estagio ii gustavo
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Relatório de Estágio Supervisionado II em Tecnologia em Automatização Industrial
Desenvolvimento e implementação de um Painel Eletrônico com LEDs em
Movimento Circular
Semestre Letivo 2009/04
UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL Nome: Gustavo Rossa
Orientação: Andre Schneider de Oliveira
Curso: Tecnologia em Automatização Industrial Centro: Ciências Exatas e Tecnologia
Campus / Núcleo: Cidade Universitária
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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
Estágio Supervisionado II em
Tecnologia em Automatização Industrial
Desenvolvimento e Implementação de um
Painel Eletrônico com LEDs em Movimento Circular
GUSTAVO ROSSA
ORIENTADOR: ANDRE SCHNEIDER DE OLIVEIRA
Trabalho de Estágio Supervisionado
apresentado como parte dos requisitos
para obtenção da aprovação na disciplina
de Estágio Supervisionado II do curso de
Tecnologia em Automatização Industrial.
Caxias do Sul – 2009
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GUSTAVO ROSSA
DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM PAINEL ELETRÔNICO COM LEDS EM MOVIMENTO CIRCULAR
Este Trabalho de estágio foi julgado adequado
para aprovação na disciplina de Estágio
Supervisionado II, e aprovado em sua forma
final, pelo Supervisor e pela Banca
Examinadora do Curso de Tecnologia em
Automatização Industrial em 04 dezembro de
2009.
Coordenador de estágio:
_______________________________
Prof. Msc. Cesar Augusto Bernardi
Orientador:
_________________________________ Prof. Msc. Andre Schneider de Oliveira
Banca Examinadora:
_______________________________ Prof. Msc Anderson Soares
_______________________________ Prof. Msc Dio RGE Zâmbia
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Ficha catalográfica.
ROSSA, Gustavo
Desenvolvimento e Implementação de um Painel Eletrônico com LEDs em Movimento Circular / Andre Schneider de Oliveira; orientador Caxias do Sul: UCS, Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Ano 2009
N° de folhas, 56
Trabalho de estágio supervisionado II do curso de Tecnologia em Automatização Industrial – Universidade de Caxias do Sul, Centro de Ciências Exatas e Tecnologia
Inclui referências bibliográficas.
1. Área do conhecimento. 2. Microcontrolador. 3. Coluna de LEDs. 4. Controle 5. Mensagem Virtual. 6. Display de LEDs. I. Oliveira, André. II. Universidade de Caxias do Sul. Centro de Ciências Exatas e Tecnologia. III Título
5
DEDICATÓRIA
Aos meus pais Luis José Rossa e Cecilia Ricardo Rossa, a minha esposa
Fernanda Padilha da Silva e aos meus amigos, pelo carinho, compreensão e
incentivo, na realização de mais uma faze de minha vida.
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RESUMO
O presente projeto propõe a implementação de um dispositivo de projeção de
imagens, composto de um disco com uma coluna de LEDs dinâmica acoplada em
sua face. Esse dispositivo possui um sistema mecânico, o hardware, composto por
um microcontrolador PIC16F628A e o firmware que serão projetados para exibir na
tela do protótipo imagens virtuais.
Os LEDs, dispostos em uma única coluna, serão a fonte de projeção, que
será acionada através de uma combinação de LEDs ligados e desligados. As
variáveis de tempo e posição serão amostradas e disponibilizadas ao dispositivo
microcontrolador por um sensor magnético fixado ao disco. Todas as informações
serão processadas e enviadas à coluna de LEDs em forma de pulsos elétricos que
acionarão cada um deles.
Ao girar o disco a uma velocidade suficientemente rápida e controlando a
coluna de LEDs, o painel eletrônico, devido ao fenômeno da percepção de
movimento humano, faz a impressão de uma imagem constante.
O objetivo final deste trabalho é disponibilizar um equipamento versátil,
econômico, minimizando o uso de LEDs, em comparação com os displays de LEDS
convencionais. Tal dispositivo tem alto poder de interação com o público, podendo
ser utilizado na decoração de ambientes, na promoção de marcas e instituições, ou
como um sistema que disponibiliza mensagens, de interesse pessoal e público, em
seu display.
Na parte prática deste trabalho foi desenvolvido um protótipo cuja imagem
virtual forma as letras U C S, iniciais da Universidade de Caxias do Sul.
Palavras-chave: Microcontrolador, Coluna de LEDs, Controle, Mensagem Virtual,
Display de LEDs.
Áreas de conhecimento: Percepção de Movimento Humano, Movimento Circular,
Automação.
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Abstract
This Project is about a device of projection images, composed of a disc with a
dynamic column of LEDs fixed in its face. The device will be projected through a
mechanic system, the hardware, composed of a microcontroller PIC16F628A and the
firmware.
The LEDs, placed in just one column, will be the source of projection of the
virtual images that will be set through a combination of LEDs, connected and
disconnected, considering the variable of time and position. These two variables will
be shown to the device microcontroller through a magnetic sensor fixed to the disc.
All the information’s will be processed and sent to the column of LEDs in form of
electric pulses that will start each of them.
When the disc is turned in a great velocity, and controlling the column of
LEDs, occurs (thanks to the human movement) the impression of a constant image.
The final goal of this project is to develop versatile and economic equipment,
minimizing o use of LEDs, in comparison with the displays of conventional LEDs.
This device has a great power of interaction with the people that will use it, and can
be used in the interior design, in the promotion of trades and institutions, or as a
system that shows messages in its display.
In the practical part of this work was developed a device that its virtual image
forms the letters U C S that means Universidad de Caxias do Sul.
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SUMÁRIO
INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 14
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................. 15
1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA DO TRABALHO DO ESTÁGIO .............. 15
1.2 OBJETIVO GERAL ...................................................................................... 15
1.2.1 Objetivos Específicos ......................................................................... 16
1.3 LOCAL/EMPRESA DO ESTÁGIO ................................................................ 16
1.4 LIMITAÇÕES DO TRABALHO ..................................................................... 16
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................. 17
2.1 PERCEPÇÃO VISUAL DO MOVIMENTO .................................................... 17
2.2 MOVIMENTO REAL ..................................................................................... 18
2.3 MOVIMENTO ESTROBOSCÓPICO ............................................................ 18
2.4 MOVIMENTO INDUZIDO ............................................................................. 19
2.5 DIODOS EMISSORES DE LUZ (LEDS) ...................................................... 21
2.5.1 Ângulo de Abertura do Feixe Luminoso ............................................. 23
2.5.2 Intensidade Luminosa ........................................................................ 24
2.6 PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE DISPLAYS .............................................. 24
CAPÍTULO 03 ........................................................................................................... 28
3.1 PROBLEMA ................................................................................................. 28
3.2 Solução Proposta ......................................................................................... 28
3.3 ANÁLISE DOS REQUISITOS ...................................................................... 30
3.4 ANÁLISE FUNCIONAL ................................................................................ 30
3.5 DETALHAMENTO DO PROJETO ................................................................ 31
3.5.1 O Hardware ........................................................................................ 31
3.5.1.1 Interface de comunicação (Placa 1) ................................................... 32
9
3.5.1.2 Microcontrolador (Placa 2) ................................................................. 34
3.5.1.3 Coluna de LEDs (Placa 3) .................................................................. 36
3.5.1.4 Consideração sobre a alimentação .................................................... 38
3.5.2 O Firmware ......................................................................................... 40
3.5.3 O Mecanismo ..................................................................................... 46
3.6 VALIDAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................... 48
CONCLUSÃO ........................................................................................................... 50
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 51
ANEXO I.................................................................................................................... 53
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Padrão de Korte para estabelecer o movimento estroboscópico .............. 19
Figura 2 - Movimento estroboscópico (SIMÕES 1985) ............................................. 19
Figura 3 - Movimento induzido (MILBRATZ 2000) .................................................... 20
Figura 4 - Espectro luminoso (CERVI 2005) ............................................................. 22
Figura 5 - Faixa de comprimento de onda (OLIVEIRA 2007) .................................... 22
Figura 6 - Encapsulamento dos LEDs ....................................................................... 23
Figura 7 - Controle de intensidade luminosa de um LED de alto brilho (HEWLETT
PACKARD 2009) ....................................................................................................... 24
Figura 8 - Display NIXIE (GEEKOLOGIE 2009) ........................................................ 25
Figura 9 - Display de LEDs (StarBrite 2009) ............................................................. 26
Figura 10 - Display de LCD (SOLDAFRIA 2009) ....................................................... 27
Figura 11 - Sistema Proposto Display Rotativo de LEDs .......................................... 29
Figura 12 - Fluxograma da Analise de Funcionamento ............................................. 31
Figura 13 - Circuito eletrônico ................................................................................... 32
Figura 14 - Placa 1, Interface de Comunicação ........................................................ 33
Figura 15 - Representação e pinagem do PIC16F628A ............................................ 34
Figura 16 - Placa 2, Microcontrolador........................................................................ 36
Figura 17 - Raio de trajetória e posição dos LEDs na coluna .................................... 37
Figura 18 - Placa 3, Coluna de LEDs ........................................................................ 38
Figura 19 - Transferência de energia da parte fixa para a móvel .............................. 39
Figura 20 - Diagrama de distribuição de energia ....................................................... 40
Figura 21 - Setor de um caractere ............................................................................. 43
11
Figura 22 - Defasagem dos LEDs ............................................................................. 45
Figura 23 - Laiaute do Display ................................................................................... 46
Figura 24 - Estrutura do display com os elementos internos montados .................... 47
Figura 25 - Display Rotativo de LEDs........................................................................ 48
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1-Pinagem do Microcontrolador com a coluna de LEDs ................................ 35
Tabela 2-Valor do arco para medida de um caractere .............................................. 44
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SIGLAS, TERMOS E ABREVIAÇÕES
LED - Light Emitting Diode
UCS - Universidade de Caxias do Sul
MCU - Movimento Circular Uniforme V - Velocidade Linear
Ω - Velocidade Angular
R - Raio
T - Período
SI - Sistema Internacional de Medidas
S - Segundo
Hz - Hertz
F - Freqüência
LCD - Liquid Crystal Display
V - Volt
A - Ampere
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Continua
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INTRODUÇÃO
Dentre os veículos de publicidade os painéis eletrônicos assumem lugar de
destaque. Eles possuem diversidade, criatividade, economia, interação nas mais
diversas formas de transmitir informações visuais.
Os painéis eletrônicos que possuem a estrutura retangular com a disposição
dos LEDs em diversas colunas são amplamente utilizados. Nesta configuração,
grande quantidade de LEDs é utilizada para a cobertura da área física da tela, assim
garante a possibilidade de exibir as formas desejadas.
Esse relatório de estágio propõe com uma única coluna de LEDs, cobrir uma
área circular no diâmetro do disco onde ficam inseridos os LEDs. Para disponibilizar
as imagens em forma de pontos luminosos, devido o movimento giratório em que é
disposto o conjunto.
Observando o sincronismo da freqüência de giro do disco com o tempo em
que cada um dos LEDs da coluna fica ligado ou desligado, caracteres ou qualquer
tipo de forma pode ser visualizado dependendo exclusivamente da programação do
microcontrolador.
A técnica de por LEDs em movimento, não se limita apenas em um disco,
pode também ser aplicada em diversos tipos de recursos onde exista um movimento
em que possam ser inseridos esses diodos emissores de luz.
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CAPÍTULO 1
Neste capítulo está descrito de forma concisa as justificativas do trabalho,
bem como os objetivos gerais e específicos, os locais onde ocorreram o
desenvolvimento e montagem do protótipo, e por fim as limitações para o
desenvolvimento do projeto.
1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA DO TRABALHO DO ESTÁGIO
Com o grande avanço da tecnológica com vistas à publicidade, várias formas
de recursos visuais seguem evoluindo. O painel eletrônico é um exemplo disso e
representa um meio moderno, ágil, versátil, de bom retorno custo/beneficio
garantindo mais uma maneira de chamar atenção do público para a propaganda de
seus produtos. Pode ser utilizado em diversas áreas de negócios, ou até mesmo
como decoração de ambientes, devido às infinitas mensagens e formas de
animações que podem ser programadas nesses painéis.
Um dos fatores interessantes nesse estágio é à disposição dos LEDs.
Diferente de um painel eletrônico em que os LEDs ficam dispostos em uma
superfície fixa, eles serão postos em movimento giratório. O grande desafio é o
controle de cada um dos LEDs visto que existem diversas variáveis para obter a
geometria visual desejada no painel.
1.2 OBJETIVO GERAL
Desenvolver e implementar um painel com LEDs em movimento circular.
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1.2.1 Objetivos Específicos
Desenvolvimento da eletrônica embarcada
Desenvolvimento do mecanismo de giro
Desenvolvimento do firmware embarcado
Validação e testes
1.3 LOCAL/EMPRESA DO ESTÁGIO
A Universidade de Caxias do Sul (UCS) foi fundada em 10 de fevereiro de
1967, atualmente ela possui unidades Universitárias em diversas cidades da região
nordeste do Rio Grande do Sul. Na cidade de Caxias do Sul está localizado a
Cidade Universitária e o Campus 8, totalizando 11 unidades Universitárias. Hoje a
UCS detém e busca continuamente o conhecimento, para que possa ter um
crescimento e reconhecimento nacional e internacional, tornando-se essencial para
o desenvolvimento de todas as regiões que ela abrange.
O estágio apresenta como locais de trabalho a UCS, mais especificamente os
laboratórios do Bloco 71, para pesquisas e os laboratórios do Bloco D para
desenvolvimento, montagem do protótipo e testes do painel eletrônico.
1.4 LIMITAÇÕES DO TRABALHO
O dimensionamento do motor elétrico envolvido como propulsor do
dispositivo, fica como limitação do trabalho. Assim o seu desenvolvimento passa a
ser sugestão para trabalhos futuros.
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CAPÍTULO 2
Esse capítulo descreve a fundamentação teórica utilizada no projeto. Tem
como itens a percepção do movimento, os diodos emissores de luz, as principais
tecnologias de displays entre outros.
Os fenômenos físicos envolvidos e o projeto também fazem parte deste
capítulo, porém ficam dispostos como Anexo do trabalho.
2.1 PERCEPÇÃO VISUAL DO MOVIMENTO
Ao visualizar uma seqüência de imagens em sucessões, ocorre um fenômeno
psicológico denominado persistência da visão, no qual cada imagem persiste em
nossos olhos e cérebro até que a próxima imagem ocupe seu lugar.
Com base nos experimentos de Wertheimer, em 1834, W.G. Horner descreve
pela primeira vez, o funcionamento de um brinquedo de criança que demonstra um
cavalo que salta. Esse experimento retrata uma série de imagens seqüenciais das
fases sucessivas do movimento desse cavalo e que foram dispostas em um cilindro
giratório que possibilita a visualização das sucessões de imagens com o cilindro
girando (ARNHEIM 2002).
Outro exemplo é o cinema, com a exposição de no mínimo vinte e quatro
imagens por segundo pode-se ver um movimento continuo. O mesmo acontece em
painéis luminosos de anúncios publicitários, nos quais o acender e apagar das
lâmpadas (LEDs) produz a movimentação das imagens das letras, formas
geométricas ou figuras humanas, ainda que objetivamente nada se mova (ARNHEIM
2002).
Devido ao fenômeno que ocorre no sistema visual, é possível entender, como
os seres humanos visualizam os objetos que estão em movimento real e as
impressões de movimento, relatadas como movimento aparente.
18
2.2 MOVIMENTO REAL
Simões (1985) destaca em sua literatura que a percepção de movimento real
onde se percebe objetos em movimento, pode ser definida de duas formas:
a) Quando um objeto com características de figura entra no campo visual;
b) Quando um objeto com características de figura está em movimento e
para visualizá-lo, movimentam-se os olhos ou cabeça para acompanhá-lo.
2.3 MOVIMENTO ESTROBOSCÓPICO
Um movimento aparente não ocorre na natureza desprovida de tecnologia. As
luzes dos painéis eletrônicos, por exemplo, parecem mover-se, as seqüências de
imagens projetadas nas telas de cinema que se fundem, dando origem à sensação
de movimento. O movimento estroboscópico mais elementar relatado por Simões
(1985) está representado na Figura 1, às luzes a e b acendem-se de forma que
ocorra um certo intervalo de tempo entre o apagar da luz a e o acender da luz b. O
psicólogo alemão Korte estabeleceu a distancia, a duração de cada ponto luminoso,
a duração do intervalo de tempo e as intensidades das luzes necessária para que o
movimento fosse visto da melhor forma possível. Assim ao ligar as luzes em um
intervalo muito reduzido, portanto, com grande velocidade, o padrão percebido é de
simultaneidade. Por outro lado se for ultrapassado o limite de tempo considerado
ótimo, isto é, com um intervalo muito longo, o padrão obtido é uma sucessão de dois
pontos luminosos. Ao variar a intensidade da segunda luz fazendo que seja muito
maior que a primeira, percebe-se aparentemente um movimento no sentido
contrario, de b para a.
Sendo assim a situação elementar do movimento estroboscópico acontece
quando a luz a permanece acesa por um tempo t0 e apaga-se, após uma pausa p, b
acende por um tempo t1, sendo e a distancia das luzes. Nessa situação, para
valores de t0, t1, p e e, determinados, ocorrerá à sensação de o movimento de a
para b.
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Figura 1 - Padrão de Korte para estabelecer o movimento estroboscópico
(SIMÕES 1985)
Ao analisar uma suposição de três pontos luminosos, dispostos em uma fileira
representada na linha superior da Figura 2, onde ocorra uma substituição pela linha
inferior e ocupando o mesmo nível no espaço, se pode esperar que os dois pontos
que coincidem b e c, permaneçam imóveis, passando o pondo da posição a para a
posição d. Ao invés, o efeito visual é de que todos os pontos se movem de uma vez,
uma posição para a direita. Cada ponto identifica-se com a identidade do sucessor
dentro da estrutura definida previamente (ARNHEIM 2002).
Figura 2 - Movimento estroboscópico (SIMÕES 1985)
2.4 MOVIMENTO INDUZIDO
O movimento induzido refere-se ao efeito da intervenção de um sistema de
referência capaz de confundir o sistema visual a respeito de observar um objeto em
movimento sem que ele esteja de fato se movimentando (SIMÕES 1985).
A contribuição mais significativa em efeito de experiência ilusória segundo
Penna (1993) pertence a Karl Duncker. O experimento de maior importância
acontece em uma sala escura, onde é projetado um quadro com contorno luminoso
20
e dentro dele um ponto de luz com a mesma intensidade. Um é independente do
outro, e os dois são controlados. Assim três diferentes situações foram realizadas.
A primeira situação acontece da seguinte maneira, o quadro é projetado
imóvel e o ponto luminoso se desloca lentamente para direita. O efeito visual
observado é o real.
Na segunda situação o quadro é projetado com movimento lento para
esquerda, permanecendo o ponto luminoso parado. O efeito visual desta vez ocorre
da mesma maneira que aconteceu na primeira situação.
Para a terceira situação os dois elementos são dispostos em movimento, o
quadro movimenta-se lento para esquerda e o ponto para direita. Mesmo assim o
efeito visual ocorre com a ilusão de que o quadro permanece parado e o ponto se
movendo para a direita.
O fenômeno mais complexo para Simões (1985) trata do movimento induzido
representado pela Figura 3. Onde uma roda com um ponto luminoso acoplado na
sua extremidade, fica rodando sobre uma superfície. O que era de se esperar pela
visualização do observador seria um movimento cicloidal, no entanto, o efeito visual
produzido nessa situação é um ponto luminoso em rotação em volta do eixo da roda.
Figura 3 - Movimento induzido (MILBRATZ 2000)
Milbratz 2000, concluiu que para realizar a geração de movimentos aparentes
se faz necessário a observação de alguns fatores importantes, tais como:
a) A distância entre dois estímulos: quanto maior a distância entre dois
pontos, maior deve ser também a intensidade (mantendo o intervalo de tempo
21
constante); ou maior deve ser o intervalo de tempo (mantendo a intensidade
constante).
b) A intensidade dos estímulos: quanto maior a intensidade dos estímulos,
maior deve ser a distancia, ou menor o intervalo de tempo.
c) O intervalo de tempo de sucessão: quanto maior o intervalo de tempo,
maior deve ser a distancia, ou menor a intensidade.
O conceito de visualizar os movimentos é de grande importância na
realização do estagio, devido à disposição dos LEDs que ficarão em movimento
giratório e piscando a uma determinada freqüência, é evidente que precisa ser
determinado como será essa visualização, bem como o estudo do movimento
circular uniforme.
2.5 DIODOS EMISSORES DE LUZ (LEDS)
O dispositivo semicondutor LED é uma sigla do inglês para Light Emitting
diode, em português Diodo emissor de luz. Esse diodo com junção P-N, quando
diretamente energizado, dentro da estrutura e próximo da junção, ocorre
recombinação de lacunas de elétrons. Ao realizar a recombinação a energia
possuída por esses elétrons, que antes era livre, agora é liberada em forma de calor
e de fótons de luz (OLIVEIRA, 2007).
O feixe de luz emitido pelos LEDs é monocromático, obtido através da
excitação de um cristal semicondutor. O comprimento da onda emitido pode varia de
tal maneira que se consegue obter qualquer cor dentro do espetro luminoso, Figura
4, dependendo da dopagem desse cristal semicondutor. Gálio, alumínio, arsênio,
fósforo, índio e nitrogênio, são exemplos de dopagem utilizada na fabricação desses
componentes (CERVI, 2005).
22
Figura 4 - Espectro luminoso (CERVI 2005)
Ao realizar uma relação de mistura de componentes químicos (Figura 5),
como por exemplo, InGaN, é possível obter feixes de luz nas cores azul ou verde, e
AlInGaP para emitir feixes luminosos nas cores vermelha, alaranjada ou amarela,
dependendo da relação da mistura (CERVI 2005).
Figura 5 - Faixa de comprimento de onda (OLIVEIRA 2007)
Os LEDs possuem característica de alta confiabilidade, garantindo boa
performance em aplicações onde ocorra uma grande variação de temperatura (de -
20º a 120º), bem como em locais onde existam vibrações, garantindo a continuidade
de operação. A vida útil desses componentes semicondutores pode chegar a
100.000 horas (CERVI 2005).
Os diodos emissores de luz segundo Oliveira (2007) podem ser divididos em
três categorias:
a) LEDs Indicadores: são os mais comuns, possuem geralmente
encapsulamento colorido com função de filtro óptico.
b) LEDs de Alto Brilho: não necessitam de filtros ópticos, pois emitem um
comprimento de onda específica, desta maneira, geralmente são transparentes. Sua
eficiência é maior que os indicadores devido à extração de um feixe luminoso maior.
Devido ao seu desempenho permite aplicações onde é necessária grande eficiência
luminosa, como em semáforos, painéis eletrônicos entre outros.
23
c) LEDs de Potência: possuem um consumo de potencia acima de 1W,
cada vez mais estão sendo utilizados para realizar a função de iluminação em
ambientes internos com aplicação em projetos arquitetônicos, em vitrines,
substituindo as lâmpadas alógenas e também como iluminação de emergência. A
Figura 6 destaca os encapsulamentos das três categorias (Oliveira 2007).
Figura 6 - Encapsulamento dos LEDs (Oliveira 2007)
Com o término do estudo das categorias de LEDs, entra a parte do ângulo de
abertura do feixe luminoso e a intensidade luminosa desses elementos.
2.5.1 Ângulo de Abertura do Feixe Luminoso
Conforme Cervi (2005) existem diversos tipos, formas e tamanhos de LEDs
comercializados, todos com encapsulamento diferenciado, obtendo como resultado
a mudança no ângulo do feixe de luz, específico para cada forma construtiva.
Alguns tipos de LEDs, como os de encapsulamento mais simples, com
dimensões de 3mm e 5mm, possuem um ângulo de abertura do feixe de luz restrito,
com cerca de 30º, obtendo como resultado um alto aproveitamento do fluxo
luminoso, casos onde se pretende iluminar um ponto específico ou uma área
determinada, como na iluminação de um destaque em um objeto ou em uma obra de
arte. Em contra partida, existem LEDs com ângulos de abertura de 180º, indicados
24
para serem usados na iluminação de ambientes (CERVI 2005).
2.5.2 Intensidade Luminosa
Cada LED é projetado para suportar certo limite de corrente, sendo que a
corrente direta de polarização esta diretamente relacionada com a intensidade
luminosa, portanto a variação dessa corrente resulta no controle da intensidade
emitida. A Figura 7 apresenta um exemplo de intensidade luminosa de um LED de
alto brilho (CERVI 2005).
Figura 7 - Controle de intensidade luminosa de um LED de alto brilho (HEWLETT PACKARD 2009)
Realizado o estudo sobre os LEDs, o importante é encontrar as tecnologias
de displays, obtendo suas características principais, de modo a compreender o que
existe no mercado.
2.6 PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE DISPLAYS
Cugnasca (2009) apresenta um estudo sobre as principais tecnologias de
25
painéis e destaca que um dos displays mais antigos é o de tecnologia desenvolvida
pela Borroughs Corporation, denominado display NIXIE. Esse tipo de tecnologia
monta dentro de um tubo dez números sobrepostos em diferentes planos, de
maneira que quando um deles se acende os outros permanecem apagados,
permitindo ver através deles. A espessura de cada número é bastante reduzida. A
Figura 8 apresenta um dos diversos tipos deste tipo de tecnologia.
Figura 8 - Display NIXIE (GEEKOLOGIE 2009)
Uma desvantagem para esse tipo de sistema é que os números não ficam no
mesmo plano, ocorrendo certo desconforto na leitura dos dígitos que se encontram
em planos diferentes. O acendimento dos números exige altas tensões de operação,
e para realizar o chaveamento rápido dessas tensões, se faz necessário a
implementação da técnica de multiplexação, que sempre foi um problema na
utilização dessa tecnologia. A substituição desta técnica aconteceu mais tarde com o
surgimento dos displays de sete segmentos, pois tiveram bastante aceitação devido
ao custo e por serem menores, sendo utilizados até hoje. No mercado existe uma
vasta variedade de painéis com diferentes formatos, cores e tipos. As principais
tecnologias são:
a) Display incandescente: operam com base em filamentos
incandescentes, são disponíveis em várias cores e tamanhos, dentre as tecnologias
descritas, são os que podem oferecer maior intensidade de luz, contudo o consumo
de energia elétrica é alto.
b) Display de neon: tem o funcionamento baseado na ionização de gases
26
que estão presos em bulbos. Esses são fabricados e disponibilizados na cor laranja-
avermelhada (intrínseca aos gases utilizados). Exige tensão alta para operação, o
que dificulta sua multiplexação.
c) Display fluorescente: são azuis ou verdes eles exigem tensões um
pouco menores que os displays de neon, o que simplifica um pouco a multiplexação.
d) Display de LEDs: possuem uma tecnologia que se iniciou na era do
semicondutor. Devido o efeito de emissão de luz visível na região de junção dos
semicondutores esses displays hoje possuem a vantagem de possuir tamanho
pequeno, embora já existam tamanhos grandes. A confiabilidade na operação em
ambientes hostis, compatibilidade com tensões e correntes dos dispositivos da
tecnologia de circuitos integrados disponíveis dentre outras são vantagens desses
displays. Os LEDs utilizados na fabricação desses dispositivos podem possuir
variadas cores. A Figura 9 ilustra um dos diversos tipos de painéis de LEDs.
Figura 9 - Display de LEDs (StarBrite 2009)
e) Display de cristal líquido (LCD): nesses displays são inseridas algumas
impurezas polares em um material com características semelhantes à de um
elemento que está no estado líquido e que mantém organizada a estrutura cristalina
em temperatura ambiente. A perturbação dessa estrutura, por meio da aplicação de
uma tensão, faz com que exista um bloqueio na passagem de luz devido ao
movimento das impurezas polares. Ao bloquear a tensão, a estrutura se reorganiza,
pois o movimento das impurezas polares pára, permitindo a passagem de luz
novamente pelo seu meio. Existem dois casos para a aplicação dos LCDs que são
os reflexivos com iluminação frontal e superfície refletora por trás e os transmissivos
que possuem iluminação na parte traseira. Devido à utilização de tensão apenas
27
para movimentar as impurezas os displays de LCD consomem pouca energia do
sistema de controle. O tempo de vida útil é menor comparado com os displays de
LEDs devido à degeneração do cristal líquido bem como menor confiabilidade, Outra
desvantagem está relacionada com a utilização em ambientes abertos devido à
sensibilidade a radiação ultravioleta. A Figura 10 mostra uma das formas dos
displays de LCD.
Figura 10 - Display de LCD (SOLDAFRIA 2009)
As diferentes tecnologias disponíveis de displays relatadas nesse capítulo,
concluem e terminam com a referência bibliográfica (estado da arte) sobre os
tópicos necessários para a realização da montagem do dispositivo proposto para
esse estágio, que será aborda no próximo Capítulo 3.
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CAPÍTULO 03
Esse capítulo é dedicado ao desenvolvimento, descrição do funcionamento e
das escolhas dos equipamentos utilizados para a realização do projeto. Também
traz circuitos esquemáticos, diagrama de blocos, ilustrações, as validações e testes
relacionados ao protótipo.
3.1 PROBLEMA
Inicialmente, buscaram-se informações sobre técnicas de mensagens
interativas para propaganda, por isso, se realizou a pesquisa por painéis de
propaganda relatada no Capítulo 2, contudo esses painéis possuem características
de diversas formas, apresentando limitações ou vantagens que serão analisadas
para a utilização nesse trabalho.
Os painéis de display incandescente, de neon e os fluorescentes, possuem
limitação a respeito da interatividade com o público, pois possuem apenas uma
imagem. Já os painéis com display de LEDs possuem boa interatividade com o
público, mas tem como inconveniente a grande quantidade de LEDs e a maior
complexidade de controle das mensagens exibidas. Por fim os displays de LCD
possuem limitações quanto ao tamanho e a exposição a ambientes onde exista
radiação ultravioleta.
Assim essas limitações e inconvenientes, descartam todas as técnicas
estudadas, implicando em uma solução que atenda os objetivos do trabalho.
3.2 Solução Proposta
Devido ao fenômeno da percepção visual de movimento, apresentada no
Capítulo 2, uma imagem permanece nos olhos e cérebro por um determinado tempo
29
Assim um LED que é ligado e desligado a uma freqüência de no mínimo 24Hz,
causa à impressão que ele está permanentemente ligado. Assim, analisando o
estudo do movimento circular uniforme, onde um ponto passa pelo mesmo local a
uma determinada freqüência, conforme a velocidade angular. Verifica-se então que,
realizando a montagem de um LED controlado, para ligar por um instante na mesma
freqüência de giro em um disco em MCU, trás como resultado um ponto ligado em
um determinado local na área do disco.
A idéia é controlar uma coluna de LEDs, fixadas em um disco e fazer com que
o sistema entre em movimento circular uniforme exibindo caracteres e imagens em
seu display, Figura 11.
Figura 11 - Sistema Proposto Display Rotativo de LEDs
Um motor elétrico tendo o disco acoplado em seu eixo será responsável por
dar o movimento de rotação ao sistema.
Desta forma esse trabalho de estágio propõe com o mínimo de LEDs, realizar
o desenvolvimento de um painel que permita a possibilidade de mostrar mensagens
programadas em seu display, que é formado pela trajetória da coluna de LEDs em
30
movimento giratório.
3.3 ANÁLISE DOS REQUISITOS
Montagem de um microcontrolador
Projeto e desenvolvimento mecânico
Projeto e desenvolvimento hardware
Projeto e desenvolvimento do firmware
Desenvolvimento do leiaute do display
3.4 ANÁLISE FUNCIONAL
O display rotativo conta com um sistema capaz de processar informação
previamente programada em um microcontrolador. A interpretação do sinal
informado por um sensor magnético, fixado junto ao disco, mantém a variável que
informa o tempo de uma volta completa, sempre atualizada. Essa variável recebe o
nome de período.
Toda a base de cálculos para o controle do display toma como referência
esse tempo, pois é preciso saber a freqüência, inverso do período, e a velocidade
angular do display para determinar a velocidade linear de cada um dos 8 LEDs da
coluna.
Conforme a velocidade linear, o processador lê o programa e determina o
tempo e a posição em que cada LED deve permanecer ligado para cobrir o setor de
um caractere. Assim é possível determinar todos os setores somente adiantando ou
atrasando o tempo em relação ao imã que aciona o sensor magnético. É nesses
setores que são escritos os caracteres de uma palavra virtual.
Assim automaticamente é controlada a coluna de LEDs para imprimir os
caracteres previamente programados. A Figura 12 mostra o fluxograma funcional do
31
dispositivo.
Figura 12 - Fluxograma da Analise de Funcionamento
3.5 DETALHAMENTO DO PROJETO
3.5.1 O Hardware
O sistema está montado fisicamente em três placas unidas entre si através de
fios. Essa divisão serve para contra balancear o peso e diminuir a vibração do
sistema. Essas placas estão fixadas no disco que serve para conduzi-las ao
movimento giratório.
Além das placas eletrônicas duas trilhas de latão também estão dispostas no
projeto, essas tendo a finalidade de realizar a alimentação elétrica dos componentes
envolvidos, explicadas em maiores detalhes no item 3.5.1.4.
A Figura 13 apresenta o circuito eletrônico do hardware utilizado e as três
divisões que resultam na placa 1, a interface de comunicação, na placa 2, o
32
microcontrolador e na placa 3, a coluna de LEDs.
Figura 13 - Circuito eletrônico
Cada placa tem uma função especifica, dentro de um contexto geral, a placa
1, carrega os componentes responsáveis pela comunicação com a porta serial. A
placa 2 suporta além dos resistores de cada LED e o sensor magnético a parte mais
importante do sistema que é o microcontrolador um PIC 16F628A. A parte visível do
sistema, que é os LEDs, fica inserida na placa 3, também relatada nesse relatório
como coluna de LEDs.
3.5.1.1 Interface de comunicação (Placa 1)
A comunicação de dados com o meio externo e microcontrolador dá-se
através de um conector DB9 fêmea presente na placa 1. Com um cabo de
comunicação serial, conectado a esse conector e a porta serial de um computador
que possua os softwares necessários, é possível realizar essa transferência de
33
dados. Isso é necessário para ler, apagar e gravar o código fonte no
microcontolador. Os softwares utilizados nesse estágio para fazer essa comunicação
foram o PIC C Compiler, o MPLAB IDE da Microchip e o WinPic800.
Para habilitar a programação do PIC 16F628A, é necessário uma tensão
mínima de 12V no pino 4 do microcontrolador. Esse pino possui mais duas funções
que dependem da tensão aplicada a ele. Quando o sistema está em funcionamento
normal, executando o programa, a tensão aplicada no pino 4 deve ser de 5V. Então
as tensões de 12V e 5V são controladas através dos resistores R2, R3 e R4 e dos
transistores Q1 e Q2, mostrados na Figura 13.
O botão de reset aplica nesse pino uma tensão de 0V, o que leva o sistema a
ser resetado, o programa que estava sendo executado para e inicia novamente do
início.
A transferência de dados, ou seja, a cópia do código fonte do computador
para o microcontrolador e feita pelos pinos 4,7 e 8 do conector DB9, responsáveis
por enviar Bits de informação para os pinos 12 e 13 do PIC. Assim as funções de ler,
apagar e gravar o PIC são realizadas.
A Figura 14 mostra a foto da placa 1 com os elementos eletrônicos montados
e o sistema de fixação através de grampos parafusados no disco.
Figura 14 - Placa 1, Interface de Comunicação
Essa placa ainda possui um LED de estado, que informa se o circuito está
ligado ou desligado, também possui um regulador de tensão 7805, com a função de
34
regular a tensão em 5V, necessária para a alimentação do microcontrolador.
3.5.1.2 Microcontrolador (Placa 2)
O microcontrolador utilizado na montagem da placa 2 é responsável por
comandar o controle da coluna de LEDs. Fabricado pela Microchip, o PIC16F628A
possui 18 pinos, sua representação e pinagem é apresentada na Figura 15.
Figura 15 - Representação e pinagem do PIC16F628A
Para realizar a comunicação com a coluna de LEDs, o PIC possui portas de
saída com caracteristica de tensão de 5V em nivel alto e 0V em nivel baixo. Cada
um dos 8 LEDs é conectado a uma dessas portas. Os pinos e o LED correpondente
a cada porta do microcontrolador é apresentada na Tabela 1. Observando que
LED_0, corresponde ao elemento com o menor raio de trajetória da coluna de LEDs.
35
Tabela 1-Pinagem do Microcontrolador com a coluna de LEDs
Coluna de LEDs Pino do PIC Porta
LED_0 1 RA2
LED_1 7 RB1
LED_2 8 RB2
LED_3 9 RB3
LED_4 10 RB4
LED_5 11 RB5
LED_6 12 RB6
LED_7 13 RB7
Devido a necessidade de sincronia do hardware com o firmware, o sistema
possui um o sensor magnético fixado no disco, e na estrutura fixa um imã, que
aciona esse sensor. Então cada vez que o sensor passa pelo imã ele fecha o
contato e essa informação passa para o microcontolador pela interrução externa,
prevista pelo PIC pelo pino 6. De posse disto, o sitema interpreta a informação e
consegue determinar o tempo que o disco leva para dar uma volta completa e a
posição em relação ao imã.
Essa informação é corrigida e armazenada em uma variável chamada
período, a cada volta completa ou a cada 13ms. Todos os cálculos tomam como
referência essa variável, explicada em maior detalhe no item 3.5.2 O Firmware.
Desta maneira o sistema é realimentado, garantindo que os caracteres e imagens
mostrados pelo display, possuam a mesma forma, independente da variação de
velocidade do disco.
Para determinar a freqüência de operação do sistema, o circuito da placa 2
utiliza um clock externo de 20MHz, adquirido pela montagem de um cristal com essa
freqüência conectado entre os pinos 15 e 16 do PIC.
A Figura 16 mostra a foto da placa 2 com os elementos eletrônicos montados
e fixação através de grampos parafusados no disco.
36
Figura 16 - Placa 2, Microcontrolador
Os últimos elementos inseridos nesta placa são os resistores dos LEDs do R8
ao R15, ver Figura 13, o cálculo do valor da resistência é apresentado no item
3.5.1.3 Coluna de LEDs.
3.5.1.3 Coluna de LEDs (Placa 3)
A coluna de LEDs e constituída de 8 LEDs de alto-brilho na cor azul. Esses
LEDs possuem maior intensidade luminosa que os LEDs de indicação, devido à
extração de um feixe luminoso maior. Assim é justificável seu uso nesse display.
Cada um dos LEDs possui um raio de trajetória diferente. A Figura 17 mostra
a posição da montagem e os valores desses raios para os seus respectivos LEDs.
37
Figura 17 - Raio de trajetória e posição dos LEDs na coluna
A informação sobre os raios dos LEDs é importante para os cálculos feitos
pelo microcontrolador, ele necessita saber esses valores para realizar o controle da
coluna, garantindo que os LEDs estejam ligados ou desligados no tempo e posição
certos.
O cálculo do resistor do LED é adquirido através da análise de tensão
fornecida pela saída em nível alto do microcontrolador, e a corrente do diodo
emissor de luz, na faixa onde é obtida a maior intensidade luminosa.
Como o microcontrolador em nível alto fornece 5v de tensão na saída da
porta, e segundo Datasheet a maior intensidade luminosa de um LED de alto-brilho
ocorre quando passa uma corrente de 20mA por ele, à resistência é calculada pela
Equação 9.
푟 =
5푉20푚퐴 = 250훺
...(9)
38
Como comercialmente não existe resistor com o valor de 250Ω, o valor mais
próximo escolhido foi de 270Ω, que permite uma corrente de aproximadamente
19mA fornecida para o LED e garante uma pequena faixa de variação sem que
ocorra danos ao componente.
A Figura 18 mostra a foto da placa 3 com os LEDs. Após essa placa é
inserida no disco, completando o sistema eletrônico.
Figura 18 - Placa 3, Coluna de LEDs
3.5.1.4 Consideração sobre a alimentação
A alimentação do sistema é feita pela rede de 220V CA, essa tensão é
aplicada a uma chave geral que por sua vez habilita a passagem de energia para
alimentação da fonte transformadora. Essa fonte converte a tensão de 220V CA
para 12V CC.
A chave geral permite energização de uma segunda chave que liga ou desliga
o motor. Isso é necessário devido à necessidade de realizar a programação do PIC,
caso em que o disco deve permanecer parado, mas com as placas energizadas.
É necessário fazer a transferência de energia da parte fixa para a parte móvel
do sistema. Assim uma linha de 12V CC proveniente da fonte transformadora, passa
através de escovas de grafite fixadas em um suporte preso ao motor, para duas
trilhas de latão montadas no disco. Assim permitindo o contato físico e realizando a
alimentação do circuito eletrônico, ver Figura 19.
39
Figura 19 - Transferência de energia da parte fixa para a móvel
As trilhas de latão, uma positiva e a outra negativa, estão ligadas
primeiramente na placa 1. Essa placa possui um regulador de tensão 7805, o qual
regula a tensão de 12V para 5V, dessa maneira o circuito possui duas linhas de
tensões uma de 12V e a outra de 5V, que servem para a alimentação dos
componentes desta e das placas subseqüentes.
O diagrama de blocos representado pela Figura 20, mostra como é feita a
distribuição de energia.
40
Figura 20 - Diagrama de distribuição de energia
Com a montagem de todas as placas e a fixação delas no disco, conclui-se o
hardware. O próximo item tem como objetivo explicar com funciona o firmware do
projeto do display rotativo de LEDs.
3.5.2 O Firmware
O firmware carrega o conjunto de instruções operacionais que determina o
funcionamento do sistema. Essas instruções são programadas no hardware, mais
especificamente no microcontrolador.
Para chegar ao controle da coluna de LEDs alguns cálculos serão realizados
automaticamente, prevendo que o sistema possui uma variação na velocidade. Para
corrigir essa variação, uma variável chamada período será responsável por
armazenar o valor que será continuamente corrigido a cada volta do sistema ou a
cada estouro do Timer. Assim todos os cálculos terão como base essa variável.
Para escrever o programa, inicialmente, são incluídas no firmware todas as
bibliotecas onde ficam guardadas as funções necessárias para o seu funcionamento.
Em seguida é feito o tratamento das interrupções, o acesso as portas de entrada ∕
saída e as temporizações. É declarada também a freqüência de funcionamento do
PIC, essa freqüência é obtida por um cristal externo de 20MHz, montado na placa 2.
A habilitação para o uso do botão de reset, explicada no item 3.5.1.1, também é feita
41
nesse ponto do programa.
Além disto, todas as variáveis são declaradas e inicializadas com o objetivo
de que inicialmente elas possuam um valor ou um estado lógico conhecidos,
evitando assim um possível erro de informação. Essas variáveis terão suas funções
explicadas nos itens subseqüentes:
a) Função de Interrupção timer 2:
O PIC 16F628A possui módulos de temporização interno, o temporizador
utilizado para realizar a contagem de tempo é o Timer 2, ele é um temporizador de
8bits, o que permite uma contagem que vai de 0 a 255. Ele está calibrado para fazer
um estouro a cada 13ms, então quando o temporizador chega a 255, passou um
tempo real de 13ms.
Esse tempo só alcança o valor de 255, caso o sistema demore mais que
13ms para dar uma volta completa. Caso o tempo de uma volta for mais rápido que
13ms, o valor é guardado em uma variável e o timer é zerado, iniciando a contagem.
b) Função interrupção externa:
O PIC 16F628A, possui uma porta de interrupção externa que é o pino 6,
relatado no item 3.5.1.2. Assim, a cada volta completada em que o sensor
magnético passa pelo imã, o seu contato é fechado ocorrendo um pulso elétrico de
5V, capturado por esta porta.
Com base no tempo de contagem do Timer 2 e tempo que o sensor
magnético demora em uma volta, adquiri-se uma relação que determinará na
variável período.
c) Função Período:
Todos os cálculos das variáveis terão relação direta com a variável período,
pois sua função é armazenar continuamente o tempo gasto em uma volta completa
do disco.
O período é obtido de duas formas, a primeira é pelo estouro do Timer 2. O
programa entende que o disco está demorando mais que 13ms para dar uma volta
completa e assume esse valor como sendo o tempo de uma volta, armazenando na
variável período.
42
A segunda forma de armazenar valor na variável período e pelo tempo em
que o sensor magnético leva para dar uma volta completa, passando pelo imã,
assim o tempo desta volta é obtido pelo resultado da equação 10.
푝푒푟푖표푑표 =
13푚푠 ∗ 푡푒푚푝표 푑푎 푣표푙푡푎 푑표 푠푒푛푠표푟255
...(10)
Esse valor é armazenado e o Timer 2 é zerado iniciando a contagem.
Assim com essa variável sempre atualizada, consegue-se obter alem do
período, uma posição fixa em relação ao imã do sensor magnético.
d) Função Freqüência
A variável freqüência é resultado do inverso do período, obtida pela Equação
11.
푓푟푒푞푢푒푛푐푖푎 =1
푝푒푟푖표푑표 ...(11)
Essa variável determina a freqüência de operação do sistema, ela também e
atualizada continuamente, pois depende diretamente da variável período e é
necessária para o cálculo da variável da velocidade angular.
e) Função Velocidade Angular
Com o cálculo da velocidade angular, é possível determinar a velocidade em
radianos∕segundos. Assim com base nos estudos teóricos do Capitulo 2 o resultado
da Equação 12, terá como resultado a variável ω.
휔 = 2 ∗ 휋 ∗ 푓푟푒푞푢푒푛푐푖푎 ...(12)
Todos os pontos do disco têm a mesma velocidade angular, mas o
deslocamento de cada um dos LEDs é diferente, desta forma é necessário
determinar a velocidade linear de cada um.
f) Função Velocidade Linear
43
A variável de velocidade linear e diferente para cada um dos 8 LEDs da
coluna, pois o deslocamento também e diferente, quanto mais perto do eixo o
deslocamento é menor.
Para determinar a velocidade linear de um ponto no disco, é necessário saber
a velocidade angular do sistema e o raio do ponto. Como cada LED possui um raio
determinado mostrado na Figura 17 e a velocidade angular já foi detalhada na
Equação 12, a Equação 13, traz como resultado está velocidade.
푣푒푙표푐푖푑푎푑푒 푙푖푛푒푎푟 퐿퐸퐷_푋 = 푅푎푖표 퐿퐸퐷_푋 ∗ 휔 ...(13)
Como o controle da coluna de LEDs é feita individualmente para cada LED,
os valores de velocidade linear auxilia na determinação do tempo em que cada um
dos LED fica ligado em um setor determinado.
g) Função LED Ligado
Essa função tem o objetivo de determinar o setor de um caractere com todos
os LEDs ligados. Visando determinar o tempo em que cada LED permanece ligado.
A Figura 21 demonstra esse setor no disco.
Figura 21 - Setor de um caractere
Para determinar esse setor é necessário adquirir os arcos de cada um dos
LEDs, com a medida de 23mm, esses valores estão demonstrados na Tabela 2.
44
Tabela 2-Valor do arco para medida de um caractere
Coluna de LEDs Valor do Arco em mm
LED_0 23,70
LED_1 23,46
LED_2 23,33
LED_3 23,25
LED_4 23,19
LED_5 23,15
LED_6 23,13
LED_7 23,10
Desta forma o tempo em que cada LED permanece ligado é obtido pela
divisão do arco pela velocidade linear do LED correspondente, resultado da
Equação 14.
푡푒푚푝표 퐿퐸퐷_푋 푙푖푔푎푑표 =푎푟푐표 퐿퐸퐷_푋
푣푒푙표푐푖푑푎푑푒 푙푖푛푒푎푟 퐿퐸퐷_푋 ...(14)
Tendo posse desse resultado, ainda não é possível ligar os LEDs, da forma
que aparece na Figura 21, pois existe um tempo de defasagem que deve se
observado para cada LED em relação ao tempo que o LED_0 liga.
h) Defasagem do Tempo do LED Ligado
Essa função tem a finalidade de determinar o tempo de espera em que os
LEDs em relação ao LED_0 devem esperar para ligar. Assim é possível fazer com
que os caracteres sejam mostrados no display na forma reta, caso não observado
essa defasagem os caracteres ficariam deformados.
A Figura 22 mostra duas linhas que demonstram um intervalo que deve ser
observado para ligar e desligar os LEDs.
45
Figura 22 - Defasagem dos LEDs
O cálculo para determinar o tempo de defasagem de cada LED em relação ao
LED_0, é desenvolvido pela diferença entre o tempo do LED_X ligado pelo tempo do
LED_0, e dividido por 2. Resultado da Equação 15.
푑푒푓푎푠푎푔푒푚 퐿퐸퐷_푋 =
(푡푒푚푝표 퐿퐸퐷_푋 푙푖푔푎푑표 − 푡푒푚푝표 퐿퐸퐷_0 푙푖푔푎푑표)2
...(15)
Com os valores de defasagem e os valores do tempo do LED ligado, um setor
determinado com largura de 23mm pode se visto na tela do display.
i) Posição dos Setores
O display rotativo será programado para escrever os três caracteres da
abreviação da Universidade de Caxias do Sul U C S. Assim serão utilizados três
setores, um para cada letra.
Tomando por referência o caractere do centro representado pela letra “C”, os
demais serão definidos por adiantar, letra “U” e por atrasar letra “S”, o tempo de ligar
o caractere central.
Esse tempo é automaticamente definido por uma relação com a variável
período. Por fim, falta somente o controle dos LEDs.
46
j) Controle da Coluna de LEDs
Com os setores definidos as letras programadas serão exibidas no display,
seguindo o esquema da Figura 23, onde os pontos representam onde os LEDs
deverão estar ligados.
Figura 23 - Layout do Display
O controle da coluna de LEDs é realimentado, garantindo que a imagem dos
caracteres sempre possua a mesma forma e posição dentro do leiaute do display.
Isso porque o sistema possui a variável período sempre atualizada.
Todo o sistema está desenvolvido para ser montado em uma estrutura que
faz parte do mecanismo.
3.5.3 O Mecanismo
O display rotativo, para suportar seus elementos, foi construído com uma
estrutura de madeira, com dimensão de 260mm de altura, 260mm de comprimento e
47
90mm de largura. Nela ficam instalada a fonte de tensão de 12V, as chaves que
acionam o display, o suporte do motor e o imã que ativa o sensor magnético preso
ao disco. A Figura 24 mostra a foto da estrutura com os elementos internos
montados.
Figura 24 - Estrutura do display com os elementos internos montados
O motor utilizado para desenvolver o giro do disco é de 220V, com potência
de 2W. Nele fica montado o suporte das escovas e as escovas, que realizam a
transferência de energia para o disco.
Por fim, completando o display rotativo, o disco tem a função de suporte do
hardware, nele a coluna de LEDs é fixada permitindo que externamente somente
parte dos LEDs fique visível, realizando assim a imagem virtual do display. A Figura
25 mostra a foto do disco montado na estrutura.
48
Figura 25 - Display Rotativo de LEDs
3.6 VALIDAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
No desenvolvimento do projeto, algumas dificuldades foram observadas. O
primeiro disco foi feito em Nylon usinado, que não se comportou de maneira
satisfatória, pois ao colar as trilhas no disco, o mesmo empenou impossibilitando seu
uso, e teve que ser substituído por um de madeira.
Ao realizar o primeiro teste com as escovas montadas no sistema, o motor
utilizado, não conseguiu arrancar devido ao atrito das escovas contra as trilas de
latão. Então, este foi substituído por outro de maior potência, mas ao retornar ao
teste, devido à alta velocidade e a força centrípeta que esse motor ofereceu, os
49
componentes do hardware foram lançados para fora do disco. Isso destruiu todas as
placas, o que causou um atraso no desenvolvimento do projeto, pois todo o sistema
teve que ser feito novamente. E o último motor também teve que ser substituído.
Devido à diferença de peso das placas, o sistema teve que ser balanceado,
pois apresentava vibrações ao permanecer ligado.
Ao programar o microcotrolador para acender um LED seguidas vezes no
mesmo lugar, o dispositivo apresentou enorme dificuldade, pois a velocidade do
sistema possui variações e que não eram percebidas pelo firmware, desta forma
para prever as variações de velocidade e a posição da coluna de LEDs, foi
acrescentado no projeto um sensor magnético com a função de resolver esse
problema.
Com os valores de velocidade e de posição, o sistema foi programado para
escrever um caractere no display. O caractere escrito ficou com forma triangular,
porque com a mesma velocidade os LEDs da coluna percorrem distâncias
diferentes. A solução deste problema ocorreu no desenvolvimento do programa do
microcontrolador, uma variável foi acrescentada para automaticamente corrigir essa
diferença de distância.
A interrupção externa, feita pelo sensor magnético, funciona perfeitamente
indicando velocidade e posição o microcontrolador. A atualização das variáveis
também teve comportamento satisfatório, pois com a variação da velocidade os
caracteres permanecem com a mesma posição e a mesma forma no display.
Assim, o dispositivo alcançou os objetivos do trabalho, pois a visualização dos
caracteres no display foi clara dando a nítida impressão que o display está parado e
os caracteres sempre ligados, indicando que a freqüência de amostragem é
suficiente.
50
CONCLUSÃO
O Display Rotativo de LEDs foi capaz de exibir com sucesso, mesmo com a
variação da velocidade do sistema, os caracteres U C S, iniciais da instituição de
ensino da Universidade de Caxias do Sul. Desta forma o dispositivo atendeu os
objetivos inicias propostos para o desenvolvimento do trabalho.
Algumas dificuldades ao decorrer do desenvolvimento do projeto foram
aparecendo de forma imprevista, mas não foi um impedimento para perseguir o
trabalho, tornou-se, portanto, um incentivo a pesquisas e estudos mais detalhados,
que no fim surtiram efeito de superação.
A automação de um dispositivo como esse display, agrega conhecimento
técnico das matérias envolvidas para atender os objetivos, mas o que merece
destaque é o conhecimento aprofundado de outras áreas como da psicologia
humana trazendo um maior aproveitamento do estudo e conhecimento de matérias
antes nunca vistas.
Ao concluir o protótipo, verifica-se a necessidade de desenvolver um firmware
dedicado, que auxilie na montagem dos textos e imagens para ser expressos no
display. Fica também como sugestão para trabalhos futuros a utilização de LEDS
RGB, para tornar o display mais interativo.
51
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
ARNHEIM, Rudolf, Tradução de Ivonne Terezinha de Faria, Arte e percepção visual: uma psicologia da visão criadora - nova versão. São Paulo: Pioneira Thomson, 2002.
BISCUOLA, Gualter José; MAIALI, André Cury Física Volume Único: mecânica, termologia, ondulatória, óptica e eletricidade – 2ª Edição. São Paulo: Saraiva, 1997. CERVI, Murilo. Rede de iluminação semicondutora para aplicação automotiva. 2005. 106f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Área de concentração em processamento de energia, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria. 2005.
CUGNASCA, Carlos Eduardo; ZERBINI, Ricardo Costa. Experiência 3: Familiarização com periféricos de entrada e saída: Interface com display. Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, Universidade de São Paulo, 2009.
GEEKOLOGIE, Disponível em: <http://www.geekologie.com/2007/04/chronotronix_v 400_nixie_clock .php>, Acesso em out de 2009.
HEWLETT PACKARD, Disponível em <http://www.datasheetcatalog.org/datasheets2 /16/164114_1.pdf> Acesso em out de 2009.
MILBRASTZ, Marlise Frotscher. Protótipo para a análise da percepção do movimento aparente em computação gráfica. 2000. 36f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Ciências da Computação) – Universidade Regional de Blumenau, Blumenau, 2000.
OLIVEIRA, Alessandro André Mainarde. Sistema de iluminação distribuída utilizando LEDs acionados por dois conversores Flyback integrados. 2007. 136f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Área de concentração em processamento de energia, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria. 2007. PENNA, Antonio Gomes, Percepção e realidade: introdução ao estudo da atividade perceptiva. Rio de Janeiro: Imago, 1993. SIMÕES, Edda A. Quirino; TIEDEMANN, Klaus B. Psicologia da percepção: temas básicos de psicologia. São Paulo: EPU, 1985. SOLDAFRIA. Disponível em: <http://www.soldafria.com.br/index.php?manufacturer s_id=99>. Acesso em out. 2009.
52
STARBRITE. Disponível em:<www.starbriteled.com/mono.htm> Acessado em nov de 2009.
53
ANEXO I
MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME (MCU)
Em Biscuola (1997), um corpo está em MCU, se sua trajetória for descrita por
um círculo com um eixo de rotação a uma distância R, e sua velocidade for
constante, ou seja, a mesma em todos os pontos do percurso.
O movimento circular pode ser estudado pela medição de comprimentos de
arcos e circunferências ou por medição de ângulos, respectivamente denominados
de linear e angular. Um exemplo de MCU são as pás de um ventilador em
funcionamento normal (BISCUOLA 1997).
Uma partícula em MCU, representada pela Figura A, passa pelo instante t1,
percorre um arco de comprimento ΔS, varre um ângulo Δφ e chega ao instante t2.
Figura A - Partícula em MCU (BISCUOLA 1997)
Assim a velocidade linear 푣 (unidade no SI: m/s) é definida pela Equação 1.
푣 =훥푆훥푡
...(1)
E a velocidade angular ω (unidade no SI: rad/s), é dada pela Equação 2.
54
휔 =훥휑훥푡 ...(2)
Relacionando a Equação 1 com a Equação 2, obtem-se a Equação 3.
푣 = 휔. 푟 (3)
Devido o movimento giratório ser uma seqüência de ciclos, ocorre uma
relação com o período da circunferência e a freqüência de giro.
Período e Freqüência
O período (T) é o intervalo de tempo que uma partícula leva para dar uma
volta completa em torno de um eixo (unidade no SI: s).
A freqüência é o número de voltas que uma partícula faz por uma unidade de
tempo (unidade no SI: Hz).
Relacionando período com freqüência, obtem-se a equação 4.
푓 =1푇 ...(4)
Sendo assim a freqüência é o inverso do período.
A velocidade em que ocorre o ciclo giratório tem relação direta com o período
e a freqüência.
Relação entre Velocidade Angular, Período e Freqüência
Considerando que Δt=T, segue que Δφ=2π rad, então a relação é dada pela
Equação 5.
55
ω= = 2휋푓 (5)
Cada LED colocado no disco em forma de coluna representa um ponto
específico dentro da estrutura, sendo que todo esse conjunto representado pelo
disco estará em rotação uniforme.
Disco em Rotação Uniforme
Em um disco conforme o da Figura B, que está em MCU todos os pontos tem
a mesma velocidade escalar angular e conseqüentemente sofrem o mesmo
deslocamento escalar angular Δφ. Já o arco percorrido pelo ponto 1 é maior que o
arco percorrido pelo ponto 2, conseqüentemente ΔS1 é maior que ΔS2 (BISCUOLA
1997).
Figura B-Disco em rotação uniforme (BISCUOLA 1997)
Ao verificar os dois casos, conclui-se uma igualdade entre ω1 e ω2, que está
relacionada com as Equações (6), (7) e (8) (BISCUOLA 1997).
푇1 = 푇2 ...(6)
푓1 = 푓2 ...(7)
56
푣1푟1 =
푣2푟2 ...(8)
Onde r1 e r2 são os raios das circunferências percorridos pelos pontos 1 e 2.