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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GARÇA – FATEC
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JOAQUIM LEONARDO PEREIRA DA SILVA
RODRIGO BONFANTE
SISTEMA DE ORIENTAÇÃO POR ULTRASSOM
GARÇA 2013
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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GARÇA – FATEC
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JOAQUIM LEONARDO PEREIRA DA SILVA
RODRIGO BONFANTE
SISTEMA DE ORIENTAÇÃO POR ULTRASSOM
Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça - FATEC, como pré-requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores:
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Prof. (a) Adalberto Sanches Munaro
FATEC Garça
_____________________________________
Prof. (a) Ulysses
FATEC Garça
____________________________________
Prof. (a) Ferraz
FATEC Garça
Data da Aprovação: 03/12/2013
GARÇA
2013
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“A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original”.
Albert Einstein
SISTEMA DE ORIENTAÇÃO POR ULTRASSOM
Joaquim Leonardo Pereira da Silva
Rodrigo Bonfante
Adalberto Sanches Munaro
Resumo - O objetivo deste trabalho é desenvolver um protótipo autômato utilizando as ferramentas da mecatrônica, mediante a utilização de sensores de ultrassom que enviam os dados ao sistema de controle, o autômato poderá identificar e desviar de obstáculos em uma trajetória qualquer. Esse trabalho é relevante, pois possibilitara aplicações em tecnologia assistiva, que facilita a vida de pessoas com algum tipo de deficiência visual. O protótipo usa um chassis de um carro em miniatura, 2 sensores de ultrassom, um sensor PIR e um modulo de voz ligados ao microcontrolador, utilizando de técnicas de programação o sistema faz toda a lógica de identificar, calcular a distancia, e avisar com sinal sonoro que há um objeto a frente e que desviara do mesmo.
Palavras chaves: Autômato, Tecnologia Assistiva, Deficiência Visual.
Abstract - The objective of this work is to develop a prototype robot using the tools of mechatronics, through the use of ultrasonic sensors that send data to the control system, the robot can identify and avoid obstacles on a trajectory whatsoever. This work is relevant because it had made it possible applications in assistive technology that makes life easier for people with some type of visual impairment. The prototype uses a chassis of a car in miniature, 2 ultrasound sensors, a PIR detector and voice module connected to the microcontroller, using programming techniques the system does all the logic to identify, calculate the distance and notify signal sound that is an object forward and diverted the same. Keywords: robot, Assistive Technology, Visual Disability.
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1 INTRODUÇÃO
Com o avanço da tecnologia e sua possível aplicação em várias áreas, como
na Medicina, torna-se natural tentar aplicá-la no auxílio a pessoas com algum tipo de
deficiência. Através deste, procura - se uma solução ou uma alternativa para
melhora na qualidade de vida de pessoas com deficiência visual utilizando
dispositivos eletrônicos.
Para isso serão utilizados sensores de ultrassom e microcontroladores, que
irão detectar objetos e avisar o usuário do dispositivo a presença de obstáculos e
desnível com o auxilio de um comando de voz (Tecnologia Assistiva).
Tecnologia Assistiva é um termo ainda novo, utilizado para identificar todo o arsenal
de Recursos e Serviços que contribuem para proporcionar ou ampliar habilidades
funcionais de pessoas com deficiência e consequentemente promover Vida
Independente e Inclusão.
É também definida como "uma ampla gama de equipamentos, serviços, estratégias
e práticas concebidas e aplicadas para minorar os problemas encontrados pelos
indivíduos com deficiências" (Cook e Hussey • Assistive Technologies: Principles
and Practices • Mosby – Year Book, Inc., 1995).
Deficiência Visual ou Cegueira
A Organização Mundial de Saúde (OMS) define como Cegueira Legal a
acuidade visual, no olho de melhor visão, sendo este igual ou menor que 6/60, ou
correspondente à perda de campo visual, sendo este restrito a 20 graus de
amplitude, com a melhor correção óptica, ou seja, o que uma pessoa com visão
normal consegue ler ao se colocar a uma distância 60 metros, uma pessoa com
baixa visão só poderá ler a seis metros de distância (OHW, 2003).
Acuidade visual é a capacidade de transformar estímulos luminosos, que são
refletidos dos objetos que estão à nossa volta em imagens, permitindo sua
identificação e localização (SBO, 2009).
No Brasil, de acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, em 2000,
existiam 148 mil pessoas cegas e 2,4 milhões com grande dificuldade de enxergar
(IBGE, 2004).
Estima-se que existam entre 40 e 45 milhões de cegos em todo o mundo e
135 milhões de pessoas com baixa visão. No entanto, em 80% dos casos, a perda
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visual pode ser prevenida ou mesmo curada, de acordo com a Organização Mundial
da Saúde (OMS) e a Agência Internacional para a Prevenção da Cegueira. Estima-
se que 90% dos casos de cegueira ocorrem nos países em desenvolvimento.
As principais causas de cegueira evitável são catarata, tracoma,
oncocerquiase, certos transtornos que atingem as crianças, incluindo a deficiência
de vitamina A e retinopatia, doença degenerativa não inflamatória da retina e da falta
de óculos (OHW, 2003).
Desenvolver um protótipo que utiliza sensores de ultrassom,
microcontrolador e mecanismos que consiga através de um dispositivo de voz, dizer
(falar) a presença de objetos a sua frente e desviar dos mesmos automaticamente.
Não é intenção dos autores deste, desenvolver um produto para o consumidor final,
mas deixaremos em aberto à possibilidade de fazê-lo futuramente.
Utilizar a tecnologia assistiva para melhora das condições transitórias dos
deficientes visuais, buscando uma melhor qualidade de vida, não descartando que
para tanto é necessário à eliminação do preconceito, o qual é a maior dificuldade
enfrentada não apenas para deficientes visuais como todos deficientes em geral.
O desenvolvimento deste refere – se às dificuldades encontradas pelos
deficientes visuais em sua locomoção principalmente em localidades desconhecidas,
isso por meio das tecnologias existentes, tendo essa, a terminologia de Tecnologia
Assistiva, já existem produtos relacionados com o mesmo intuito, porém o projeto
apresentado não tem interesse financeiro e sim uma forma de apoio funcional para
deficientes visuais.
O protótipo confeccionado não está exatamente no molde imaginado para o
apoio ao deficiente visual, o que seria uma espécie de bengala eletrônica com aviso
sonoro (fala). O autômato apresentado é um tipo de carro em miniatura, no qual se
usa transmissão de movimento por motores elétricos e reduções por engrenagens,
sensores, atuadores e microcontrolador para que o trabalho seja mais completo
tendo sua funcionalidade eletrônica, computacional e também mecânica.
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2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para a confecção deste projeto, foi optado pela utilização de pesquisa
exploratória, método que é usado para realizar um estudo preliminar do principal
objetivo da pesquisa com a finalidade de familiarizar-se com o tema que está sendo
pesquisado, de modo que a pesquisa subsequente possa ser concebida com maior
compreensão e precisão.
3 FUNCIONAMENTO DO PROTÓTIPO
O protótipo, um robocar em miniatura autômato, identificará e desviará de
obstáculos em uma trajetória qualquer a uma distância programada, detectando um
objeto ele para a tração, avisa com um sinal sonoro “de voz” que tem um objeto a
frente, desvia e continua a trajetória.
Figura 1 Protótipo Robocar
Fonte: Os Autores
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4 SENSORES DE ULTRASSOM E SEU FUNCIONAMENTO
Atualmente existem vários tipos de Sensores de Ultrassom no mercado,
desde os mais simples analógicos até os mais precisos digitais, são inúmeros
modelos e aplicações, vamos utilizar para esse experimento o modelo HC-SR04.
Figura 2 Sensor de Ultrassom HC-SR04
Fonte: Seriallink.com.br
4.1 Principio de funcionamento do Sensor de Ultrassom HC-SR04
O sensor de ultrassom HC-SR04 trabalha com pulsos de Ultrassom na faixa de
40khz, inaudível para o ouvido humano, que só consegue captar som com
frequências de 20Hz a 20KHz.
Emitindo 8 pulsos de 40KHz e fazendo uma média aritmética entre eles, é
possível determinar com precisão de mais ou menos 3mm a distancia entre um
objeto a frente e o sensor. Para isso é necessário um algoritmo que faça a
conversão como veremos a seguir;
O som se propaga a 340m/s
Ou seja, a 34.000cm/s, considerando ida e volta, então tem-se que
17.000cm/s pra ida e volta ou 17cm/ms também podemos dizer 1cm em 0,058ms ou
1cm em 58us.
Podemos afirmar então que o tempo de resposta do som emitido dividido por 58 é
igual a distancia em centímetros do objeto que se encontra a frente do sensor.
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Características do sensor
Alimentação = 5V
Resolução = 3mm
Medição mínima = 2,5cm
Medição máxima = 4,3m
Sinal de disparo = TTL de 10us
Com isso podemos elaborar um algoritmo pra calcular a distância que um
objeto está na frente de nosso protótipo e fazer com que o mesmo desvie de sua
trajetória.
5 O MICROCONTROLADOR
5.1 História
No ano de 1969 uma equipe de engenheiros japoneses da empresa
BUSICOM chega aos Estados Unidos com projeto de um circuito integrado para uso
em calculadoras. O Projeto foi entregue à INTEL e Marcian Hoff foi o responsável
pela sua concretização. Como ele tinha experiência de trabalho com um computador
(PC) PDP8, lembrou-se de apresentar uma solução substancialmente diferente em
vez da construção sugerida. Esta solução pressupunha que a função do circuito
integrado seria determinada por um programa nele armazenado. Isso significava que
a configuração deveria ser mais simples, mas também era preciso muito mais
memória do que no caso do projeto proposto pelos engenheiros japoneses. Depois
de algum tempo, embora os engenheiros japoneses tenham tentado encontrar uma
solução mais fácil, a ideia de Marcian venceu e o primeiro microprocessador nasceu.
Em 1971 a Intel lança no mercado o 4004. Este foi o primeiro
microprocessador de 4 bits e tinha a velocidade de 6 000 operações por segundo.
Em 1972 a Intel lança o 8008 de 8bits. Este podia endereçar 16KB de
memória, possuía 45 instruções e tinha a velocidade de 300 000 operações por
segundo. Esse microprocessador foi o pioneiro de todos os microprocessadores
atuais. Pouco tempo depois o 8008 foi melhorado e surgiu o 8080.
Em 1976, a Zilog anuncia o Z80 de 8bits que podia endereçar 64KB de
memória e era compatível com os programas do 8080. Foi o microprocessador mais
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poderoso dá época e chegou a marca de milhões de unidades vendidas. (livro: The
PIC microcontroller Nebojsa Matic)
Alguns anos mais tarde surgiram os primeiros microcontroladores, esses
divergem dos microprocessadores na quantidade de memória, velocidade de
processamento e uso de periféricos internos, como os conversores AD,
comparadores, PWM etc.
Até hoje os microprocessadores e microcontroladores têm evoluído bastante.
Hoje existe uma infinidade de microcontroladores no mercado com diversas
configurações de periféricos e plataformas de programação, algumas são inviáveis
para a aplicação educacional pelo alto custo e direitos de Software, chegando fácil
aos 1000 dólares. Mas recentemente têm surgido opções mais atraentes para
estudantes, como a plataforma de desenvolvimento Arduíno e o Haspberry PI.
O projeto Arduino teve início na cidade de Ivrea, Itália, em 2005. Os
fundadores do projeto, Massimo Banzi e David Cuartielles denominaram Arduino em
homenagem a Arduin de Ivrea um antepassado histórico da cidade de Ivrea.
Arduino é um kit de desenvolvimento open-source baseado em uma placa de circuito
impresso dotada de vários recursos de interfaceamento (pinagem de entrada e
saída) e um microcontrolador Atmel AVR. É um projeto descendente da plataforma
Wiring que foi concebida com o objetivo de tornar o uso de circuitos eletrônicos mais
acessível em projetos multidisciplinares. A linguagem Wiring foi criada por Hernando
Barragán em sua dissertação de mestrado no Instituto de Projetos Interativos de
Ivrea sob a supervisão de Massimo Banzi e Casey Reas.
Com o sucesso da plataforma e sua fácil didática, hoje o Arduino está dominando o
mercado da área de kit´s didáticos ultrapassando fácil marcas comerciais famosas.
O Raspberry Pi é um computador desenvolvido no Reino Unido pela
Fundação Raspberry Pi. Todo o hardware é integrado em uma única placa (85,60
mm × 53,98 mm). O objetivo principal é de estimular o ensino de ciência da
computação básica em escolas. A Fundação Raspberry Pi começou a aceitar
pedidos do modelo de US$35 a partir de 29 de fevereiro de 2012.
O computador é baseado em um system on a chip (SoC) Broadcom BCM2835, que
inclui um processador ARM1176JZF-S de 700 MHz, GPU VideoCore IV, e 512 MB
de memória RAM, Com saida de video HDMI e RCA composto. O projeto não inclui
uma memória não-volátil, como um disco rígido, mas possui uma entrada de cartão
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SD para armazenamento de dados. Atualmente está sendo muito usado por
desenvolvedores Linux. ( http://www.raspberrypi.org/)
5.2 Microcontrolador escolhido para o protótipo.
Figura 3 Microcontrolador ATMEGA328P-PU
Fonte: Datasheet www.atmel.com
Foi escolhido para o desenvolvimento do protótipo o microcontrolador
ATMEGA328P-PU da Atmel, por ser de fácil aquisição, baixo custo além de atender
com sobra os requisitos para o projeto.
5.3 Principais Características do ATMEGA328P-PU
Frequência de trabalho = 16MHz
Portas de entrada e saída = 20
Encapsulamento = DIP-28
Alimentação = 5V
Entradas Analógicas = 6
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5.4 A linguagem escolhida para programação é a linguagem C por ser de fácil
aprendizagem e é a mais usada atualmente. Utilizaremos a Plataforma de
desenvolvimento IDE 1.5.2 e o Arduino UNO rev.03.
Figura 4 Arduino Uno rev0.3
Fonte: Arduino.cc.com
6 Sensor PIR
É um sensor de movimento que funciona com tensão de 5VDC a 12VDC.
A indicação de alarme se da por um pino em coletor aberto, o qual precisa de um
resistor pull up. A configuração dreno aberto permite que múltiplos sensores sejam
conectados a um único pino de entrada. Se qualquer um dos sensores forem
desconectados de maneira incorreta, o pino de entrada será desligado e o poderá
ser detectado pelo programa ou sistema de alarme.
Principais características:
Alimentação = 5V
Delay Time = 5 a 200s (Ajustável)
Ângulo = <100°
Block Time = 2,5s
Medidas aproximadas = 3,5 x 2,5cm
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Figura 5 SENSOR PIR HC-SR501
Fonte: Datasheet www.ElecFrecFreaks.com
7.0 SERVO MOTOR
7.1 Servo motor escolhido DM-S1500M.
Servomotor é uma máquina, mecânica ou eletromecânica, que apresenta
movimento proporcional a um comando, servomotores são dispositivos de malha
fechada, ou seja: recebem um sinal de controle; verificam a posição atual; atuam no
sistema indo para a posição desejada. O eixo dos servo motores possui a liberdade
de 180º graus mas são precisos quanto a posição. Servos possuem três fios de
interface, dois para alimentação e um para o sinal de controle. O sinal de controle
utiliza o protocolo PPM (modulação por posição do pulso) que possui três
características básicas: largura mínima, largura máxima e taxa de
repetição(frequência).
A largura do pulso de controle determinará a posição do eixo:
- largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em + 90º da posição central;
- largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em -90º;
- demais larguras determinam a posição proporcionalmente. O pulso de controle
pode ser visto na ilustração sobre sinais de controle de servo motores.
A largura do pulso do sinal de controle varia de 1 a 2ms.
Principais Características:
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Alimentação = 4,5 a 6V
Torque = 15kgf.cm
Engrenagens = metálicas
Dimensões = 40,5 x 20,1 x 38,5
Figura 6 - Servo Motor DM-S1500M
Fonte: http://www.robotshop.com
8 CONTROLE DOS MOTORES DE TRAÇÃO
8.1 Ponte H
Figura 7 - L298N 2 X Ponte H
Fonte: www.st.com/catalog/ln298n
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8.2 Lógica de controle dos motores de tração
Com o Circuito integrado L298N é possível controlar o estado dos motores de
tração DC, usando comandos digitais nas entradas EnA e EnB é possível controlar o
sentido de rotação dos quatro motores do protótipo, que estão ligados 2 em paralelo
do lado direito e dois em paralelo do lado esquerdo.
9 TRANSMISSÃO POR ENGRENAGENS
9.1 Engrenagem
As engrenagens podem ser de forma cilíndrica, cônica ou reta, dotadas de
dentadura externa ou interna, sua finalidade é transmitir movimento sem
deslizamento e potência, multiplicando os esforços com a finalidade de gerar
trabalho.
9.2 Redutor de velocidade
A transmissão será redutora de velocidade quando o pinhão acionar a coroa,
consequentemente aumentando o torque no trem de força.
9.3 Ampliador de velocidade
A transmissão será ampliadora de velocidade quando a coroa acionar o
pinhão, consequentemente reduzindo o torque no trem de força.
9.4 Rotação do Pinhão e Coroa
Se as engrenagens estiverem em contado direto as rotações entre pinhão
(engrenagem menor) e coroa (engrenagem menor) serão inversas (figura 8), o que
não acontece se as mesmas forem ligadas por correias ou correntes.
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Figura 8 Características Geométricas das Engrenagens Cilíndricas de Dentes Retos.
Fonte: Melconian (2008).
9.5 Cálculos da Transmissão do Protótipo
Rotação do motor: n=1500 rpm
Potência do motor: P=0,15cv (112W)
N° de dentes das engrenagens: Z1=17, Z2=85, Z3=27 e Z4=135.
Rendimentos:
ne= 0,98 par de engrenagens;
nm= 0,99 par de mancais.
Potência útil nas árvores (Pu):
Pu1= 112W x 0,99 = 110,88W
Pu2= 110,88W x 0,99 x 0,98 = 107,57W
Pu3= 107,57W x 0,99 x 0,98 = 104,37W (potência útil no sistema)
Potência dissipada (Pd):
1º Estágio (motor/árvore)
Pd1= 112W – 110,88W = 1,12W
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2º Estágio (árvore I/árvore II)
Pd2= 110,88W – 107,57w = 3,31W
3º Estágio (árvore II/árvore III)
Pd3= 107,57W – 104,37W = 3,20W
Rotações das árvores:
n1= 1500 RPM (rotação de entrada)
n2= n1xZ1/Z2 = 1500x17/85 = 300 RPM
n3= n2xZ3/Z4 = 300x27/135 = 60 RPM (rotação de saída)
Rendimento da transmissão:
n= 104,37W/112W = 0,93
Perda no sistema (Pd):
Pd= 112W – 104,37W = 7,63W
Torque nas árvores (MT):
MT1= 30 x 110,88W/ π x 1500rpm = 0,706Nm
MT2= 30 x 107,57W/ π x 300 = 3,424Nm
MT3= 30 x 104,37W/ π x 60 = 16,611Nm
Obs.: Os cálculos realizados são apenas utilizados como modelo e não é o
cálculo real do sistema de transmissão usado no protótipo.
10 CUSTO DO PROTÓTIPO
Tabela 1: Custos da confecção do protótipo.
DESCRIÇÃO QUANTIDADE PREÇO
TOTAL
Kit Smart Car - Carro Com 4 Motores
1
R$ 129
R$ 129
Arduino UNO rev03 1
R$ 69
R$ 69
HC-SR04 SENSOR DE ULTRASSOM
2
R$ 10
R$ 20
HC-SR501 SENSOR PIR 1
R$ 12
R$ 12
DM-S1500M Servo Motor 15kg/cm 1
R$ 65
R$ 65
Ponte Duplo H Módulo Drive L298n 1
R$ 26
R$ 26
Bateria Telefone Sem Fio 3,6v Universal C-t110 X 600 Mah
4
R$ 11
R$ 44
17
Pci Suporte pra Sensores com regulador de tensão
1
R$ 32
R$ 32
Pci Modulo de Voz + Componentes 1
R$ 73
R$ 73
Auto Falante 3W 8Homs 1
R$ 4
R$ 4
Chave Gangorra Liga/Desliga 1
R$ 1
R$ 1
Regulador de tensão LM7805 1
R$ 1
R$ 1
Regulador de tensão LM7808 1
R$ 1
R$ 1
R$ 475,00
Fonte: Os autores.
11 CONSIDERAÇÕES FINAIS
No desenvolvimento desta pesquisa concluiu-se que sensores de ultrassom
tem uma aplicação muito útil para desenvolver dispositivos que auxiliem pessoas
com deficiência visual grave. Esses sensores estão sendo muito usados na
mecatrônica, na automação de máquinas e processos. Podem ser empregados
como um sistema de direção para robôs industriais e ou robôs exploradores.
O protótipo atingiu os objetivos iniciais e abriu a possibilidade de criar outros
objetivos mais ousados para o futuro, várias aplicações apareceram no decorrer do
desenvolvimento do mesmo. Este foi só um estudo da viabilidade de se construir um
produto para auxiliar pessoas com deficiência, sem grandes esforços ou custo. O
presente documento será disponibilizado na íntegra para que possa ser produzido
algo neste sentido.
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REFERÊNCIAS
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 9050 - Acessibilidade a edificações, mobiliário, espaços e equipamentos urbanos. 2004. IBGE. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatísticas. Disponível em IBGE: www.ibge.gov.br, acesso em 5 de Janeiro de 2013. PRECISION MICRODRIVES. Disponível em http://www.precisionmicrodrives.-com/, acesso em 1 de maio de 2013. OHW. World Health Organization. Disponível em http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2003-/pr73/en/, acesso em 20 de fevereiro de 2013. FUNDAÇÃO DORINA NOWILL. Disponível em http://www.fundacaodorina.org.br/deficiencia-visual/, acesso em 14 de setembro de 2013. ASSISTIVA TECNOLOGIA E EDUCAÇÃO. Disponível em http://www.assistiva.com.br/tassistiva.html, acesso em 23 de setembro de 2013. MELCONIAN, Sarkis. Elementos de Máquinas. Editora Érica Ltda.2008. ARDUINO. Disponível em http:wwwarduino.cc.com, acesso em 05 de junho de 2013. MATIC, Nebojsa. PIC MICROCONTROLLERS. On line, free Encontrado em http://groups.csail.mit.edu/lbr/stack/pic/pic-microcontrollers.pdf DESPERTANDO NOVOS TALENTOS EM COMPUTAÇÃO NO MS ATIVIDADE ARDUINO. Disponível em http://www.preae.ufms.br* acesso em 13 de novembro de 2013. SENSORES ULTRASSONICOS Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/3484-mec081,acesso em 13 de agosto 2013.