3 itens principais. (1) Plataforma, (2) Tampa e (3) Placa
eletrônica. Estes três itens estão ilustrados a seguir nas figuras 24, 25 e 26 respectivamente.
46
Figura 24
Plataforma
Figura 25
Tampa
47
Figura 26
Placa eletrônica
Como visto nas figuras, a plataforma é composta por uma caixa metálica preta. Ela dispõe de
3 hastes fixadas na sua parte inferior, estas hastes tem a função de fixar o equipamento no solo.
Em uso em campo estas hastes devem estar enterradas.
A tampa é a própria tampa da caixa preta, mas ela também é suporte para a bateria, botões de
comando e leds de indicação.
A placa eletrônica é composta pelo circuito eletrônico principal, kit didático 8031 e paca com
acelerômetro. O diagrama esquemático desta placa está disponível no anexo deste documento.
48
CAPÍTULO 5 – VALIDAÇÃO E RESULTADOS
5.1) Resultados.
Os resultados são um hardware sensível o suficiente para captar os abalos e um software
capaz traduzir todas essas informações para uma linguagem entendível ao ser humano.
O hardware se mostrou capaz de realizar tal tarefa. Na figura 27 mostra, o hardware já
montado e na figura 28 o software em execução.
Figura 27 - Hardware Montado
Figura 28 - Software em execução
49
O HTML resultante, contém os gráficos dos 3 eixos durante todo o tempo que foi coletado os
dados e também é separado cada impacto em imagens diferentes. As imagens 29 e 30 mostram
os resultados referentes aos impactos obtidos pelo software.
Figura 29 - HTML resultante mostrando eixos
Figura 30 - Imagem separada de impacto
5.2) Validação dos dados.
O sistema completo foi testado em duas condições, uma em campo e uma em laboratório.
Ambas as situações com o impacto de um peso sobre o solo com a captação dos dados pelo
sismógrafo.
50
5.2.1) Teste em laboratório.
O teste de laboratório foi feito nas dependências do Unicenp. Utilizando um soquete, uma
massa de 4,5 quilos é desprendida de uma altura de um metro. A figura 31 mostra a condição dos
testes. Foram feitas medidas desses impactos a 30cm e 60cm do local do impacto. As imagens
desses impactos são mostradas a seguir pelas figuras 32 e 33.
Figura 31 - Teste de laboratório
Figura 32 - Gráfico de impacto a 30 cm
Figura 33 - Gráfico de impacto a 60 cm
51
5.2.2) Teste em Campo.
O teste de campo foi realizado em uma obra durante a cravação de estacas. Cada estaca que
mede 9 metros é cravada verticalmente no solo, para isso usa-se impactos com um peso de 2
toneladas que é erguido a uma altura de 1,5 metros e solto na ponta da estaca. A imagem 34
mostra o teste de campo e as imagens 35 e 36 mostram os registros dos impactos à 1 e 2 metros
da base da estaca respectivamente.
Figura 34 - Teste em campo
Figura 35 - Gráfico de impacto a 1 metro
Figura 36 - Gráfico de impacto a 2 metros
52
CAPITULO 6 – CONCLUSÕES
O sistema se mostrou eficiente no que foi proposto. A uma sensibilidade de 1,5 g, o sistema
foi capaz de ser sensibilizado por pequenos tremores.
A utilização do sistema é simples e fácil e é perfeitamente aplicável para medições em campo
sem nenhuma alteração de hardware ou software.
A plataforma com 3 hastes se mostrou muito boa no que tange a transmissão de vibração,
como ela fica quase toda dentro do solo, a performance foi muito boa
Como melhorias futuras, pode-se implementar o hardware em uma arquitetura mais eficiente,
com microcontroladores mais rápidos e com conversão analógica para digital interna, dessa
maneira poderá se ter um hardware mais leve e menor e também diminuir o tempo entre uma
amostragem e outra.
Para estudos mais minuciosos sobre abalos, será necessário realizar testes mais controlados
com pesos e distâncias de maior precisão que estejam aferidos e sejam conhecidos.
53
CAPITULO 7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[BACCI, 2003] BACCI, Denise de La Corte, LANDIM, Paulo Milton Barbosa. Principais
normas e recomendações existentes para o controle de vibrações provocadas pelo uso de
explosivos em áreas urbanas – Parte I. São Paulo SP 2003
[BACCI, 2003] BACCI, Denise de La Corte, LANDIM, Paulo Milton Barbosa. Principais
normas e recomendações existentes para o controle de vibrações provocadas pelo uso de
explosivos em áreas urbanas – Parte II. São Paulo SP 2003
[HALLIDAY, 1996] HALLIDAY, David, RESNICK, Robert, WALKER, Jearl.
Fundamentos de Física, 4 ed. Rio de Janeiro, Editora Livros técnicos e científicos S.A., 1996
[MIRANDA, 2004] MIRANDA J Miguel Fundamentos da Geofísica. Lisboa, 2004
[TANENBAUM, 1999] TANENBAUM, ANDREW. S. Organização Estruturada de
Computadores. Editora LTC. Rio de Janeiro. 1999.
[PERTENCE, 1996] PENTENCE, Junior, Antônio. Amplificadores operacionais e filtros
ativos. Editora MAKRON. São Paulo, 1996
[WERNECK] WERNECK, Martins, Marcelo. Transdutores e Interfaces. Editora LTC. Rio
de Janeiro, 1996
ONDAS. Onda sísmica. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ondas_p. Acesso em:
julho de 2007.
BORLAND.Borland Ferramentas e plataformas de desenvolvimento. Disponível em:
http://www.borland.com.br. Acesso em: novembro de 2007.
PHP.NET. Hipertext Preprocessor. Disponível em: http://www.php.net. Acesso em:
novembro de 2007.
NATIONAL. National Semiconductor. Disponível em: http://www.national.com . Acesso em:
julho de 2007.
FREESCALE. Freesacele Semiconductor. Disponível em: http://www.freescale.com. Acesso
em: julho de 2007.
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APÊNDICE A – GLOSSÁRIO
Perl - Linguagem de programação.
PHP - Linguagem de programação.
IDE - Ambiente de desenvolvimento integrado.
Sismógrafo - Equipamento para medição de tremores.
Acelerômetro - Sensor de aceleração.