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LUÍS FERNANDO PATSKO
MÉTODO DE MODULAÇÃO EM AMPLITUDE PARA ANEMÔMETROS ULTRASSÔNICOS
LONDRINA 2011
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
MÉTODO DE MODULAÇÃO EM AMPLITUDE PARA ANEMÔMETROS
ULTRASSÔNICOS
Trabalho de conclusão de curso submetido à Universidade Estadual de Londrina
como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
LUÍS FERNANDO PATSKO
Londrina, outubro de 2011.
LUÍS FERNANDO PATSKO
MÉTODO DE MODULAÇÃO EM AMPLITUDE PARA ANEMÔMETROS ULTRASSÔNICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina.
COMISSÃO EXAMINADORA
_______________________________ Maria Bernadete de Morais França
Orientadora Universidade Estadual de Londrina
_______________________________ José Alexandre de França
Universidade Estadual de Londrina
_______________________________ Newton da Silva
Universidade Estadual de Londrina
Londrina, outubro de 2011.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos aqueles que, direta ou indiretamente, contribuíram para a
realização deste trabalho e, mais do que isso, para a superação de mais uma etapa
de vida. Agradeço a todos que me possibilitaram o crescimento, seja ele pessoal,
intelectual ou espiritual ao longo de todo esse tempo.
Em especial, agradeço aos professores Maria Bernadete de Morais França e
José Alexandre de França, pela oportunidade que me foi dada, aos demais
professores, pelo conhecimento ministrado ao longo do curso, à minha família e aos
meus amigos, pelo apoio durante todo esse tempo, especialmente nos momentos
mais difíceis.
PATSKO, Luís Fernando. Método de modulação em amplitude para anemômetros ultrassônicos. 2011. 53 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2011.
RESUMO
Informações sobre o vento são importantes em várias áreas, a saber, na agronomia, na aviação, no projeto de estruturas de pontes e torres de transmissão, dentre outras. Existem vários métodos para se medir a velocidade e a direção dos ventos, desde métodos mecânicos clássicos, como os tubos de pitot, até os mais modernos e eletrônicos, como por ultrassom. Este último é objeto de estudos em alguns projetos do Laboratório de Instrumentação e Automação Inteligente (LA2I) do Departamento de Engenharia Elétrica da UEL. Anemômetros ultrassônicos baseiam-se nos métodos da diferença de tempo ou diferença de fase. Entretanto, tais métodos apresentam algumas deficiências. Este trabalho apresenta a proposta de um novo método de medição do tempo de trânsito, baseado na modulação em amplitude de um sinal ultrassônico, de modo a superar algumas das limitações dos métodos tradicionais. É realizada a descrição teórica do método, assim como o desenvolvimento dos circuitos necessários e a programação envolvida para o cálculo do tempo de trânsito. Resultados de testes do sistema desenvolvido são apresentados, comprovando a viabilidade do método. Palavras-chave: Anemômetro. Modulação em amplitude. Transdutores ultrassônicos.
PATSKO, Luís Fernando. Método de modulação em amplitude para anemômetros ultrassônicos. 2011. 53 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2011.
ABSTRACT
Informations about wind speed and direction are very important to many areas of knowledge, e.g: agronomy, aviation, development of bridges and HV power lines. There are a number of methods to measure wind speed like mechanical anemometers, Pitot tubes and, recently, ultrasonic anemometers. This one is being studied at Laboratório de Instrumentação e Automação Inteligente - LA2I (Instrumentation and Intelligend Automation Laboratory – LA2I) of Electrical Engineering Department of UEL (State University of Londrina). Ultrasonic anemometers are based on time difference or phase difference methods. However, both methods are known to have some deficiencies. The present work proposes a new measurement method, based on amplitude modulation, with the objective of overcoming some limitations of the traditional methods. The theretical basis is described, as well as the development of the hardware and firmware needed to calculate the time of flight. Results are presented, proving the amplitude modulation method’s viability. Key words: Anemometer. Amplitude modulation. Ultrasonic transducers.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Anemômetro de rotação Campbell 14
Figura 2.1 – Método da diferença de tempo 17
Figura 2.2 – Método da diferença de fase 18
Figura 2.3 – Método de modulação em amplitude 22
Figura 3.1 – Esquema geral do sistema para o do método de modulação em amplitude 24
Figura 3.2 – Diagrama simplificado de um amplificador controlado por tensão 25
Figura 3.3 – Diagrama simplificado de um modulador AM 26
Figura 3.4 – Circuito de transmissão elaborado com DAC0808 27
Figura 3.5 – Diagrama de blocos do circuito receptor 28
Figura 3.6 – Retificador ativo de precisão de meia-onda 30
Figura 3.7 – Circuito amostrador sample-and-hold 30
Figura 3.8 – Circuito conversor onda quadrada com diodo série 31
Figura 3.9 – Esquemático completo do circuito de recepção 32
Figura 3.10 – Sequência de pulsos com amplitude modulada por uma senoidal 34
Figura 3.11 – Fluxograma do programa do microcontrolador de recepção 37
Figura 3.12 – Diagrama de blocos do sistema 39
Figura 4.1 – Sinal presente na saída do circuito transmissor 40
Figura 4.2 – Sinal presente na saída do circuito transmissor e sinal de sincronismo 41
Figura 4.3 – Sinal presente na saída do primeiro estágio de ganho 43
Figura 4.4 – Sinal presente na saída do segundo estágio de amplificação 44
Figura 4.5 – Comparação entre o sinal do transmissor e o sinal recebido e amplificado,
exibindo a diferença de fase 45
Figura 4.6 – Saída do conversor onda quadrada 46
Figura 4.7 – Sinal na saída do retificador 47
Figura 4.8 – Sinal na saída do amostrador 47
Figura 4.9 – Relação entre o sinal na saída do amostrador e os pulsos de reset aplicados
pelo microcontrolador 48
Figura 4.10 – Comparação entre o sinal recebido e amplificado e o sinal presente na saída
do amostrador 49
Figura 4.11 – Comparação entre o sinal recebido e amplificado e o sinal onda quadrada 49
Figura 4.12 – Forma de onda reconstruída a partir dos dados do conversor AD e timer input
capture 51
Figura 4.13 – Tempo de trânsito entre os transdutores ultrassônicos 52
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Comandos do protocolo de comunicação serial 38
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AD – Analog-to-Digital
AM – Amplitude Modulation
CI – Circuito Integrado
DAC – Digital-to-Analog Converter
EEPROM – Electrially-Eraseable Programmable Read-Only Memory
I2C - Inter-Integrated Circuit
RAM - Read-Only Memory
USB - Universal Serial Bus
VCA – Voltage Controlled Amplifier
SUMÁRIO
1 – INTRODUÇÃO 13
1.1 – Anemômetro de rotação 13
1.2 – Anemômetro termoelétrico 14
1.3 – Anemômetro por tubo de Pitot 15
1.4 – Anemômetro ultrassônico 15
1.5 – Descrição dos capítulos 16
2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 17
2.1 – Método da diferença de tempo 17
2.2 – Método da diferença de fase 18
2.3 – Cálculo da velocidade a partir do tempo de trânsito 18
2.4 – Limitações dos métodos de diferença de fase e de tempo 19
2.5 – Proposta do método de modulação em amplitude 21
3 – DESENVOLVIMENTO PRÁTICO 24
3.1 – Visão geral 24
3.2 – Circuito de transmissão 25
3.2.1 – Amplificador controlado por tensão 25
3.2.2 – Modulador AM 26
3.2.3 – Síntese Digital 26
3.2.4 – Conversor DA 27
3.3 – Circuito de recepção 28
3.3.1 – Estágios de amplificação 28
3.3.2 – Retificação e amostragem 29
3.3.3 – Conversor onda quadrada 31
3.4 – Programação 32
3.4.1 – Programação do microcontrolador de transmissão 33
3.4.2 – Programação do microcontrolador de recepção 35
4 – RESULTADOS 40
4.1 – Desempenho do circuito de transmissão 40
4.2 – Desempenho do circuito de recepção 42
4.3 – Obtenção de dados 50
5 – CONCLUSÕES 53
6 – BIBLIOGRAFIA 54
13
1 – INTRODUÇÃO
No desenvolvimento das atividades agrícolas, os fatores climáticos são de extrema
importância para se determinar o planejamento do cultivo. Dessa forma, a obtenção de
dados relacionados a esses fatores pode ser prestar um grande auxílio ao agricultor.
Uma das variáveis mais importantes para a agricultura é a velocidade e direção do
vento. Ventos de grande intensidade podem influenciar e prejudicar o desenvolvimento de
plantações, causando rompimento de folhas e quebra de galhos. Além disso, o vento é um
fator determinante para a transmissão de doenças que afetam a lavoura, como a ferrugem
asiática.
Outro papel muito importante do vento é na dispersão de agrotóxicos, já que este
pode causar uma grande perda da eficiência da aplicação, assim como dispersá-los em
locais indesejados, como lavouras vizinhas ou áreas de proteção ambiental.
Além das atividades agrícolas, o conhecimento das características do vento é
também muito importante para se determinar a localização de torres de transmissão e
usinas eólicas.
O monitoramento da velocidade do vento é realizado através de um anemômetro. Os
principais tipos de anemômetros disponíveis no mercado são o anemômetro de rotação, o
termoelétrico, o tubo de Pitot e o ultrassônico. O princípio de funcionamento destes é
descrito a seguir.
1.1 – Anemômetro de rotação
O anemômetro de rotação é composto por pás que giram com uma velocidade
proporcional à velocidade média do vento incidente. A Figura 1 ilustra um anemômetro de
rotação da marca Campbell.
14
Figura 1.1 – Anemômetro de rotação Campbell.
Anemômetros de rotação possuem um baixo custo, mas estão sujeitos a uma série de
deficiências. Por ser composto por peças móveis, o atrito com o ar no seu deslocamento
faz com que haja imprecisão em sua medida.
Além disso, é necessário que o vento incidente tenha uma intensidade capaz de
superar a inércia do sistema, o que dificulta a medição de ventos de baixas velocidades.
O próprio fato de o sistema ser totalmente mecânico também é um problema por si
só, pois este pode ter seu funcionamento prejudicado por folhas, galhos ou qualquer outra
barreira física que possa acidentalmente impossibilitar o deslocamento das pás. É
necessário, portanto, uma supervisão periódica para garantir o seu bom funcionamento.
1.2 – Anemômetro termoelétrico
No anemômetro termoelétrico, a aquisição da velocidade do vento é feita medindo-se
a troca de calor entre um sensor aquecido e o ar. O dispositivo para troca de calor pode ser
um fio ou filme metálico, o qual é aquecido eletricamente. Quando este é exposto ao ar,
haverá uma perda de calor proporcional à velocidade do vento incidente. Essa perda de
calor pode ser monitorada através de um sensor de temperatura.
Tal anemômetro possui baixa velocidade de partida e tempo de resposta rápido, além
de não possuir nenhuma parte móvel. Entretanto, assim como no anemômetro de rotação,
não é possível obter diretamente a indicação da direção do vento, mas apenas a sua
velocidade.
15
Outra desvantagem está no fato de que o aquecimento do fio metálico pode requerer
uma grande dissipação de potência. Considerando um sistema de aquisição automatizado
e alimentado por baterias, tal fato pode reduzir muito a autonomia do sistema.
1.3 – Anemômetro por tubo de Pitot
No anemômetro por tubo de Pitot, a velocidade do vento é determinada a partir da
diferença entre a pressão estática e a pressão total em um tubo de Pitot. Tal dispositivo é
constituído por um tubo de pequeno diâmetro, dentro do qual circula o fluido de interesse.
A pressão total no tubo de Pitot é dada pela pressão exercida pelo fluido em
movimento (pressão dinâmica) somada à pressão atmosférica (pressão estática).
Tal equipamento é de grande interesse em aviação e em aplicações industriais, como
tubulações de alta pressão e fluxo elevado. Porém, o anemômetro por tubo de Pitot
apresenta certas deficiências: pode ocasionalmente entupir; não apresenta uma grande
precisão, especialmente em baixas velocidades; assim como também não é ideal para
medição de ventos turbulentos, pois a diferença da pressão responde de maneira lenta.
1.4 – Anemômetro ultrassônico
O anemômetro ultrassônico mede a velocidade do vento através do tempo
transcorrido entre a transmissão e a recepção de um pulso de ultrassom. Qualquer variação
neste tempo, denominado de tempo de trânsito, indica uma variação na velocidade do
fluido no qual o pulso se propaga, sendo que no caso do anemômetro tal fluido é o ar.
Em relação aos outros tipos mencionados anteriormente, o anemômetro ultrassônico
apresenta algumas vantagens, tais como: exatidão, rapidez na resposta, ausência de
partes móveis, não causa obstrução do fluxo a ser medido e melhor resposta em condições
de baixa velocidade do vento (Cyliax, 2006 e Pereira, 2007).
Os componentes fundamentais para o funcionamento do anemômetro ultrassônico
são os transdutores piezoelétricos. Tais transdutores são compostos por materiais como
quarzo (SiO2), titanato de bário (BaTiO3) ou outros compostos cerâmicos desenvolvidos
especificamente, os quais apresentam características piezoelétricas: quando submetidos à
uma diferença de potencial elétrico, geram vibrações mecânicas. O processo é reversível,
16
de modo que quando é exercida uma pressão sobre o material, ocorre a formação de
cargas elétricas. Dessa forma, um transdutor ultrassônico piezoelétrico pode ser utilizado
tanto para a geração de uma onda acústica quanto para a recepção desta.
A obtenção do tempo de trânsito num anemômetro ultrassônico é tradicionalmente
realizada através de dois métodos: por diferença de tempo ou por diferença de fase. Tais
métodos, entretanto, apresentam algumas deficiências.
1.5 – Descrição dos capítulos
Este trabalho tem como objetivo propor um método alternativo, com o objetivo de
aumentar a eficiência dos anemômetros baseados em transdutores ultrassônicos.
No capítulo 2, são estudados os métodos de determinação do tempo de trânsito em
anemômetros ultrassônicos, assim como algumas deficiências inerentes a estes. É também
feita a proposta de um novo método de aquisição do tempo de trânsito através de
modulação em amplitude do sinal ultrassônico.
No capitulo 3, é apresentado o desenvolvimento necessário à aplicação do método
proposto. São abordados os circuitos necessários para se gerar o sinal modulado em
amplitude e se fazer a recepção deste, assim como a programação elaborada para os
microcontroladores responsáveis pela transmissão e aquisição do sinal.
No capítulo 4, são apresentados os resultados obtidos para a validação do
desempenho do sistema elaborado e no capítulo 5 é feita a conclusão e sugestões para
trabalhos a eventualmente serem desenvolvidos no futuro.
17
2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O anemômetro ultrassônico determina a velocidade do vento a partir da influência
deste sobre o tempo transcorrido entre a transmissão e a recepção de um pulso de
ultrassom, chamado de tempo de trânsito.
No caso de um anemômetro ultrassônico unidimensional, dois transdutores são
montados em posições diametralmente opostas. Em condições ideais, sem nenhuma
perturbação no ar, o tempo de trânsito entre a transmissão de uma sequência de pulsos em
um transdutor e a sua recepção no outro é constante e será determinada pela distância
entre os dois transdutores e a velocidade do som no ar. Entretanto, caso haja uma
perturbação no ar, o tempo de vôo será alterado e será proporcional à velocidade do vento.
Os dois métodos mais comumente utilizados para obtenção do tempo de trânsito num
anemômetro ultrassônico são por diferença de tempo e por diferença de fase.
2.1 - Método da diferença de tempo
No método da diferença de tempo, uma sequência de pulsos é enviada de um
transdutor para o outro. O tempo de trânsito é determinado a partir da medição direta do
tempo transcorrido entre a transmissão e a recepção do sinal, como pode ser observado na
Figura 2.1.
Figura 2.1 – Método da diferença de tempo.
Entretanto, é necessário considerar o atraso dinâmico do transdutor ultrassônico, já
18
que este não responde instantaneamente a uma onda acústica, existindo um atraso entre a
incidência da onda no transdutor e a sua efetiva detecção pelos circuitos de recepção.
2.2 - Método da diferença de fase
No método da diferença de fase, o sinal é enviado continuamente entre o transmissor
e o receptor. O tempo de trânsito é determinado indiretamente, a partir da diferença de fase
entre o sinal transmitido e o sinal recebido, de acordo com a Figura 2.2. A diferença de fase
aumenta ou diminui de acordo com a velocidade de deslocamento do fluido.
Figura 2.2 – Método da diferença de fase.
Uma vantagem deste método é que, devido ao fato de o sinal ser transmitido
continuamente, o atraso causado pela dinâmica do transdutor pode ser desprezado. Porém,
a máxima diferença de fase entre os sinais deve ser de 180º, para que não haja
ambigüidade na leitura.
2.3 - Cálculo da velocidade a partir do tempo de tr ânsito
Após a obtenção dos tempos de trânsito de ida e volta, estes podem ser utilizados
para se determinar a velocidade do vento, através de (Koyama, 2009),
19
−
⋅=
BAAB tt
dv
11
cos2 β,
(2.1)
onde v é a velocidade do som, d é a distância entre os dois transdutores, β é o ângulo
formado entre o eixo dos transdutores e a direção do vento e tAB e tBA são os tempos de
trânsito entre os transdutores, na ida e volta, respectivamente.
No método da diferença de fase, os tempos de trânsito são dados por
ft AB
AB πθ
2
∆=
(2.2)
e
ft BA
BA πθ
2
∆= ,
(2.3)
onde f é a frequência do sinal ultrassônico e ∆θ é a diferença de fase entre o sinal recebido
e o transmitido.
No método da diferença de tempo, temos que os tempos de trânsito são dados por:
EABABAB ttt −= ' (2.4)
e
EBABABA ttt −= ' , (2.5)
onde tEAB e tEBA são os atrasos entre a incidência da onda no transdutor de recepção e a
sua efetiva detecção pelo circuito de recepção, nos dois sentidos; tAB e tBA são os tempos
de trânsito reais e t’AB e t’BA são os tempos de trânsito determinados pelo circuito de
recepção, considerando o atraso deste.
Pode-se observar a partir das Equações (4) e (5) que a exatidão do método da
diferença de tempo depende muito da medição dos tempos de trânsito tAB e tBA. Uma
grande variação nos tempos de atraso pode causar erros no cálculo da velocidade do
vento.
2.4 – Limitações dos métodos de diferença de fase e de tempo
No método da diferença de fase, para que não haja ambigüidade na detecção, deve-
20
se garantir que a diferença de fase entre os sinais não exceda 180º, o que equivale a meio
ciclo de onda do sinal ultrassônico. Isso impõe uma grande limitação a este método: a
distância máxima entre os transdutores.
O próprio tempo de trânsito entre os dois transdutores garante que haja uma
diferença de fase ∆θ entre o sinal transmitido e o recebido. Para um sinal ultrassônico com
frequência de 40 kHz que se propaga numa velocidade de aproximadamente 343 m/s
(considerando pressão de 1 atm e temperatura de 20 ºC), a distância máxima entre os
transdutores deve ser tal que a diferença de fase ∆θ seja inferior a 180º. Portanto, tal
distância será dada pela distância percorrida por meio período de onda do sinal
ultrassônico. Temos que
TVsd ⋅⋅= 5,0 (2.6)
o que resulta em
fVsd
15,0 ⋅⋅= ,
(2.7)
onde d é a distância entre os transdutores, T é o período do sinal ultrassônico, f é a
frequência do sinal ultrassônico e Vs é a velocidade do som.
Portanto, a distância é dada por
31040
15,0343
⋅⋅⋅=d ,
(2.8)
O que resulta em
mmmd 00428,028,4 == . (2.9)
Para a aplicação em um anemômetro, uma distância de 4,28 mm entre os
transdutores é muito pequena, tornando este método inviável.
Além disso, de trabalhos anteriores (Pinto, 2006), sabe-se que o método da diferença
de fase possui uma limitada faixa de velocidades que podem ser detectadas
adequadamente, não sendo confiável para medir ventos de grande intensidade.
O método da diferença de tempo apresenta uma série de problemas em relação ao
atraso entre a incidência da onda no transdutor e a sua detecção no circuito de recepção. O
sinal recebido é considerado válido quando atinge um certo valor de referência, como pode
ser observado na Figura 2.1. Tal valor de referência não pode ser muito baixo, pois deve
21
ser feita a discriminação correta entre o sinal a ser recebido e um ruído ou interferência
indesejada.
Outro problema está no fato de que, como o nível de comparação é fixo, podem
ocorrer leituras falsas, já que um ar turbulento pode ocasionar alterações na amplitude do
sinal recebido.
Além disso, o tempo de atraso pode variar em função dos parâmetros dos circuitos de
recepção e das próprias características dinâmicas dos transdutores utilizados. Portanto,
para minimizar a imprecisão do cálculo da velocidade do vento, é necessário determinar o
tempo de atraso de cada transdutor. Esse fato exige um processo de calibração minucioso
para cada circuito desenvolvido.
Tendo em vista que a influência do vento causa alterações muito sutis no tempo de
trânsito, pode-se verificar que tais problemas podem causar erros grosseiros na medida.
2.5 – Proposta do método da modulação em amplitude
A proposta do projeto é desenvolver novas técnicas que possam levar a uma maior
exatidão na medida do anemômetro. De trabalhos anteriores (Huang, Y. P. et al, 2007;
Sumathi P. et al, 2009), é comprovado que utilizando uma onda contínua modulada, pode-
se obter maior exatidão num sistema ultrassônico de medição de distância.
Utilizando o conceito de modulação do sinal de ultrassom no anemômetro, espera-se
obter uma maior exatidão e confiabilidade no resultado apresentado. As técnicas a serem
desenvolvidas deverão eliminar os problemas causados pelo tempo de resposta do
transdutor e pelo nível fixo de comparação do sinal recebido.
O objetivo do método é enviar um sinal modulado em amplitude através de um
transdutor ultrassônico configurado como transmissor e recebê-lo no transdutor receptor.
Devido ao tempo de trânsito entre os dois transdutores, haverá uma diferença de fase entre
o sinal enviado e o sinal recebido. O tempo de trânsito pode ser determinado a partir do
tempo transcorrido entre o pico do sinal no transmissor e o pico do sinal no receptor,
conforme exibido na Figura 2.3. Tal valor pode então ser utilizado para o cálculo da
velocidade do vento.
22
Figura 2.3 – Determinação do tempo de trânsito através do método de modulação em
amplitude.
A frequência do sinal modulante deve ser suficiente para que não haja ambigüidade
na diferença de fase entre o sinal transmitido e o recebido. Considerando que a onda
modulada propaga-se pelo ar com a velocidade do som, a frequência máxima está
relacionada à velocidade do som e à distância entre os transdutores, de acordo com a
Equação 2.7, o que resulta em:
MfVsd
15,0 ⋅⋅= ,
(2.10)
e
d
Vsf M
5,0⋅= (2.11)
onde fM é a frequência do sinal modulante.
Considerando que a estrutura utilizada para o desenvolvimento possui uma distância
de 15 cm entre os transdutores, e tendo a velocidade do som como aproximadamente 343
m/s (considerando pressão de 1 atm e temperatura de 20 ºC), a frequência máxima do sinal
modulante é dado por
Hzf M 3,114315,0
5,0343 =⋅= . (2.12)
Optou-se por utilizar um sinal modulante de 1000 Hz, o que é compatível com as
23
condições descritas.
Espera-se com o método de modulação em amplitude:
- Evitar as limitações do método de diferença de trânsito, transmitindo um sinal
ultrassônico continuamente, e não intermitentemente. Desta forma, o atraso devido à
dinâmica do transdutor pode ser ignorado. Outra vantagem está no fato de que o nível de
comparação para se determinar o tempo não é fixo, mas relativo. Deve-se determinar o
pico do sinal recebido, independente de qual seja sua amplitude.
- Evitar as limitações do método da diferença de fase, determinando a diferença de
fase a partir de um sinal modulado. Dessa forma, torna-se possível aumentar a distância
entre os transdutores e ampliar a faixa de velocidades que podem ser detectadas.
O sistema proposto neste trabalho para testar e validar o método da modulação em
amplitude foi desenvolvido para ter a capacidade de:
- Enviar através de um transdutor ultrassônico um sinal de 40 kHz modulado em
amplitude com frequência de 1 kHz.
- Receber o sinal em outro transdutor e realizar o processamento necessário
(amplificação, filtragem, amostragem).
- Determinar o tempo de trânsito a partir do tempo transcorrido entre o pico do sinal
no transmissor e o pico do sinal no receptor.
24
3 – DESENVOLVIMENTO PRÁTICO
3.1 – Visão geral
O desenvolvimento prático consistiu na elaboração dos circuitos destinados à
transmissão e à recepção dos sinais ultrassônicos, assim como a criação dos programas
dos microcontroladores.
O sistema proposto foi desenvolvido com microcontroladores MC9S08SH4, da família
HCS08 da Freescale Semiconductor. O microcontrolador é um dispositivo que contém uma
unidade de processamento, memórias RAM de dados e Flash para armazenamento de
programas, além de uma ampla gama de periféricos tais como portas de entrada e saída,
comunicação serial, conversores AD, temporizadores, entre outros.
O circuito de transmissão tem a função de gerar o sinal modulado em amplitude a ser
aplicado no transdutor de transmissão, enquanto que o circuito de recepção é responsável
por adequar o sinal recebido e possibilitar que o microcontrolador de recepção determine
tempo e amplitude.
A Figura 3.1 apresenta um diagrama em blocos, exibindo algumas das
funcionalidades do sistema desenvolvido para validar o método da modulação em
amplitude.
Figura 3.1 – Esquema geral do sistema de testes do método de modulação em amplitude.
Nas próximas seções são apresentados detalhes das implementações estudadas e
escolhidas para o desenvolvimento.
25
3.2 - Circuito de transmissão
O circuito de transmissão é responsável pela geração do sinal modulado e pela
subseqüente transmissão deste através do transdutor ultrassônico. O sinal a ser gerado
deverá ser constituído por uma portadora de 40 kHz (frequência dos transdutores
ultrassônicos utilizados) modulada por um sinal de, aproximadamente, 1 kHz. Com esse
objetivo, foram estudadas algumas opções que poderiam satisfazer tais condições.
3.2.1 – Amplificador controlado por tensão
A primeira opção analisada foi o uso de um amplificador controlado por tensão,
comumente chamado pela sua sigla em inglês, VCA. Tal circuito consiste de um
amplificador cujo ganho é controlador por uma tensão. Para se elaborar o sinal modulado
em amplitude, a portadora seria aplicada à entrada do amplificador, enquanto que o sinal
modulante seria aplicado no controle de ganho. O sinal presente na saída do amplificador é
um sinal com a frequência da portadora cujo envelope de amplitude é determinado pelo
sinal modulante. A Figura 3.2 apresenta um diagrama simplificado deste circuito.
Figura 3.2 – Diagrama simplificado de um amplificador controlado por tensão.
A maior desvantagem desta opção é que para se elaborar um amplificador controlado
por tensão é necessário o uso de circuitos integrados específicos, tais como o SA2159, ou
o uso de amplificadores de transcondutância, como o LM13700. Tais componentes são
difíceis de serem encontrados comercialmente e são relativamente caros.
26
3.2.2 - Modulador AM
A segunda alternativa seria o uso de um modulador AM. Tal modulador pode ser
elaborado através do uso de um circuito integrado específico, como o MC1496, ou um
multiplicador analógico, como o AD633. O modulador se encarrega de realizar a
multiplicação entre a portadora e o sinal modulante. Na saída deste, obtém-se o sinal
modulado em amplitude, como pode ser observado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Diagrama simplificado de um modulador AM.
Tal opção, porém, ainda apresenta alguns inconvenientes. Ainda é necessário de
alguma forma gerar a portadora e o sinal modulante. Teoricamente, isso pode ser feito
através de osciladores comuns. Entretanto, tal opção não é flexível e, o que é mais
importante, não permite ao sistema saber diretamente uma informação crucial: o momento
no qual ocorre o pico do sinal modulante.
3.2.3 - Síntese digital
A terceira alternativa estudada é o uso de síntese digital. Através deste método o
sinal é totalmente sintetizado através de um DAC (Digital Analog Converter – Conversor
Digital-Analógico).
O DAC é um dispositivo que gera um sinal analógico a partir de um valor digital.
Através de uma série de valores tabelados, enviados continuamente ao DAC por um
microcontrolador, torna-se possível construir determinada forma de onda.
Uma grande vantagem no uso deste método é a sua grande flexibilidade.
Obedecendo as características de velocidade e resolução do DAC utilizado, torna-se
27
possível elaborar qualquer forma de onda desejada, bastando apenas alterar os valores a
serem enviados. É possível sintetizar diretamente o sinal de 40 kHz modulado em
amplitude numa frequência de 1 kHz. Além disso, com a sequência de envio sendo
controlada pelo microcontrolador, é possível saber com exatidão a amplitude da forma de
onda a cada instante.
Considerando tais características, assim como as desvantagens das opções
anteriores, o uso do DAC foi classificado como sendo a opção mais vantajosa e foi o
método adotado neste projeto.
3.2.4 – Conversor DA
O conversor digital-analógico adotado no projeto foi o DAC0808, da National
Semiconductor. Tal componente é um conversor digital-analógico de 8 bits, permitindo 256
níveis de quantização. Ele é elaborado com a topologia R-2R e possui entrada paralela.
Tais características são determinantes, pois garantem que o dispositivo seja rápido e possa
ser facilmente acessado através de um microcontrolador. Além disso, é um componente
relativamente fácil de ser encontrado e de baixo custo.
Este componente possui saída em corrente, mas pode ser facilmente convertida em
tensão através do uso de um amplificador operacional, como o próprio datasheet sugere.
Sendo um modelo de 8 bits, tal DAC não possui precisão recomendada para aplicações de
áudio, por exemplo, mas apresenta características ideais para o uso no presente projeto.
O circuito elaborado para o uso do DAC é apresentado na Figura 3.4. O DAC é
acessado através de um barramento de 8 bits, controlado por um microcontrolador. O
transdutor ultrassônico é ligado à saída do circuito.
Figura 3.4 – Circuito de transmissão elaborado com DAC0808.
28
3.3 - Circuito de recepção
O circuito de recepção é responsável pela adequação dos sinais do transdutor
ultrassônico de recepção.
Para se determinar o tempo de trânsito, é necessário calcular a amplitude de pico da
onda recebida, assim como o instante em que este pico ocorreu. Para isso, serão utilizados
dois recursos do microcontrolador de recepção: o conversor AD e o timer input capture. O
circuito de recepção deverá gerar sinais adequados ao funcionamento desses periféricos.
O diagrama de blocos do circuito receptor é mostrado na Figura 3.5.
Figura 3.5 – Diagrama de blocos do circuito receptor.
3.3.1 – Estágios de amplificação
A primeira etapa do circuito de recepção é responsável por aplicar um ganho
suficiente ao transdutor ultrassônico. Devido ao fato de que o sinal emitido pelo transdutor
de transmissão é de baixa potência e sabendo-se que há a atenuação do ar no percurso, a
amplitude do sinal presente nos terminais do receptor é muito baixa, na ordem de 10 mV.
Para que o sinal recebido possa ser devidamente processado e utilizado pelo sistema, é
necessário uma amplificação.
A etapa de ganho foi elaborada utilizando-se dois amplificadores operacionais
montados no modo amplificador não-inversor. Uma grande vantagem deste modo de
operação em relação ao modo inversor é que sua impedância de entrada é muito alta. No
caso do TL074, amplificador operacional com entradas FET, a impedância de entrada é da
29
ordem de 1012 Ohms.
O sinal será amplificado para que tenha um valor de pico em torno de metade da
tensão de alimentação do circuito. Para tal, foi determinado experimentalmente que o
ganho total necessário deve ser da ordem de algumas centenas.
Foram utilizados dois estágios de ganho semelhantes, cuja amplificação é definida
por
28,2217,4
100 =
+ΩΩ=
k
kA .
(3.1)
O ganho total da etapa de amplificação é
4,49628,2228,2221 =⋅=⋅= AAAT , (3.2)
onde A1 e A2 são os ganhos dos estágios de amplificação 1 e 2, respectivamente.
Definindo os estágios de ganho, o sinal já tem amplitude suficiente para as próximas
etapas de processamento.
3.3.2 - Retificação e amostragem
Para se determinar a amplitude do sinal, este deverá ser aplicado a um dos
conversores AD do microcontrolador. Entretanto, o sinal não pode ser aplicado diretamente.
Primeiramente, os níveis de amplitude devem respeitar as características do
microcontrolador. De acordo com o datasheet fornecido pela Freescale, o sinal aplicado
deve se encontrar entre 0 V e a tensão de alimentação, que no caso é de 5 V.
Além disso, é interessante garantir que seja feita a amostragem correta do sinal de
pico da forma de onda. O conversor AD leva um certo tempo para realizar a conversão,
tempo este definido em função das suas configurações. Uma eventual falta de sincronismo
entre o processo de conversão e o formato de onda aplicado pode levar a uma leitura
incorreta.
A proposta é retificar o sinal e aplicá-lo num circuito amostrador sample-and-hold, de
modo que enquanto o microcontrolador realize a conversão AD, o nível de tensão se
mantenha constante. A saída do circuito amostrador será uma sequência de pulsos com
30
amplitude variável.
Decidiu-se utilizar um retificador de precisão ativo de meia-onda, composto por um
amplificador operacional e dois diodos de sinal, como apresentado na Figura 3.6. Verifica-
se que tal circuito apresenta uma linearidade muito maior do que se utilizar um único diodo
retificador ou um retificador ativo composto por apenas um amplificador operacional e um
diodo (Horowitz, 1989).
Figura 3.6 – Retificador ativo de precisão de meia-onda.
Após a etapa de amplificação, o sinal passa por um circuito amostrador sample-and-
hold, composto por diodo, capacitor e transistor, conforme mostrado na Figura 3.7. O
amostrador sample-and-hold tem a função de realizar a amostragem do pico do sinal
retificado, mantendo-o constante enquanto é realizada a conversão para um valor digital
pelo microcontrolador.
Figura 3.7 – Circuito amostrador sample-and-hold.
O circuito amostrador contra com uma entrada de reset, o qual deve ser aplicado pelo
microcontrolador para descarregar o capacitor após a conversão e permitir a amostragem
de um outro nível de tensão.
31
3.3.3 - Conversor onda quadrada
Para se obter a referência de tempo, é necessário converter o sinal recebido pelo
transdutor numa onda quadrada, a ser aplicada em uma das entradas do microcontrolador.
O circuito utilizado para esta função pode ser visto na Figura 3.8.
Para isso, o sinal já devidamente amplificado foi aplicado num amplificador
operacional montado no modo comparador. Estando a entrada inversora deste ligada ao 0
V, e sendo o amplificador operacional alimentado com 5V e -5V, o sinal é convertido numa
onda quadrada com níveis de tensão próximos às tensões de alimentação. Tal onda
quadrada, entretanto, não pode ser aplicada diretamente ao microcontrolador, sob o risco
de danificá-lo. Torna-se necessário eliminar o nível de tensão negativo, o que pode ser feito
através de um diodo em série.
Figura 3.8 – Circuito conversor onda quadrada com diodo série.
A saída de circuito exibido na Figura 3.8 é aplicada em uma entrada de timer input
capture do microcontrolador receptor.
O esquemático completo do circuito de recepção é exibido na Figura 3.9.
32
Figura 3.9 – Esquemático completo do circuito de recepção.
3.4 – Programação
O microcontrolador utilizado no projeto é o MC9S08SH4. Ele dispõe de uma unidade
de processamento de 8 bits e 40 MHz, memória Flash de 4 Kbytes (utilizado para
armazenamento do firmware), memória RAM de 256 bytes (para armazenamento de
33
variáveis do programa), além de 12 canais de conversor AD, 17 pinos de entrada e saída,
comunicação I2C, SPI e serial, assim como outros periféricos diversos.
Os programas dos microcontroladores foram desenvolvidos para realizar o controle
do sistema: enviar valores para o DAC sintetizar a forma de onda, obter os tempos e
amplitudes dos sinais recebidos, dentre outras funções. Para o seu desenvolvimento, foi
utilizada a linguagem de programação C, tendo como compilador o CodeWarrior, da
Freescale.
Ao longo do desenvolvimento do projeto, verificou-se a necessidade do uso de dois
microcontroladores, já que tanto a recepção quanto a transmissão são processos que
devem ocorrer em tempo real e que consomem muito tempo de processamento.
Caso seja utilizado um microcontrolador mais veloz (que conte com recursos de DMA
ou tenha maior velocidade de processamento) poderia ser possível utilizar apenas um
dispositivo nas duas funções. Diversos componentes disponíveis no mercado podem
satisfazer esses requisitos, como os microcontroladores da família HC12 da Freescale ou
os DSPs da Texas.
3.4.1 – Programação do microcontrolador de transmis são
O firmware do microcontrolador relacionado ao transmissor é encarregado das
seguintes funções:
- Controlar o conversor digital-analógico para que este sintetize a forma de onda
desejada.
- Enviar o sinal de sincronismo (trigger) ao microcontrolador de recepção no instante
em que for enviado o pulso de maior amplitude.
Foram utilizados 9 pinos de saída do microcontrolador, sendo 8 destinados ao DAC e
um usado para o sinal de trigger.
A forma de onda desejada é construída a partir de valores tabelados em um vetor de
80 posições. Cada valor do vetor representará um determinado nível de tensão a ser
gerado pelo DAC.
Para se gerar um sinal de 40 kHz, o DAC deve ser atualizado numa taxa duas vezes
superior à onda desejada, de 80 kHz nesse caso. A cada instante, o DAC é atualizado com
um valor do vetor e gera um nível de tensão correspondente a este.
Caso o objetivo fosse sintetizar uma onda quadrada de 40 kHz, seria necessário um
34
vetor com apenas duas posições: uma correspondente à amplitude alta e outra relacionada
à amplitude baixa.
Porém, como o DAC é capaz de gerar vários níveis de tensão distintos (256 no caso
do DAC0808 de 8 bits), torna-se possível alternar a amplitude dos pulsos, sendo necessário
para isso apenas acrescentar outros valores no vetor que determina a forma de onda.
Determinando cuidadosamente os valores do vetor, torna-se possível sintetizar uma
sequência de pulsos de 40 kHz modulada em amplitude por uma senoidal de 1 kHz,
conforme exibido na Figura 3.10. O vetor foi construído com o auxílio de um gerador de
“look-up table” de senos para linguagem C (Pavel, 2010).
Figura 3.10 – Sequência de pulsos com amplitude modulada por uma senoidal.
O periférico de maior importância para o microcontrolador responsável pela
transmissão é o temporizador (timer). Este foi configurado para gerar uma interrupção em
intervalos de 12,5 µs, numa frequência de 80 kHz. No momento em que a interrupção é
executada, o firmware realiza as seguintes operações:
- Envia determinado valor para o DAC, de acordo com a posição atual do vetor.
- Verifica se a posição atual é a do valor máximo e, caso afirmativo, envia o sinal de
sincronismo para o receptor.
- Incrementa a posição do vetor e, caso tenha chegado ao último valor, retorna à
posição zero.
No momento em que o valor a ser enviado ao DAC representar o pico da forma de
onda a ser construída, é aplicado um nível lógico alto em uma das portas do
microcontrolador, de modo a gerar o sinal de sincronismo.
O intervalo entre as interrupções para o envio dos valores ao DAC é curto, de 12,5 µs,
35
sendo que para a correta geração da forma de onda, elas devem ocorrer continuamente,
sem atraso. Portanto, o microcontrolador utilizado para controlar o circuito de transmissão
foi encarregado exclusivamente dessa tarefa, não podendo ser responsável por receber os
sinais do circuito de recepção e nem realizar todo o processamento envolvido para
determinar os tempos de trânsito. O segundo microcontrolador foi utilizado com este
objetivo.
3.4.2 – Programação do microcontrolador de recepção
O programa do microcontrolador de recepção é responsável por determinar os
tempos de trânsito do sinal ultrassônico, assim como realizar todo o processamento
necessário para essa finalidade.
Ele utiliza alguns recursos importantes do microcontrolador:
- Interrupção por borda de subida em pino de entrada, para identificar o sinal de
sincronismo.
- Interrupção por input capture, para determinar o tempo de cada pulso que chega ao
microcontrolador.
- Conversor AD para determinar amplitude do sinal recebido.
- Comunicação I2C para interface com memória EEPROM 24FC128, de 16 Kbytes.
- Comunicação USB através de conversor serial-USB.
O programa do microcontrolador de recepção foi desenvolvido de modo a executar
os seguintes passos:
- Inicializar registradores e periféricos do sistema.
- Aguardar o comando BEGIN enviado pelo usuário através da comunicação USB.
- Aguardar o sinal de sincronismo enviado pelo microcontrolador de transmissão.
- Ao receber o sinal de sincronismo, iniciar a verificação da amplitude e do tempo dos
pulsos que chegam do circuito receptor.
- Calcular qual o pulso de maior amplitude e em qual instante este ocorreu. Tal valor é
o tempo de trânsito entre o sinal de pico no transmissor e no receptor.
- Realizar 13 leituras de tempos de trânsito e armazenar os valores num buffer.
36
- Determinar a mediana dos 13 valores. O resultante da operação é considerado
como o tempo de trânsito válido.
- Armazenar o tempo de trânsito válido na memória EEPROM.
- Repetir as operações anteriores, desde o segundo passo, até preencher o espaço
alocado na memória EEPROM.
O fluxograma da Figura 3.11 mostra de maneira clara o fluxo de execução do
programa de recepção:
Figura 3.11 – Fluxograma do funcionamento do programa do microcontrolador de recepção.
37
Inicialmente, o programa executa uma rotina de inicialização, na qual são
configurados os valores de todos os registradores associados aos periféricos utilizados, tais
como timer input capture, conversor AD, comunicação I2C, dentre outros.
A interrupção do sinal de sincronismo ocorre quando o microcontrolador do
transmissor indica que realizou a transmissão do pulso de maior amplitude. Neste instante,
a saída de sincronismo vai para nível lógico 1, causando uma interrupção por borda de
subida no microcontrolador de recepção. No instante em que esta interrupção é tratada, o
microcontrolador inicia o contador do seu temporizador e habilita as interrupções da entrada
de input capture.
A entrada de input capture está ligada à saída de onda quadrada do circuito receptor.
Quando habilitada, cada transição que ocorrer na entrada de input capture gerará uma
interrupção. No instante em que isto ocorre, o valor atual do temporizador é
automaticamente gravado em um registrador específico, o qual deve ser lido e
armazenado.
Durante a interrupção, é chamado também o conversor AD, para se realizar a leitura
da amplitude da saída amostrada do circuito receptor. Deste modo, na interrupção do input
capture é realizada a leitura do tempo e da amplitude de cada pulso que chega ao
microcontrolador.
É realizada uma sequência de 30 leituras. Sendo que cada fase do sinal enviado é
composta por 20 pulsos, o valor de pico obrigatoriamente se encontrará entre estas leituras.
Após o término dessas leituras, o microcontrolador encerra as leituras desativando as
interrupções do input capture. Um próximo sinal de sincronismo enviado pelo
microcontrolador de transmissor pode reiniciar o processo de aquisição.
Depois que os valores de tempo e amplitude são obtidos, eles devem ser
processados. Em primeiro lugar, deve-se determinar qual é o pico do sinal e em que
momento este ocorreu. Para isso, o vetor de amplitudes é ordenado em valores
decrescentes. O rearranjo dos valores deve ser feito também com o vetor de tempos.
Determinando-se qual é o valor de pico, pode-se encontrar o valor de tempo
associado a este. Tal valor é o tempo de trânsito entre o transmissor e o receptor.
Para se obter maior precisão, é obtida uma sequência de 13 valores distintos de
tempo e é realizado o cálculo da mediana destas leituras. O resultante da mediana é
estabelecido como a medida válida do tempo de trânsito.
Esse valor é armazenado numa memória EEPROM 24FC128, com capacidade de
armazenamento de 16 Kbytes e comunicação através de barramento I2C. Sendo que o
38
valor de tempo é constituído por 2 bytes, a memória possui uma capacidade de
armazenamento de até 8000 valores de tempos de trânsito válidos.
Para uma maior facilidade de operação, o controle do microcontrolador de recepção é
realizado através de comunicação serial. Torna-se possível, portanto, utilizar um
computador para se controlar e obter os dados do sistema.
A interface serial do microcontrolador foi programada de modo que cada novo byte
recebido dispara uma interrupção no sistema. De acordo com o valor do byte recebido, uma
ação é realizada. Um protocolo de comunicação simples foi elaborado com esta finalidade,
conforme mostrado na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Comandos do protocolo de comunicação serial.
Comando Valor enviado (hexadecimal)
Resposta
BEGIN 0x01 Inicia a aquisição dos tempos de trânsito e retorna 0xFF para confirmar.
READ_BUFFER 0x02 Retorna o valor do buffer de tempo e amplitude.
READ_VETOR 0x03 Retorna o valor do vetor de tempos de trânsito.
READ_MEMORY_DATA 0x04 Retorna o valor dos tempos de trânsito válidos armazenados na memória EEPROM.
READ_ALL_MEMORY 0x05 Retorna todos os bytes armazenados na memória EEPROM.
CLEAR_MEMORY 0xF0 Limpa toda a memória, gravando 0x00 em todos os endereços.
Inválido Qualquer outro valor
Retorna 0x00 para indicar um comando inválido.
Dentro da interrupção serial, os comandos são decodificados e a resposta é feita em
função do valor deles. Quando se faz necessário retornar alguma informação, a rotina
realiza a conversão para ASCII.
O fato de o controle ser realizado através da serial tem como objetivo uma maior
facilidade no período do desenvolvimento no sistema. Caso seja interesse utilizar o sistema
operando de forma autônoma, algumas das rotinas do firmware poderiam ser modificadas
com esta finalidade.
39
O diagrama em blocos do sistema completo é mostrado na Figura 3.12.
Figura 3.12 – Diagrama de blocos do sistema.
40
4 – RESULTADOS
Os testes foram realizados em laboratório, com o auxílio de equipamentos tais como
fonte de tensão regulada, osciloscópio digital com comunicação USB e ventilador. O
osciloscópio digital revelou ser uma ferramenta muito importante, pois pode ser conectado
a um computador através de uma porta USB e enviar imagens para este.
4.1 – Desempenho do circuito transmissor
Os testes relacionados ao circuito transmissor consistiram em verificar as formas de
ondas geradas por este. Deve-se verificar se a forma de onda sintetizada pelo DAC
corresponde à saída desejada, se as temporizações dos sinais estão corretas, e se o sinal
de sincronismo está sendo acionado devidamente.
Observando a saída do circuito transmissor através do osciloscópio, obtém-se a
forma de onda apresentada na Figura 4.1.
Figura 4.1 – Sinal presente na saída do circuito transmissor.
41
Conforme os valores na Figura indicam, o osciloscópio estava configurado com 2V /
divisão na vertical e 200us / divisão na horizontal. Tem-se então um sequência de pulsos
de 40 kHz modulados em amplitude. Os valores de amplitude máxima e mínima são,
respectivamente, 4 e 0,8 V, e a frequência do sinal modulante é de 1 kHz.
Além de sintetizar a forma de onda, o circuito de transmissão é responsável por
enviar o sinal de sincronismo para o receptor. Tal sinal deverá ser acionado no momento
em que for enviado o pulso de valor máximo no transdutor ultrassônico.
Figura 4.2 – Sinal presente na saída do circuito transmissor e sinal de sincronismo.
Na Figura 4.2, o sinal superior (no canal 1 do osciloscópio) é a saída do circuito
transmissor, enquanto que o sinal inferior (no canal 2 do osciloscópio) é o sinal de
sincronismo. É possível constatar que ele está sendo acionado corretamente, no mesmo
instante em que a saída atinge a maior amplitude.
Através da verificação de tais parâmetros, o funcionamento do circuito de transmissão
foi validado.
42
4.2 – Desempenho do circuito de recepção
O circuito de recepção apresenta uma complexidade superior à do de transmissão,
sendo necessário, portanto, verificar um número maior de parâmetros para determinar se
seu funcionamento está correto.
Deve-se verificar:
- A recepção do sinal no transdutor.
- O funcionamento do estágio de amplificação.
- A relação entre o sinal amplificado e o sinal enviado pelo transmissor, para se
determinar se ocorre o deslocamento de fase.
- O estágio retificador e amostrador.
- O conversor onda quadrada.
Primeiramente, tentou-se obter o sinal diretamente nos terminais do receptor
ultrassônico. Entretanto, o sinal recebido é de baixa amplitude, sendo difícil visualizá-lo
adequadamente através do osciloscópio.
Verificando-se o sinal após o primeiro estágio de ganho, já é possível notar a
presença do sinal recebido pelo transdutor. O sinal ainda possui uma amplitude baixa, de
aproximadamente 150 mV pico a pico, mas pode-se perceber claramente a presença de um
sinal modulado em amplitude, conforme exibido na Figura 4.3.
43
Figura 4.3 – Sinal presente na saída do primeiro estágio de ganho.
Esse sinal ainda deve passar por um segundo estágio de ganho, na saída do qual
espera-se encontrar o sinal com uma amplitude adequada, entre 1 e 3 V.
Verificando-se o sinal obtido através do osciloscópio (Figura 4.4), é possível constatar
a presença do sinal modulado em amplitude e com um valor máximo de aproximadamente
4 V pico a pico. Além disso, o sinal apresenta um nível de ruído muito baixo se comparado
ao estágio anterior.
44
Figura 4.4 – Sinal presente na saída do segundo estágio de amplificação.
Pelos dados obtidos, é possível afirmar que as etapas de recepção e amplificação do
sinal estão funcionando corretamente. Neste ponto, é interessante verificar se realmente
ocorre o deslocamento de fase entre o sinal enviado pelo transmissor e o sinal presente no
receptor. De acordo com o tempo de trânsito entre os dois transdutores ultrassônicos,
deverá haver uma diferença de fase entre os dois sinais. Esse resultado pode ser
observado na Figura 4.5.
45
Figura 4.5 – Comparação entre o sinal do transmissor e o sinal recebido e amplificado,
exibindo a diferença de fase.
A imagem obtida através do osciloscópio (Figura 4.5) confirma a presença de uma
diferença de fase entre o sinal do transmissor e o sinal recebido.
Tal sinal é aplicado tanto na etapa do retificador-amostrador, quanto na do conversor
de onda quadrada. O conversor de onda quadrada tem como função converter o sinal
modulado em amplitude numa sequência de pulsos com frequência de 40 kHz. Tal sinal
servirá como referência de tempo para o sistema e será aplicado na entrada do timer input
capture do microcontrolador.
Além do requisito da frequência, os níveis de tensão da onda quadrada não poderão
ter valores negativos, de modo a não danificar o microcontrolador.
46
Figura 4.6 – Saída do circuito conversor onda quadrada.
O sinal de onda quadrada obtido através do osciloscópio, apresentado na Figura 4.6,
mostra que o sinal de onda quadrada possui uma frequência de 40 kHz e alterna entre os
níveis de tensão 0 e 3,3 V. Tais parâmetros estão de acordo com as especificações.
Além do sinal de onda quadrada, o circuito de recepção deverá processar o sinal a
ser aplicado na entrada do conversor AD. Isso é realizado nas etapas de retificação e
amostragem.
A função do retificador é cortar os semiciclos negativos do sinal recebido. O sinal
presente na saída do retificador é apresentado na Figura 4.7. Pode-se constatar que o
retificador funciona adequadamente.
47
Figura 4.7 – Sinal na saída do retificador.
Para garantir que o conversor AD obtenha os valores corretos, o circuito amostrador
sample-and-hold deverá manter o nível de pico do sinal retificado enquanto é realizada a
conversão. Após a conversão, o sinal Reset deve ser aplicado pelo microcontrolador de
recepção, para zerar o valor do amostrador (ver Figura 3.7).
Figura 4.8 – Sinal na saída do amostrador.
48
A Figura 4.8 exibe o sinal presente na saída do circuito amostrador. Pode-se
constatar a presença de vários “degraus”, cada um relacionado a um valor de pico do sinal
retificado.
Figura 4.9 – Relação entre o sinal na saída do amostrador e os pulsos de reset aplicados
pelo microcontrolador.
Na Figura 4.9 é apresentada a relação entre o sinal amostrado e o pulso de reset
aplicado no circuito. O sinal presente na parte superior (canal 1) é a saída do amostrador,
enquanto que a parte inferior (canal 2) indica o sinal de Reset.
Temos então as duas saídas do circuito de recepção funcionando corretamente.
Pode-se então verificar a relação entre as saídas e o sinal recebido (Figuras 4.10 e 4.11).
49
Figura 4.10 – Comparação entre o sinal recebido e amplificado e o sinal presente na saída
do amostrador.
Figura 4.11 – Comparação entre o sinal recebido e amplificado e o sinal onda quadrada.
50
A Figura 4.10 mostra a relação entre o sinal recebido e amplificado e o sinal presente
na saída do amostrador. É possível ver que a amplitude do sinal amostrado está
diretamente relacionada à do sinal recebido.
A Figura 4.11 exibe o sinal recebido e a onda quadrada obtida a partir deste. Pode-se
observar que o sinal de onda quadrada possui a mesma frequência da portadora do sinal
modulado, que no caso é de 40 kHz.
Foi possível validar o circuito receptor, analisando o comportamento de cada uma de
suas etapas e confirmando que seu funcionamento se enquadra nas definições do projeto.
4.3 – Obtenção de dados
Após a validação dos circuitos de transmissão e recepção, o próximo passo foi obter
dados do sistema e comprovar o seu funcionamento como um todo.
Para os testes de obtenção de dados, o sistema foi montado de modo completo, com
os circuitos transmissor e receptor, as placas com microcontroladores e os transdutores
ultrassônicos. Além disso, o microcontrolador receptor foi conectado a um computador
através de uma porta USB, de modo a ser possível enviar comandos e receber valores.
O primeiro passo consistiu em verificar os valores obtidos no conversor AD. O
programa do receptor foi elaborado de modo que, após receber o sinal de sincronismo do
transmissor, é iniciada a aquisição dos dados referentes aos sinais recebidos. Tais dados
informam o tempo em que cada pulso chegou (após o sinal de sincronismo) e a amplitude
destes.
Para este teste, o programa foi alterado de modo que, a cada sinal de sincronismo
ocorrido, sejam obtidas 60 amostras dos sinais. O teste foi realizado enviando-se através
da comunicação serial o parâmetro BEGIN, para iniciar as leituras, e o parâmetro
READ_BUFFER, para se fazer a leitura dos valores de tempo e amplitude armazenados.
51
0
20
40
60
80
100
120
9,38
85,2
161
237
314
391
469
545
622
698
774
851
927
1004
1081
1158
1234
1311
1387
1463
Tempo (em µs)
Val
or d
o co
nver
sor
AD
Série1
Figura 4.12 – Forma de onda reconstruída a partir dos dados do conversor AD e timer input
capture.
O gráfico apresentado na Figura 4.12 mostra os valores obtidos através do conversor
AD em função do tempo. O tempo foi obtido fazendo-se uma multiplicação entre o valor do
timer input capture de cada posição e o período de clock do microcontrolador.
Pode-se constatar que o microcontrolador consegue obter adequadamente tanto os
tempos quanto as amplitudes desejadas. A aquisição dos dados funciona de acordo com o
desejado.
O próximo teste foi feito com o programa completo. O programa completo do
microcontrolador obtém os valores de amplitude e tempo, faz o cálculo da mediana para
obter os tempos de trânsito válidos e armazena estes valores na memória I2C. O objetivo é
verificar o desempenho das rotinas relacionadas ao cálculo do valor máximo da onda, a
obtenção do tempo de trânsito e cálculo da mediana dos valores.
O teste foi realizado enviando-se através da comunicação serial o parâmetro BEGIN,
para iniciar as leituras, e o parâmetro READ_DATA_MEMORY, para se fazer a leitura dos
valores de tempo de trânsito armazenados na memória EEPROM. O programa do
microcontrolador foi configurado para armazenar 200 amostras.
O teste foi iniciado numa situação de repouso, sem vento. No meio do ensaio, foi
acionado um ventilador, de modo a gerar um fluxo de ar e se verificar qual é a influência
deste no tempo de trânsito do sistema.
52
770
771
772
773
774
775
776
777
778
779
780
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199
Amostras
Tem
po (
em µ
s)
Figura 4.13 – Tempo de trânsito entre os transdutores ultrassônicos.
O gráfico obtido através deste teste é exibido na Figura 4.13, e pode-se observar que
o tempo de trânsito se encontra entre 774 e 775 µs durante um grande número de
amostras, aumentando subitamente para valores na ordem de 778 µs no momento em que
é acionado o ventilador (entre amostras 100 e 150, aproximadamente), retornando para
valores próximos de 775 µs quando o ventilador é desligado (a partir da amostra 150).
Os testes realizados validaram o funcionamento do método de modulação de
amplitude para a obtenção do tempo de trânsito em anemômetros ultrassônicos.
53
5 – CONCLUSÕES
Através dos resultados obtidos, pode-se comprovar a viabilidade do método proposto
de amplitude modulada para se determinar o tempo de trânsito de um pulso ultrassônico.
Pode-se constatar que o sistema é capaz de receber as informações de amplitude e tempo
da onda, determinar em qual instante ocorre o pico de amplitude e, a partir deste, calcular o
tempo de trânsito entre o sinal transmitido e o recebido.
Através dos testes, pode-se também comprovar que a presença de um fluxo de ar
altera o tempo de trânsito entre os transdutores ultrassônicos, sendo que o sistema foi
capaz de detectar tal variação.
O trabalho apresentado teve como objetivo comprovar a viabilidade do método de
amplitude modulada para se determinar o tempo de trânsito. Este tempo foi determinado
em apenas um eixo e em um único sentido, não sendo efetuado o cálculo da velocidade do
vento.
Para trabalhos futuros, propõe-se elaborar um anemômetro completo utilizando o
método de amplitude modulada. Tal anemômetro pode medir a velocidade do vento em
duas ou três dimensões, utilizando um número de transdutores suficiente para tal. Além
disso, podem ser utilizadas técnicas de multiplexação para controlar a transmissão e
recepção em cada um dos transdutores.
Obtendo os tempos de trânsito, o anemômetro pode efetuar o cálculo da velocidade e
armazenar tais valores na memória EEPROM, enviá-los através de uma comunicação serial
ou USB ou disponibilizá-los como um nível de tensão analógico correspondente à
velocidade do vento.
Outra sugestão seria substituir os dois microcontroladores usados no sistema por um
único dispositivo com maior capacidade de processamento. Tal dispositivo pode ser um
microcontrolador da família HC12 da Freescale, alguns dos quais contam com recursos de
processamento paralelo, ou um DSP da Texas, os quais possuem elevadas velocidades de
clock e possuem instruções específicas para realização de processamento matemático.
54
6 - BIBLIOGRAFIA
CYLIAX, I. (2006). Internet-connected sonic anemometer. Circuit Cellar, the Magazine for
Computer Applications.
KOYAMA, M. H. (2009). Desenvolvimento de um Anemômetro 3D Ultra-sônico baseado em
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Londrina.
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