protótipo robótico de mão mecânica para reprodução de música em

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Jessica Fernanda Pereira Zamaia

Protótipo robótico de mão mecânica parareprodução de música em piano.

Londrina26 de fevereiro de 2016

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica


Protótipo robótico de mão mecânica para reprodução demúsica em piano.

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de En-genharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina, como requisitoparcial à conclusão do Curso de Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Ernesto Fernando Ferreyra Ramírez


Ficha Catalográfica

Jessica Fernanda Pereira ZamaiaProtótipo robótico de mão mecânica para reprodução de música em piano. - Lon-drina, 26 de fevereiro de 2016 - 88 p., 30 cm.Orientador: Prof. Dr. Ernesto Fernando Ferreyra Ramírez

I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétirca. II. Protótiporobótico de mão mecânica para reprodução de música em piano..


Protótipo robótico de mão mecânica para reprodução demúsica em piano.

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado aoDepartamento de Engenharia Elétrica da Uni-versidade Estadual de Londrina, como requi-sito parcial à conclusão do Curso de EngenhariaElétrica.

Banca examinadora:

Prof. Dr. Ernesto Fernando FerreyraRamírez

Presidente

Prof. Dr. Aziz Elias Demian JuniorMembro

Prof. Dr. Leonimer Flávio de MeloMembro


Dedico este trabalho aos meus pais Geraldo e Selma por terem estado ao meu lado em todos

os momentos, apoiarem minhas escolhas, investirem na minha educação e terem me criado

com tanto amor e carinho.

Agradecimentos

Agradeço a Deus antes de qualquer coisa, por nunca me deixar sozinha, pelo suporteemocional e por todas as oportunidades oferecidas pra que tudo ocorresse de uma maneirasempre melhor do que eu tinha planejado.

Agradeço imensamente a meus pais Geraldo Magela Zamaia e Selma Pereira Zamaiapor acreditarem em mim e me amarem sem ressalvas. Agradeço pelo apoio sobre humano, pelocarinho e cuidado, por serem meus maiores exemplos de vida e por torcerem por mim com tantaforça.

Agradeço também ao meu irmão Victor Augusto Pereira Zamaia por ser meu melhoramigo e aguentar meu mau humor e minhas lágrimas quando tudo dava errado. Agradeço tam-bém pelos conselhos e broncas que me fizeram seguir sempre pelo melhor caminho.

Um agradecimento especial ao professor Ernesto Fernando Ferreyra Ramírez por aceitarorientar esse trabalho desde o início e jamais desanimar durante todo o processo.

Aos professores Osni Vicente e Walter Germanovix por terem perdido algumas horasnuma tarde de 2011 me incentivando a encarar o desafio da Engenharia e por apostarem todasas fichas em mim quando minha decisão de desistir já estava tomada. Agradeço os conselhos, ocarinho e a aposta.

Meu agradecimento a todos os funcionários do CTU, principalmente a Valéria Bis Ro-tunno por me amparar em momentos de dramas burocráticos e pessoais. Por me dar colo nopior momento desses 7 anos de UEL e por fazer a diferença nesse processo.

Por fim, agradeço aos meus colegas de curso por deixarem a sala de aula mais leve, asmadrugadas de estudo mais divertidas e por me acompanharem até aqui. Meu agradecimentoespecial a: Priscila, Luiz Ricardo, Wuallyson, Vinícius, Jean e Dário, que já fazem imensa faltano meu dia a dia.

"Por vezes sentimos que aquilo que fazemos não é senão uma gota de água no mar. Mas o

mar seria menor se lhe faltasse uma gota".

(Madre Teresa de Calcuta)

Jessica Fernanda Pereira Zamaia. 26 de fevereiro de 2016. 88 p. Trabalho de Conclusão deCurso em - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

Resumo

Este trabalho é pautado na área de robótica social, subárea que envolve aplicação de tecnolo-gia ao entretenimento e apresenta as etapas de desenvolvimento de uma mão mecânica, parareprodução de música, em piano físico, através da comunicação serial de duas plataformas deprogramação, uma delas com saída gráfica, denominada Processing, e um sistema de controleembarcado. A mão robótica apresenta sete hastes, chamadas neste trabalho de dedos, que semovimentam sobre um eixo coordenado através do controle de micro servos motores. O con-trole se dá através da programação de um sistema de controle embarcado que recebe dados deuma plataforma de prototipagem eletrônica que por sua vez é controlada por uma plataforma deprogramação responsável por gerar uma saída gráfica digital.

Palavras-Chave: Arduino. Processing. PIC18F452. Controle. Robótica.

Jessica Fernanda Pereira Zamaia. 26 de fevereiro de 2016. 88 p. Monograph in - Universi-dade Estadual de Londrina, Londrina.

Abstract

This work is based on social robotics area, a robotic subarea that involv entertainment techno-logy application and presents the development stages of a mechanical hand, for music playing,in a physical piano, through serial communication between two programming plataforms, oneof that with graphical output, called Processing and a PIC18F452 microcontroller. The robotichand presents seven branches, called fingers in this work, which move in a coordenate axis th-rough the servo motors control. This control is executed by a microcontroller programing thatreceives data from an eletronic prototyping platform which is controlled by another platformthat is responsable for generating a digital graphic output.

Key-words: Arduino. Processing. PIC18F452. Control. Robotic.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Protótipo final; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Figura 2 – Trípode de Hefesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Figura 3 – Relógio de água com figura móvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Figura 4 – Primeiro robô com utilidade ao homem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Figura 5 – Robô de Leonardo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Figura 6 – Homem Vitruviano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Figura 7 – Robô espacial em Marte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Figura 8 – Robôs sociais: Robô guitarrista, Robôs dançarinos e Robô jogador de fute-

bol, respectivamente; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Figura 9 – (a)Robô Wabot2; (b)Robô da série de robôs WF, respectivamente; . . . . . . 10Figura 10 – Robôs musicais da Toyota; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 11 – Robô Teo Trônico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 12 – Banda Compressorhead; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 13 – Protótipo de mão mecânica em desenvolvimento; . . . . . . . . . . . . . . 13Figura 14 – Sistema de controle a malha aberta; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Figura 15 – Sistema de controle a malha fechada; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Figura 16 – Esquema de um microcontrolador; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Figura 17 – IDE do Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Figura 18 – Diferentes modelos de placa Arduino. Respectivamete da esquerda para di-

reita e de cima para baixo: Arduino UNO, Arduino 101, Arduino PRO, Lily-Pad Arduino Simple, Arduino Mega, Arduino Zero, Arduino DUE, LilyPadArduino Simple, Arduino YÚN, Arduino Gemma, LilyPad Arduino USB eLilyPad Arduino Simple Snap; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Figura 19 – IDE do compilador MikroC; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 20 – Esquema da pinagem do PIC 18F452; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 21 – Ambiente de desenvolvimento do Processing; . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 22 – Da direita para a esquerda, servo motor jumbo, large, monster, standard,

mini, micro e pico; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 23 – Partes de um servomotor; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 24 – Esquema de um Potenciômetro; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 25 – Modelos de conectores mais disponíveis no mercado: Futaba, Hitec e JR

Radies respectivamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 26 – Modelo de conector da empresa Airtronics; . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 27 – Largura de pulsos para acionamento de servo motores; . . . . . . . . . . . . 28Figura 28 – Micro Servo 9g SG90 TowerPro; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Figura 29 – Plataformas de prototipagem eletrônica Arduíno, BeagleBone e RaspberryPirespectivamente; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura 30 – Notação e simbologia usuais dos transistores pnp e npn, respectivamente; . . 30Figura 31 – Transistor pnp utilizado como chave; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 32 – Circuito exemplo para obtenção dos cálculos de polarização de transistores; 32Figura 33 – Placa Arduino UNO R3; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 34 – Protótipo inicial; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 35 – Fluxograma para protótipo inicial; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 36 – Serial Monitor - interface de envio serial do Arduino; . . . . . . . . . . . . 38Figura 37 – Projeto de gabinete para protótipo final; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 38 – Hastes de alumínio; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 39 – Gabinete para protótipo final; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 40 – Interface Gráfica Inicial; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 41 – Interface Gráfica Final; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 42 – Piano de brinquedo utilizado para testes; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 43 – Ponteira de haste metálica e contato de teclas do piano; . . . . . . . . . . . 43Figura 44 – Código de controle de micro servo motor para placa Arduino ; . . . . . . . 44Figura 45 – Circuito criado para simulação inicial com Proteus; . . . . . . . . . . . . . 46Figura 46 – Circuito típico para MAX232; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 47 – Circuito para acionamento de LEDs; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 48 – Representação da interface quando techa a é precionada; . . . . . . . . . . . 49Figura 49 – Fluxograma do firmware da interface gráfica; . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 50 – Fluxograma referente ao hardware do PIC; . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 51 – Circuito final para protótipo de mão mecânica; . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 52 – Circuito final montado para protótipo de mão mecânica; . . . . . . . . . . . 55Figura 53 – Haste metálica do protótipo; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Figura 54 – Protótipo final; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Lista de tabelas

Tabela 1 – Cor dos LEDs e suas respectivas Tensão e Corrente máximas consumidas. . 32Tabela 2 – Característica gerais do Micro Servo 9g SG90 da TowerPro . . . . . . . . . 34Tabela 3 – Característica gerais do Arduino UNO R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Tabela 4 – Relação entre tecla do computador e tecla do piano . . . . . . . . . . . . . 42Tabela 5 – Relação entre acionamento de tecla do computador, tecla do piano gráfico

acionada e dado enviado a serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Lista de abreviaturas e siglas

CI Circuito Integrado;

MIDI Musical Instrument Digital Interface ou Interface Digital para InstrumentosMusicais;

LED Diodo Emissor de Luz;

CPU Central Processor Unit ou Unidade de Processamento Central;

PROM Programmable Read Only Memory ou Memória Programável Somente deLeitura;

RAM Random Access Memory ou Memória de Acesso Aleatório;

I/O Input/Output ou Entrada/Saída;

USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter ou Transmis-sor/Receptor Universal Síncrono e Assíncrono;

FORTRAN Formula Translator ou Tradutor de Fórmulas;

IDE Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento In-tegrado;

PIC Controlador de Interface Programável;

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ou Transmissor/Receptor Uni-versal Assíncrono;

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory ou Memória So-mente de Leitura Programável Apagável Eletricamente;

MIPS Milhões de Instruções Por segundo;

A/D Analógico/Digital;

CCP Capture, compare, PWM ou Captura, Compara e PWM;

MSSP Master Synchronous Serial Port ou Porta Serial Sincrona Mestre;

CC Corrente Contínua;

CA Corrente Alternada;

PWM Pulse Width Modulation ou Modulação por Largura de Pulso;

TBJ Transistor Bipolar de Junção;

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Justificativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Objetivos Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Estruturação do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Robótica e seu estado na arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Próteses Antropomórficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 Sistemas de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5 Sistemas Embarcados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6 Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.7 Linguagem C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.8 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.9 PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9.1 MikroC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9.2 PIC 18F452 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.10 Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.11 Servo Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.11.1 Funcionamento de um Servo Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.12 Transistores Bipolares de Junção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.13 Conclusão do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3 PROGRAMAÇÃO E DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . 343.1 Protótipo Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 Programação Arduíno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3 Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4 Interface Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Piano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.6 Programação PIC 18F452 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.7 Comunicação Serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.8 Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.9 Transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.10 Conclusão do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1 Discussão dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1.1 Interface Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1.2 Programação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.1.3 Simulação Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.1.4 Discussão final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.2 Conclusão do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.1 Conclusão Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

APÊNDICE A – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO . . . . . . . . . . . 64

ANEXO A – DATASHEET DO BC558 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66A.0.1 Especificações do Dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

ANEXO B – DATASHEET DO MAX232 . . . . . . . . . . . . . . . . . 70B.0.1 Especificações e Circuito de Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

ANEXO C – DATASHEET DO PIC18F452 . . . . . . . . . . . . . . . 76C.0.1 Diagrama de Blocos e Principais Periféricos . . . . . . . . . . . . . . . . 76

1

1 Introdução

1.1 Introdução

Com o crescente desenvolvimento da tecnologia, e consequentemente o avanço da ro-bótica, pesquisas relacionadas ao tema passaram a ser mais discutidas, e ampliadas a áreas queantes não se pensava em aplicar essa ciência.

Motivado pelas diversas aplicações que a robótica pode proporcionar, o trabalho aquidescrito apresenta o desenvolvimento de um protótipo robótico, desde a ideia até a sua concep-ção.

A área escolhida como enfase deste projeto é a robótica social, área essa que trabalhacom modelos que interagem diretamente com os seres humanos, tendo como principal objetivoo lazer.

Pensando, então, em unir o lazer as possíveis necessidades especiais apresentada porum grupo de pessoas de nossa sociedade, que por algum motivo não podem sair de casa comtanta freqência e necessitam de distração para levar a vida de maneira mais leve e saudável, umamão mecânica capaz de reproduzis música em um piano foi desenvolvida.

O protótipo passou por diversas auterações durante sua concepção e apresenta comoresultado final um projeto dinâmico, capaz de, por meio de um computador e uma interface grá-fica, acionar hastes a fim de que essas se movam e acionem um piano, simulando o movimentodos dedos de um ser humano.

O protótipo desenvolvido é apresentado na Figura 1.

Figura 1 – Protótipo final;

Fonte:Próprio Autor

Capítulo 1. Introdução 2

1.2 Justificativas

Tendo o conhecimento da grande área que a robótica abrange atualmente e dos avançosdessa ciência na área da robótica social, um projeto que envolvesse o lazer humano foi pensadoa fim de que, com ele, um pouco das possibilidades de se aplicar robótica de forma simples nocotidiano pudessem ser evidenciadas.

A música foi o caminhos escolhido para chegar ao objetivo final do trabalho por ser umadas formas de lazer mais conhecidas pelo ser humano.

1.3 Objetivos Gerais

Este trabalho teve por objetivo principal o desenvolvimento de um protótipo robóticotendo como base a área da robótica social.

Uma mão mecânica com sete hastes móveis com rotação de 180 graus, cujo movimentoé fornecido por sete micro servo motores que são microcontrolados.

O objetivo inicial desse trabalho consistia no controle do protótipo de mão mecânicaatravés da placa de prototipagem eletrônica Arduino. Esssa escolha foi pautada na vasta apli-cação possível na utilização da placa, por seu preço ser acessível, e pela simplicidade de de-senvolvimento de projetos sobre a mesma. Porém, no deccorer do trabalho, com a obtençãodos objetivos iniciais propostos ao trabalho, na construção do protótipo na placa Arduíno, omicrocontrolador PIC1 passou a ser utilizado a fim de se obter uma maior possibilidade dedesenvolvimento futuro para o trabalho.

Uma interface gráfica também entra como objetivo deste deste trabalho a fim de facilitaro controle do protótipo pelo usuário. Assim, por comunicação serial, o protótipo passa a sercontrolado apenas de um computador, não sendo necessária o manuseio direto do mesmo, tendocomo excessão o processo de ligar e desligar a mão mecânica.

1 PIC: Controlador de Interface Programável;

Capítulo 1. Introdução 3

1.4 Objetivos Específicos

Para os objetivos específicos:

∙ Desenvolvimento de mão mecânica;

∙ Desenvolvimento de interface gráfica para fácil manuseio de qualquer usuário;

∙ Utilização de micro servo motores;

∙ Conexão com o computador através de comunicação serial;

∙ Criação de circuito para funcionamento de protótipo;

∙ Realização de simulações;

∙ Desenvolvimento de protótipo em bancada;

1.5 Estruturação do Trabalho

O trabalho aqui presentado está dividido da seguinte maneira:

∙ Capítulo 1 - INTRODUÇÃO: Apresenta de forma geral o trabalho, situando o contextoem que o qual está inserido, as justificativas para a elaboração do projeto e os objetivos aserem atingidos em seu modelo final;

∙ Capítulo 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA: Apresenta uma contextualização do temaproposto (robótica), assim como seu estado na arte até o ano de 2015. Apresenta tam-bém um estudo teórico sobre os principais temas envolvidos no projeto, bem como umaapresentação dos principais materiais e softwares utilizados em sua elaboração;

∙ Capítulo 3 - PROGRAMAÇÃO E DESENVOLVIMENTO: Apresenta o processo de con-trução do protótipo desenvolvido no trabalho, bem como o processo de criação da inter-face gráfica utilizada no mesmo;

∙ Capítulo 4 - RESULTADOS: Apresenta os resultados apresentados pelo protótipo finaldeselvolvido e compara os resultados com os objetivos iniciais propostos;

∙ Capítulo 5 - CONCLUSÃO: Apresenta de forma geral os resultados finais do trabalho, oque deu certo e não no decorrer do processo de deselvolvimento, e sugestões de melhorias.

4

2 Fundamentação Teórica

2.1 Contextualização

"Robô: mecanismo automático, por vezes com a configuração de um ser humano, ca-

paz de fazer movimentos e executar certos trabalhos em substituição do homem."("ROBOT",2003-2015)

"Robô: aparelho capaz de agir de maneira automática numa dada função; Autômato

com figura humana."("ROBO", 2008-2013)

A palavra robô, como a conhecemos atualmente, é muito nova se comparada a históriaque engloba seu significado. Foi inventada em meados de 1922 por Josef Copek e utilizadalogo depois numa peça de teatro, intitulada "Rossum‘s Universal Robots", por seu irmão KarelCopek. (ELETRONICA, 2014)

Robot, ou robô em português, assim como seus inventores, é de origem checa e vemdo termo robata que em checo significa trabalho duro, ou trabalho escravo. ("ROBO", 2008-2013)Os significados atribuídos à palavra atualmente, são resultados de uma história bem an-tiga, iniciada há mais de 4000 anos, na Grécia, pela necessidade de referenciar mitos que envol-viam mecanismos vivos, antes mesmo destes existirem.(MAIA, 2003)

Os mecanismos vivos sempre estiveram muito presentes na mitologia grega e eram co-nhecidos como autômatos, palavra que vem do grego "automatos"e significa "aquele que semove por si próprio".(ELETRONICA, 2014)

O povo que vivia na Grécia antiga adorava a idéia dos autômatos e, sempre que podiamcolocavam as estátuas móveis e seres animados em seus mitos e lendas. Prometeu, por exemplo,teria animado com fogo roubado do céu duas estátuas de barro, dando origem ao primeirohomem e primeira mulher da humanidade. Outro deus grego, Hefesto, teria criado os primeirosautômatos conhecidos na mitologia, duas estátuas de ouro que o ajudavam em suas atividades.

Cabe a ele também a criação dos trípodes, ou tripés com rodas de ouro (Figura 2), queeram utilizados em sua locomoção até as assembléias dos deuses.(ELETRONICA, 2014)

Capítulo 2. Fundamentação Teórica 5

Figura 2 – Trípode de Hefesto

Fonte: (ELETRONICA, 2014)

Os primeiros relatos de sistemas autômatos existentes de fato na história, também sãode origem grega, sendo provavelmente os primeiros trabalhos, os relógios de água com figurasmóveis (Figura 3) projetados pelo engenheiro grego Ctesibius (270 AC). Esses primeiros mo-delos de robôs usavam sistemas de pesos e bombas pneumáticas em seu funcionamento e nãotinham nenhuma função específica na sociedade e nem pretendiam substituir qualquer atividadeque era, até então, prestada por seres humanos, mesmo tendo a aparência muitas vezes de um.Os robôs, para o povo grego, eram feitos para contemplação, ou seja, eram sistemas artísticose muito simples. Essa falta de interesse no desenvolvimento de sistemas úteis a sociedade podeser explicada pelo excesso de mão de obra escrava que se tinha na época e pela forma simplesde se viver. Outro fator a ser levado em conta é a tecnologia muito primitiva que esse povopossuía, não sendo possível a execução de grandes trabalhos.(PIRES, 2002)

Figura 3 – Relógio de água com figura móvel

Fonte: (ELETRONICA, 2014)

Após a morte do grande engenheiro grego Ctesibius, outros grandes gênios surgirame deram continuidade as pesquisas e invenções de seu antecedente. Entre estes inventores está


Philon de Bizâncio (280 AC), também grego. Cabe a Philon a primeira invenção de um robôque fosse útil de alguma forma ao homem. O robô (Figura 4) era um sistema complexo com-posto por diversas bombas, molas, tubos e sistemas de peso que o controlavam. Sua função erabasicamente servir um copo de vinho a quem quer que fosse. Um jarro de vinho era colocadoem sua mão direita e quando um copo era colocado em sua mão esquerda, o robô era responsá-vel por servir vinho puro ou misturar este a água. Embora o robô tenha sido construído por seuinventor, não chegou a ser popularizado devido ao grande trabalho que dava para ser feito e aenorme mão de obra necessária. Dessa forma não coube a Philon a glória de mudar a historiado que hoje conhecemos como robótica, essa mudança foi provocada pelos árabes que, influen-ciados pelos estudos dos engenheiros gregos, desenvolveram grandes pesquisas a fim de incluiros robôs de vez nas atividades humanas.(MAIA, 2003)

Figura 4 – Primeiro robô com utilidade ao homem.

Fonte:(PIRES, 2002)

Com o passar dos anos, cada vez mais estudiosos se interessavam pela arte da robótica.O famoso artista Leonardo Da Vinci é um deles.

Durante seu aprendizado como pintor, Leonardo escutou de Benedetto Aritmético sobrea necessidade de máquinas que agilizassem o trabalho manual dos artistas e, curioso como era,logo desenvolveu um protótipo que moía substâncias a fim de formar as cores que eram usadasem suas telas. (ABIMAQ, 2006)

A máquina de moer foi apenas a primeira de muitas invenções de Da Vinci. O primeiroautômato humanóide documentado (1495), conhecido como “robô de Leonardo” (Figura 4),foi inspirado em suas pesquisas acerca do corpo humano, mais especificamente em sua obraintitulada de "homem vitruviano"(1490) (Figura 5). (ABIMAQ, 2006)


Figura 5 – Robô de Leonardo.

Fonte: (GABRIELE, 2011)

Figura 6 – Homem Vitruviano.

Fonte: (WIKIPEDIA, 2002)

O "robô de Leonardo"não tinha utilidade prática para os seres humanos. O autômatoapenas movia a mandíbula, os braços e alguns outros membros, sem nenhum objetivo pré-definido. O primeiro humanóide funcional só foi desenvolvido em 1738 por Jacques de Vau-canson e se tratava de um robô que tocava flauta. (ABIMAQ, 2006)

Segundo as definições da robótica moderna, o primeiro robô eletrônico é atribuído a Ni-kola Tesla. O cientista, que é muito conhecido no campo do eletromagnetismo, foi responsávelpela criação, em 1898, do "barco teleoperado". O trabalho se refere a um submarino acionadoeletricamente. O submarino recebe energia de um transmissor ou de uma bateria que permiteque o mesmo possa ser acionado e controlado remotamente. (CHILDRESS, 1993)

Após Tesla, em 1948, Grey Walter criou o primeiro robô eletrônico autômato, na Ingla-terra. (ABIMAQ, 2006)

A partir desse momento, com o desenvolvimento tecnológico cada vez maior (SOUZA,2005), surgiu um grande esforço para se automatizar, principalmente, as operações industriais(MAIA, 2003).

No final dos anos 50, uma nova etapa da evolução da robótica se deu com o desen-volvimento dos transistores. Este novo componente eletrônico veio para substituir peças muito


grandes que eram usadas anteriormente nos projetos, porém, os transistores ainda não eramsuficientemente pequenos já que os componentes tinham que ser ligados a vários fios para fun-cionar. (SOUZA, 2005)

Em 1958, outra grande evolução surgia na área da eletrônica: os Circuitos Integrados.Os CIs1, como são popularmente conhecidos, são componentes eletrônicos muito difundidosatualmente e estão presentes em praticamente qualquer equipamento eletrônico desenvolvido.Seu desenvolvimento deixou clara a possibilidade de criação de circuitos mais complexos, o quede fato aconteceu em 1970 quando a INTEL Corporation lançou o microprocessador. (FAVERO,2011)

O microprocessador é um componente de vital importância para o funcionamento geralde vários equipamentos eletrônicos. Ele é constituído por milhares de transistores que trabalhamem conjunto a fim de armazenar e manipular dados. Uma de suas funções específicas é o proces-samento de software de um computador, ou seja, toma decisões e as executa. (REBONATTO,2000)

Com o passar do tempo os microprocessadores continuaram a evoluir, passando a ter ta-manhos cada vez menores e preços também muito reduzidos. Dessa forma o componente passoua ser utilizado em sistemas embarcados, ou seja, sistemas onde o computador é completamenteencapsulado e dedicado ao dispositivo que ele controla, tendo funções preestabelecidas e bemdefinidas. Dentre os sistemas embarcados que aderiram ao uso dos microprocessadores estão osrobôs. (SOUZA, 2005)

O avanço da robótica a partir do desenvolvimento dos novos componentes eletrônicose do consequente avanço das linguagens de programação cresceu significativamente, principal-mente na indústria e embora ainda hoje a maior parte dos robôs esteja presente na área industrial,sendo estes, na grande maioria, braços industriais, nas últimas décadas, mais especificamentea partir dos anos 80, têm surgido robôs das mais diversas aplicações, muitas delas não muitoconvencionais.(SOUZA, 2005)

A robótica tem estado presente na agricultura agilizando trabalhos que antes deman-davam um tempo extremamente grande para serem executados, nas residências auxiliando ematividades domésticas ou simplesmente fazendo companhia as pessoas que ali vivem, nos hos-pitais aprimorando intervenções cirúrgicas, em zonas de risco ao ser humano como limpezasde ambientes tóxicos e trabalhos com explosivos e em diversas outras áreas, inclusive no es-paço desbravando planetas e fazendo novas descobertas. (SOUZA, 2005) Um exemplo de robôespacial é mostrado na Figura 7.1 CI: Circuito Integrado


Figura 7 – Robô espacial em Marte.

Fonte: (IG, 2012)

Seja em qual área em que a robótica atua, o que se sabe atualmente é que nunca seinvestiu tanto nessa ciência como se investe agora. O que antes eram apenas histórias de ficçãoretratada em centenas de livros e filmes tem se tornado cada vez mais real e presente na vida doser humano.

2.2 Robótica e seu estado na arte

Com o crescimento e a popularização da robótica surgiram o que são conhecidos como“robôs sociais”. Esses robôs são projetados com a finalidade de interagir com seres humanos epossuem diversas funções. Dentre elas estão tocar instrumentos musicais, dançar e jogar futebol(Figura 8). (FEI, 2014)

Figura 8 – Robôs sociais: Robô guitarrista, Robôs dançarinos e Robô jogador de futebol, res-pectivamente;

Fonte: (MIRANDA, 2013);(DIAS, 2014)

Com o desenvolvimento da robótica social, o público em geral tem se tornado cadavez mais curioso e com isso, os robôs musicais, principalmente, tem se tornado cada vez mais ofoco de pesquisa de alguns cientistas. (KAPUR, 2005) Os robôs sociais que tocam instrumentosmusicais são a base deste trabalho, assim, será dada uma ênfase maior a essa área da robótica apartir de agora.


Uma das primeiras tentativas de se dar uma tarefa inteligente e não apenas mecânicaa um robô, aconteceu em 1980 na Universidade de Waseda, onde um robô que tocava pianopassou a ser desenvolvido. O Wabot 2 (Figura 9 (a)) tinha a capacidade de ler partituras atravésde uma câmera instalada onde seria a cabeça do protótipo e também podia acompanhar alguémque cantasse ao seu lado, através de sensores sonoros instalados em sua estrutura. Com o su-cesso do projeto, depois de algum tempo, a mesma universidade criou uma série de robôs quetocavam flauta, a série WF (Figura 9 (b)). (FEI, 2014)

Figura 9 – (a)Robô Wabot2; (b)Robô da série de robôs WF, respectivamente;

Fonte: (PSON, 2007);(SOUZA, 2005)

A Toyota não ficou atrás na inovação de robôs “artistas” e, na última década, criou doisde seus mais famosos exemplares, um robô que toca trompete colocado em exposição desde2005, e um segundo que toca violino, criado no final de 2007 (Figura 10). (FEI, 2014)

Figura 10 – Robôs musicais da Toyota;

Fonte: (RESPONSEJP, 2007)

Mais recentemente, em 2012, o famoso pianista clássico italiano Roberto Prosseda lan-çou um projeto de concertos com o robô Teo Tronico (Figura 11). Teo, como é chamado na Itália,foi construído pelo engenheiro Matteo Suzzi em Imola e pode desempenhar qualquer peça depiano com seus 53 dedos que são capazes de executar 43,2 notas por segundo. (GLOBO, 2013)


Figura 11 – Robô Teo Trônico.

Fonte: (GLOBO, 2013)

Nos concertos com Roberto, o robô tem várias funções. Pode ser ligado a um pianoeletrônico e apenas reproduzir o que o pianista humano está tocando nos bastidores ou é capazde executar partituras sozinho, nota por nota. O robô também é capaz de falar, em qualqueridioma, através de leitura de arquivos do Word ou apenas por dublagem, o que proporciona umcharme a mais em seus concertos. (ARTISTS, 2013)

Em 2013, surgiu na Alemanha uma banda de heavy metal formada apenas por robôs, umtrio mais especificamente. A banda Compressorhead (Figura 12) tem seu desempenho contro-lado por MIDI2 válvulas eletro pneumáticas e é muito famosa não apenas por ser uma banda derobôs, mas também por se dizer superior as bandas formadas por humanos uma vez que podemtocar qualquer música proposta sem erros. (HONAN, 2013)

Figura 12 – Banda Compressorhead;

Fonte: (MIRANDA, 2013)

2 MIDI: Musical Instrument Digital Interface ou Interface Digital para Instrumentos Musicais


Se tratando de precisão, sem dúvida os robôs musicais se mostram mais eficientes queos seres humanos, porém, se tratando de uma arte, como é a música, a precisão não é tãocontemplada quanto a beleza e quando se trata deste último o ser humano é imbatível. Asmáquinas, por mais eficientes que sejam ainda não se tornaram capazes de colocar emoção esentimento no que executam e é aí que está a grande diferença entre homem e máquina e porisso um robô não pode ser comparado a um ser humano, ainda.

2.3 Próteses Antropomórficas

Proteses nada mais são que dispositivos artificiais cujo objetivo principal é substituir ummembro ausente.

Esses dispositivos tem suas primeiras referências datadas em 500 a.C e seus primeirosmodelos físicos desenvolvidos a partir do século XV.

O grande avanço no desenvolvimento de próteses se deu após a II Guerra Mundial,devido a enorme quantidade de pessoas mutiladas durante os confrontos. Essse desenvolvimentonão estagnou e, atualmente, diversas pesquisas relacionadas a prótótipos mecânicos então emdesenvolvimento. (CAMARGO, 2008)

A classificação dos dispositivos pode se dar de acordo com vários parâmetros, como onível de amputação, fonte de energia e capacidade funcional. Dentro das classificações gerais,ainda existem as subdivisões, como é o caso das próteses passavias ou próteses ativas.(CAMARGO,2008)

As próteses passivas bão realizam movimento algum. Existem com o único objetivo oreestabelecimento do aspecto estético do corpo humano. Já as próteses ativas possuem mobi-lidade e movimentos que são controlados de alguma maneira por seu usuário. (CAMARGO,2008) É nesse último modelo que este trabalho está baseado.

O desenvolvimento de mão mecânicas visam, em sua maioria, melhorar a qualidadede vida de pessoas que, de alguma maneira, perderam a capacidade de executar determinadasfunções com o membro. Pela mão ser um dos mais complexos membros do corpo humano, odesenvolvimento de um modelo mecânico baseado na mesma envolve vários desafios, desdetecnológicos, morfológicos, pscicológicos até financeiros (POLIS, 2009), o que faz com asmãos mecânicas se transformem em artigo de luxo para a maioria da população. A Figura 13mostra um protótipo de mão mecânica ainda em desenvolvimento.


Figura 13 – Protótipo de mão mecânica em desenvolvimento;

Fonte:(FERNANDES et al., 2015)

2.4 Sistemas de Controle

"Um sistema de controle é uma interconexão de componentes formando uma configu-ração de sistema que produzirá uma resposta desejada".(DORF; BISHOP, 2001) Ou seja, é umconjunto formado por um sistema a ser controlado e seu controlador.(UFRN, 2003)

Existem dois tipos de sistemas de controle:

∙ Sistema de controle a malha aberta (Figura 14);

∙ Sistema de controle a malha fechada (Figura 15).

A principal diferença entre eles é que, no primeiro, a saída do sistema não possui in-fluência alguma sobre a entrada, enquanto que no segundo isso acontece.(UFRN, 2003)


Figura 14 – Sistema de controle a malha aberta;

Fonte:(UFRN, 2003)

Figura 15 – Sistema de controle a malha fechada;

Fonte:(UFRN, 2003)

Os sistemas de malha aberta,não tem sua saída medida ou realimentada e, por isso,são mais fáceis de ser elaborados e mais baratos também. Estes sistemas são normalmenteempregados onde a relação entre entrada e saída é conhecida e onde grandes distúrbios nãoacontecem.(TEIXEIRA; ASSUNCAO, 2013)

2.5 Sistemas Embarcados

Com a ascensão da indústria eletrônica nos últimos tempos, sistemas de computação setornaram cada vez mais presentes no cotidiano das pessoas e, com isso, temos cada vez maisuma evolução na eficiência e na qualidade dos produtos finais, o que tornou o projeto dessessistemas mais complexos e dasafiadores.(CAVALCANTE, 1999)

Os sistemas embarcados surgem a fim de, segundo (CUNHA, 2007), "colocar capa-cidade computacional dentro de um circuito integrado, equipamento ou sistema". Porém, aocontrário dos computadores em geral, sistemas embarcados são desenvolvidos para aplicaçõesespecíficas, sendo um sistema completo e independente que realiza apenas uma determinada ta-refa.(SPERANDIO"NETO, 2015) Tem como característica principal o fato de manipular dadosdentro de sistemas maiores e não pode ter sua função alterada pelo usuário do produto em quese encontra, este pode apenas alterar a maneira como o sistema irá se comportar. (SANTOS,2007) Assim, são sistemas limitados, com restrição de memória e tamanho e que, geralmente,estão embutidos em outros produtos.(GALLASSI, 2011)


Para que o usuário final consiga interagir com o sistema embarcado desenvolvido, in-terfaces podem ser criadas pelos desenvolvedores dos mesmos. Essa interface pode ser maissimples, com a utilização de botões e LEDs3, ou complexas, com utilização de tecnologia Touch

Screen4. (GERMANO, 2011)A comunicação do sistema com a interface, ou qualquer meio externo se dá através de

periféricos. Entre os mais comuns estão:

∙ LEDs;

∙ Interface serial (RS232);

∙ Entrada de dados através de teclas.

Em sistemas embarcados, é comum a utilização de microcontroladores ao invés de mi-croprocessadores que são muito utilizados nos computadores. Isso se deve ao fato de os primei-ros possuírem diversos periféricos integrados ao mesmo chip, o que simplifica o desenvolvi-mento do sistema final, e também ao fato de os microcontroladores possuírem grande variedadede arquiteturas disponíveis no mercado, tais como ARM, PIC, Atmel AVR e 8051. Neste tra-balho será dado ênfase nos microcontroladores PIC18F452 da Microchip e no Atmega328 daAtmel AVR.

2.6 Microcontroladores

Figura 16 – Esquema de um microcontrolador;

Fonte:(RENIDO; TRINDADE, 2013)

Um microcontrolador, como o esquematizado na Figura 16, reúne, em um único chip,diversos periféricos que são utilizados para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos emgeral.(SILVAIIJR, 2013) É, resumidamente, um computador encapsulado que, segundo (RE-NIDO; TRINDADE, 2013), contém internamente os seguintes dispositivos:3 LED: Diodo Emissor de Luz;4 Touch Screen: Tela sensível ao toque


∙ CPU5 com finalidade de interpretar as instruções de programa;

∙ Memória PROM6 onde são gravadas as instruções do programa;

∙ Memória RAM7 utilizada para memorizar as variáveis utilizadas pelo programa;

∙ Um conjunto de portas de entrada e saída, I/O8, para controlar dispositivos externos oureceber impulsos de sensores;

∙ Dispositivos auxiliares ao funcionamento como: gerador de clock, contadores, USART9

para comunicação, etc.

Para a utilização de um microcontrolador, o desenvolvimento de um programa responsá-vel pelo controle de determinado processo se faz necessário. Esse procedimento será detalhadonas seções seguintes, entretanto, além dele, um hardware também é utilizado para a integraçãodo chip com o meio externo, adaptando seus níveis de tensão e corrente. Porém, para aplicaçõesonde esses níveis estão próximos aos nominais dos microcontroladores utilizados, seus pinosde I/O podem ser interligados diretamente ao sistema que será controlado.(MELO, 2011)

Atualmente, existem diversos tipos de microcontroladores no mercado brasileiro e essessão facilmente encontrados a custos cada vez mais baixos. As diferenças entre um e outro ficampor conta da capacidade de processamento, diversidade de periféricos e quantidades de portasdisponíveis para as diversas aplicações possíveis com a utilização desses chips. (SPERAN-DIO"NETO, 2015) Os principais fabricantes de microcontroladores, na atualidade, são: Intel,Ziglog, National, Microchip, Motorola e Analog Devices. Porém, além dessas, várias outraspodem ser encontradas.(RENIDO; TRINDADE, 2013)

2.7 Linguagem C

Quanto mais complexa a atividade que um microcontrolador irá exercer, mais complexaé também sua programação.

Antigamente, com o surgimento dos dispositivos controlados, os programas que con-trolavam os mesmos eram desenvolvidos no chamado código de máquina. Essa estrutura delinguagem para programação é muito complexa, o que faz com que o desenvolvimento de umprojeto se torne extremante caro e demorado, prejudicando assim todo o projeto.(PEREIRA,2003)

Com o desenvolvimento da computação e também da tecnologia, foi inevitável o apri-moramento das formas de programação dos microcontroladores, e foi com esse avanço que5 Central Processor Unit ou Unidade de Processamento Central;6 PROM: Programmable Read Only Memory ou Memória Programável Somente de Leitura7 RAM: Random Access Memory ou Memória de Acesso Aleatório8 I/O: Input/Output ou Entrada/Saída9 USART: Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter ou Transmissor/Receptor Universal Sín-

crono e Assíncrono


surgiu uma forma muito mais simples de se escrever códigos de máquina: a linguagem. Assem-

bly.(PEREIRA, 2003)A linguagem Assembly surge a fim de facilitar a escrita das intruções de máquina a serem

gravadas nos microcontroladores. Com ela o programador utiliza de uma linguagem textual paraescrever um programa e essa linguagem, posteriormente é convertida em código de máquinapara ser transferida ao microcontrolador.

Embora o surgimento da linguagem Assembly tenha facilitado muito a vida dos progra-madores, essa é hoje considerada uma das formas mais complicadas de programação.(PEREIRA,2003)

Foi pensando em se desvencilhar das dificuldades impostas pela linguagem Assembly,que na década de 50 foi desenvolvida a linguagem FORTRAN10, o que permitiu o desenvol-vimento de diversos outros modelos de linguagem de programação, dentre eles a LinguagemC.

A linguagem C foi criada na década de 70 por Brian Kirnighan e Denis M. Ritchie(MELO,2011) e é uma linguagem estruturada, ou seja, consegue separar as informações que serão ne-cessárias para se realizar uma tarefa específica em diferentes seções.(SCHILDT, 1996) É umalinuagem extremamente flexível e se adapta ao desenvolvimento de qualquer projeto, seja eleum sistema operacional, uma interface gráfica ou outro qualquer.(DAMAS, 2007)

Normalmente, para desenvolvimento de uma aplicação com linguagem C, são neces-sárias 4 etapas de desenvolvimento (DAMAS, 2007), são elas: elaboração do código fonte,compilação do programa, "linkagem"dos objetos e execução do programa.

∙ Elaboração do código fonte: é a escrita, pelo programadar, do código de instruções queserá gravado no microcontrolador a fim de estabelecer as atividades a serem realizadaspelo sistema final;

∙ Compilação do programa: é a correção da escrita do código fonte por meio de um com-pilador. A maioria dos compiladores atuais executa essa correção através do mesmo pro-grama em que se cria o código fonte, facilitando assim o desenvolvimento do projetofinal. Quando o código passa por essa etapa de correção e nenhum erro é detectado, ocompilador gera um arquivo objeto que será utilizado numa próxima etapa do desenvol-vimento;

∙ "Linkagem"dos objetos: é a criação de um arquivo executável a partir do arquivo objetocriado previamente. Permite juntar diferentes arquivos objeto num único executável;

∙ Execução do programa: é a execução do arquivo executável criado previamete a fim dever na prática se o código fonte criado pelo programador funciona conforme o esperado.

Uma das principais vantagens de se programar em C é a simplicidade de sua sintaxe.Um programa pode ser transferido de uma aplicação a outra com ajustes simples e o tempo de10 FORTRAN: Formula Translator ou Tradutor de Fórmulas


elaboração de um projeto com a linguagem C é extremamente reduzido, o que a torna aindamais interessante.(DAMAS, 2007)

2.8 Arduino

O Arduino teve seu início em 2005, na Itália, quando um grupo de educadores percebeua necessidade de baixar os custos de materiais envolvendo o aprendizado de hardware. Alémde baixar o custo, o grupo usou a dificuldade de seus alunos com as linguagens de programaçãoque as plataformas de prototipagem usadas até então apresentavam e passaram a desenvolveruma placa que tivesse uma programação mais didática.(RENNA et al., 2013)

A primeira placa desenvolvida apresentava o conceito de o software e hardware livres,ou seja, seu design físico, componentes estruturais, código fonte e software eram liberadosao público que tinha a liberdade de estudar, adaptar e redistribuir cópias do programa semnecessidade de permissão. Esse conceito permanece até hoje em todas as plataformas que levamo nome Arduino.(ARDUINO,2014)

Desde 2005, a plataforma já sofreu várias modificações. No início de sua utilização, asmodificações eram realizadas mais frequentemente por cientistas e pesquisadores que queriamtornar o projeto mais leve, mais acessível e mais barato. Entretanto, por ser uma plataformade desenvolvimento aberto, não demorou para que pessoas, sem conhecimento específico emeletrônica, passassem a realizar suas próprias modificações e aprimoramentos na placa que hojeé tão conhecida e utilizada.(SUSTENTAVEL, 2011)

Desde o lançamento do primeiro Arduino, mais de 150.000 plataformas com o mesmonome e mais de 350.000 clones foram vendidos, ou seja, mais de meio milhão de placas já foramcomercializadas. Vale lembrar que as placas clonadas para uso pessoal e não comercializadasnão fazem parte dessa contagem, sendo o número de protótipos em uso provavelmente muitosuperior a meio milhão.(MCROBERTS, 2011)

Atualmente, a plataforma está bastante evoluída e pode ser utilizada para desenvolverprojetos interativos independentes. Também pode ser conectada a um computador a fim de secomunicar com aplicativos como Adobe, Flash, Processing e muitos outros.(RENNA et al.,2013)

Segundo um estudo realizado por várias instituições de engenharia no ano de 2013 noRio de Janeiro:

“O Arduino é um kit de desenvolvimento, que pode ser visto como uma unidade deprocessamento capaz de mensurar variáveis do ambiente externo, transformadas em um sinalelétrico correspondente, através de sensores ligados aos seus terminais de entrada. De posse dainformação, ele pode processá-la computacionalmente. Porém, ele pode ainda atuar no controleou no acionamento de algum outro elemento eletro-eletrônico conectado ao terminal de saída.”(RENNA et al., 2013)


O equipamento é uma plataforma física de prototipagem eletrônica que pode ser pro-gramada através de uma linguagem de programação similar a das linguagens C e C++ a fimde processar sinais de entrada e saída. Essa característica faz com que a plataforma possa serutilizada para funções diferentes e também possa ser reprogramada dando uma função nova aoequipamento.(RENNA et al., 2013)(MCROBERTS, 2011)

Para realizar a programação de um Arduino, é necessária a utilização de sua IDE11

(Figura 17), que nada mais é que um software onde o código de programação é escrito e tambémé o meio pelo qual é realizado o upload (envio da programação para a placa) do mesmo códigopara a placa que, por fim, executa as instruções definidas.(RENNA et al., 2013)

Figura 17 – IDE do Arduino

Fonte: Próprio Autor

A placa pode ser conectada a componentes externos como servos motores, LEDs, dis-

plays, sensores ou qualquer outro equipamento capaz de ser controlado ou capaz de emitirdados. Possui como uma de suas principais vantagens, depois do baixo custo e facilidade deprogramação, o fato de ser compatível com vários sistemas operacionais como o Windows,Linux e Mac OS, o que normalmente não é possível quando outras plataformas são utiliza-das.(LEMOS, 2013)

Existem diversos modelos de placas Arduino e todos eles são compostos por um osci-lador ou cristal, um regulador de tensão linear de 5 volts e um microprocessador Atmel quetem seus pinos de entrada e saída expostos.(RENNA et al., 2013) No site oficial da placa, 12modelos diferentes (Figura 18) estão disponíveis para análise.11 Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado


Figura 18 – Diferentes modelos de placa Arduino. Respectivamete da esquerda para direita ede cima para baixo: Arduino UNO, Arduino 101, Arduino PRO, LilyPad ArduinoSimple, Arduino Mega, Arduino Zero, Arduino DUE, LilyPad Arduino Simple,Arduino YÚN, Arduino Gemma, LilyPad Arduino USB e LilyPad Arduino SimpleSnap;

Fonte: (ARDUINO, 2015)

2.9 PIC

PIC é o nome dado pela Microchip aos seus microcontroladores. Como já explicado,nada mais são que circuitos integrados que contém em seu interior todos os circuitos necessáriospara se desenvolver um sistema controlado.(ANTONIO, 2006)

Tem como uma das principais características a estrutura Harvard, que apresenta barra-mentos separados para dados e instruções e, por se tratar de um dispositivo programável, neces-sita de um programa desenvolvido por um programador, a fim de poder receber as instruçõesnecessárias para a execução de uma aplicação final.

Atualmente existem diversos compiladores pera o desenvolvimento de programas demicrocontroladores e, para o PIC, foram criados programas específicos, como é o caso do Mi-

kroC. (MELO, 2011)

2.9.1 MikroC

Segundo o manual do usuário do software MikroC, este "é um compilador para 5 tiposdeiferentes de arquiteturas de microcontroladores. Dispõe de IDE, esquematizada na Figura19,muito simples e intuitivo, poderoso compilador com avançadas otimizações, muitas bibliotecase várias feramentas adicionais". (ELEKTRONICA, 2003-2009)


Figura 19 – IDE do compilador MikroC;

Fonte:Próprio autor

2.9.2 PIC 18F452

Figura 20 – Esquema da pinagem do PIC 18F452;

Fonte:(MICROCHIP, 2014)

O PIC 18F452, que tem seu esquema mostrado na Figura 20 possui 40 pinos e cincoPORTs: PORTA, PORTB, PORTC, PORTD e PORTE. Cada uma delas possui pinos com acesso


aos periféricos do microcontrolador como conversores, UART12, portas I/O de uso geral ouvários outros.

Segundo seu datasheet, anexo a este trabalho, o PIC18F452, exemplificado na Figura19, possui as seguintes características, além das citadas até aqui:

∙ Até 34 pinos I/O;

∙ Memória FLASH de 32K bytes;

∙ Memória RAM de 1536 bytes;

∙ Memória EEPROM13 de 256 bytes;

∙ Até 10MIPs14;

∙ 8 canais convesores Analógico para Digital (A/D15) de 10 bits;

∙ 2 módulos CCP16

∙ Módulo MSSP17

∙ Módulo USART que suporta RS-485 e RS-232;

∙ Até 100.000 ciclos de escrita/leitura na memória FLASH;

∙ Até 1.000.000 de ciclos de escrita/leitura na memória EEPROM;

∙ Retenção dos dados na memória por até 40 anos;

∙ Possibilita habilitação do Watchdog Timer;

∙ Possibilita interrupção externa através de pinos do microcontrolador;

∙ 4 Temporizadores/Contadores;

∙ Tensão de operação entre 2 e 5,5V.

O microcontrolador é compatível com os PICs PIC16C5X, PIC12CXXX, PIC16CXXe PIC17CXX o que torna muito simples a migração do código fonte de um para outro e pos-sui como principais diferenças, entre ele e seus atecessores, sua capacidade de memória e seunúmero de pinos que são maiores.12 UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ou Transmissor/Receptor Universal Assíncrono13 EEPROM: Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory ou Memória Somente de Leitura Progra-

mável Apagável Eletricamente14 MIPS: Milhões de Instruções Por segundo;15 A/D: Analógico/Digital;16 CCP: Capture, compare, PWM ou Captura, Compara e PWM17 MSSP: Master Synchronous Serial Port ou Porta Serial Sincrona Mestre;


2.10 Processing

Processing é um software que surgiu em 2001 e tem como principal função o desenvol-vimento de aplicações relacionadas as artes visuais, como interfaces gráficas.(PROCESSING,2015)

Tem como base a linguagem de programação Java, que surgiu na década de 90, e é umsoftware open source, ou seja, tem sua disponibilização gratuíta e várias aplicações disponíveispara reprodução. O softaware é disponilizado nas versões para Windows, Mac e Linux e é cadavez mais usado por programadores sem muita experiência.

A linguagem do Processing é muito fácil de aprender, o que o torna excelente para apli-cações didáticas. Além disso, sua área de desenvolvimento é muito simples e muito intuitiva,tornando o desenvolvimento das aplicações finais mais rápidas e eficientes. A IDE do Proces-sing é mostrada na Figura 21.

Figura 21 – Ambiente de desenvolvimento do Processing;


2.11 Servo Motor

Cerca de 40 anos antes de Cristo, ao esfregar um fóssil em um pedaço de pano, Talesde Mileto percebeu que este era capaz de atrair pequenos corpos. Depois de muitos anos, em1660, William Gilbert percebeu que o fenômeno podia ser causado por diversos materiais aoserem friccionados. Depois disso, em 1663, o alemão Otto Von Guericke foi capaz de construiro primeiro equipamento capaz de converter energia mecânica em energia elétrica e no século


XVIII foi verificado que o contrário também era possível. Surgiram então as máquinas elétri-cas.(SOUZA et al., 2009)

Máquinas elétricas são, por definição, dispositivos que fazem conversão eletromecânicade energia. São chamadas de motores elétricos quando a conversão é feita da energia mecânicapara a elétrica, geradores elétricos quando é feita da energia elétrica para a mecânica e trans-formadores elétricos quando a conversão de energia é a fim de se adaptar tensões.(SEIXAS;FERNANDES, 2012)

Existem basicamente três tipos de máquinas elétricas: as máquinas de coletor, as má-quinas assíncronas e as máquinas síncronas. As máquinas síncronas, utilizadas neste trabalho,apresentam velocidade de rotação proporcional à frequencia da rede a qual está ligada e não pos-suem torque de partida, sendo muito utilizadas como geradores. As máquinas assíncronas, oude indução como também são conhecidas, trabalham na maioria das aplicações como motoreselétricos e são chamadas assim por apresentar velocidade de rotação sempre menor à velocidadedo campo magnético criado pela rede elétrica sobre a mesma. Por fim, as máquinas de coletortrabalham com grande variação de velocidade sendo utilizadas igualmente nas aplicações comomotores ou geradores, são também o tipo mais caro das máquinas elétricas. (SEIXAS; FER-NANDES, 2012) Todas elas, no geral, são classificadas em dois grandes grupos: máquinas decorrente contínua (CC18) e máquinas de corrente alternada (CA)19.

Neste trabalho o estudo se restringirá a um tipo específico de máquina elétrica: o servomotor.

Servos motores são máquinas elétricas que convertem energia elétrica em energia mecâ-nica e tem como característica principal a precisão de posicionamento de seu eixo. (SANTOS,2007) Essas máquinas possuem sistemas de controle interno e por terem tamanhos reduzidossão muito utilizadas em aplicações didáticas, robótica e diversas outras aplicações cotidianas.

A partir da Segunda Guerra Mundial, com a necessidade cada vez maior do desen-volvimento de novas máquinas para suprir as necessidades causadas pelo grande aumento daindústria, os servo motores passaram a ser largamente utilizados. Devido a sua grande precisão ea boa dinâmica, esses motores passaram a ser utilizados principalmente, para fazer o retrofitting

dos maquinários das grandes fábricas. (BRAGA, 2015)Atualmente existem vários tipos de servos motores disponíveis no mercado. São eles:

servo motor assíncrono de corrente alternada, servo motor síncrono de corrente alternada, servomotor síncrono de corrente continua (utilizado neste trabalho), servo motor de passo, servomotor de relutância chaveada e servo motor de indução.(MATOS, 2012) Embora há algunsanos os mais utilizados eram os do tipo AC, esses foram sendo substituídos pelo CC devido afacilidade de controle que esses motores apresentam. Mais recentemente a inversão entre servomotores CC por AC vem novamente acontecendo, porém, os CC ainda ocupam, em larga escala,as aplicações nos mais diversos tipos de sistemas e serão eles o foco deste estudo.(KUO, 1996)18 CC: Corrente Contínua;19 CA: Corrente Alternada;


Servos motores de corrente contínua são classificados em categorias. (Figura 22) Cadacategoria corresponde a um tamanho diferente de motor. São elas:

∙ Jumbo: São os servos motores mais pesados. Pesam cerca de 200 gramas;

∙ Large: Pesam cerca de 120 gramas;

∙ Monster: Mais leve que os servos motores já citados. Pesam cerca de 77 gramas;

∙ Standard: São os mais comuns dos servos motores. Pesam cerca de 36 gramas;

∙ Mini: Não são muito utilizadospois podem, facilmente, ser substituídos por um servomotor micro que é menor. Pesam entre 20 e 28 gramas;

∙ Micro: Estão entre os motores mais utilizados em robótica. Pesam entre 6 e 20 gramas,possuem um bom torque e um tamanho muito reduzido;

∙ Pico: Estão entre os menores servo motores existentes. São utilizados onde a leveza noprojeto é algo essencial.

Figura 22 – Da direita para a esquerda, servo motor jumbo, large, monster, standard, mini, microe pico;

Fonte: (PICTRONICS, 2010)

2.11.1 Funcionamento de um Servo Motor

Um servo motor possui um potenciômetro que possibilita a um sistema de controleinterno o monitoramento do seu eixo de saída. O sistema de controle de um servo, como épopularmente chamado, é um sistema em malha fechada, ou seja, analisa a saída a fim de seestabelecer uma nova entrada. No caso do servo motor, a saída é a posição em que o eixo seencontra. Se o eixo estiver em um ângulo diferente do determinado, o motor é ativado até que oeixo se encontre na posição correta.(SANTOS, 2007)

Para entender o funcionamento de um servo motor, primeiro é necessário entender cadaparte que compõe essa máquina elétrica. São elas: potenciômetro, circuito de controle, motor,caixa do servo e engrenagens. (Figura 23)


Figura 23 – Partes de um servomotor;

Fonte: (SANTOS, 2007)

∙ Potenciômetro: é um componente elétrico utilizado em aplicações que precisam ter suaresistência elétrica constantemente alterada. É muito utilizado para medir posição, dire-ção, corrente e outros parâmetros. O valor da resistência elétrica de um potenciômetropode ser ajustado através de um cursor que está ligado a um resistor fixo conectado a doisterminais (Figura 24). Conforme o cursor se movimenta, o valor da resistência elétricamedida entre um dos terminais e o cursor também se altera. No servo motor, o potenciô-metro é utilizado a fim de monitorar a posição do eixo de saída do mesmo;

Figura 24 – Esquema de um Potenciômetro;

Fonte: (REIS, 2009)

∙ Circuito de Controle: Nos servos motores o circuito de controle vem encapsulado naforma de um circuito integrado. Esse circuito é responsável por receber os sinais e ener-gia de um receptor e também é ele que controla o posicionamento do eixo do servo motoratravés do valor da resistência elétrica do potenciômetro. O circuito de controle é o res-ponsável por ativar, ou não, o motor do servo motor a fim de ajustar o posicionamento deseu eixo;

∙ Motor: Converte energia elétrica em energia mecânica. Cabe ao motor a responsabili-dade do mover as engrenagens e o eixo principal do servo motor. Como este trabalhose restringe ao uso de motores CC, a partir de agora vamos nos deter a ele. Um motor


de corrente contínua deve ser alimentado com tensão contínua. Essa tensão é fornecidadesde pilhas, no caso de motores pequenos, ou através da retificação da tensão alternadaproveniente da rede elétrica, no caso de motores maiores;

∙ Engrenagens: São rodas com dentes que, em conjunto, transmitem o movimento e a forçaaplicada de um eixo à outro eixo. Na maioria das aplicações elas são usadas a fim dealterar o sentido de rotação e o número de rotações de um eixo para o outro. No servomotor as engrenagens são responsáveis por diminuir a velocidade de rotação do motor efornecer força ao eixo de saída movendo o mesmo junto com o potenciômetro;

∙ Caixa do servo: É a estrutura, normalmente plástica, responsável por comportar e protegertodos os outros elementos já citados.

Como já foi citado anteriormente neste trabalho, os servo motores de corrente contínuanecessitam de uma fonte contínua de energia para funcionar. Essa energia chega ao servo motoratravés de cabos conectores que são dispostos de forma padronizada pela grande maioria deseus fabricantes. A Figura 25 mostra três maneiras, constantemente utilizadas pelos fabrican-tes, de dispor os cabos nos conectores. Os cabos de cor preta ou marrom são, por convenção,destinados a polaridade negativa do circuito eletrônico, os cabos de cor vermelha são destinadosa polaridade positiva do circuito e o terceiro cabo, de cor diferente dos demais, é o cabo de si-nal de controle. Os cabos são dispostos nessa ordem: polaridade negativa, polaridade positiva esinal na grande maioria dos conectores produzidos. A única empresa fabricante que foge a essepadrão é a Airtronics que segue a seguinte ordem e cores para os cabos: preto ou branco parasinal de controle, preto para polaridade negativa e vermelha para polaridade negativa (Figura26).

Figura 25 – Modelos de conectores mais disponíveis no mercado: Futaba, Hitec e JR Radiesrespectivamente.



Figura 26 – Modelo de conector da empresa Airtronics;


Em todos os conectores, o cabo de sinal é responsável pelo recebimento de um sinal depulso PWM20 de 0 ou 5 volts e a duração de cada pulso é o que determina a posição do eixodo servo motor (Figura 27). O sinal PWM é transmitido pelo cabo de sinal até o circuito decontrole do servo motor que monitora o sinal de pulso em intervalos de 20 ms. Se o sinal mudarde 0 volts para 5 volts e permanecer em 5 volts por um tempo de 1 ms o circuito de controlealtera a posição do eixo e o ajusta em 0 graus, se o tempo de permanência em 5 volts for de1,5 ms, o ângulo do eixo do servo motor é ajustado para 90 graus, por fim, caso o tempo depermanência em 5 volts seja de 2 ms, o eixo é ajustado a 180 graus.

Figura 27 – Largura de pulsos para acionamento de servo motores;


O eixo do servo motor é acoplado a um potenciômetro que tem o valor de sua resistênciaalterado conforme as posições possíveis para o mesmo (0, 90 e 180 graus). Assim, cada valorde resistência corresponde a uma angulação diferente do eixo principal do servo, possibilitandoque o sistema de controle reconheça onde o eixo se encontra a fim de corrigir seu posiciona-20 Pulse Width Modulation ou Modulação por largura de Pulso


mento caso seja requisitado pelo sinal PWM. A rotação do eixo é realizada pelo motor CC quetem sua direção de rotação definida pela distância que o eixo principal se encontra do seu des-tino requisitado, o percurso a ser percorrido será sempre o menor possível. Na Figura 27, porexemplo, se o eixo do servo motor estiver posicionado em um ângulo de 90 graus e o sistema decontrole receber um pulso PWM de 1ms solicitando que o eixo vá para a posição equivalente a0 graus, o motor girará em sentido anti horário, mas se o sistema de controle receber um pulsoPWM com duração de 2ms, solicitando que o eixo vá para a posição equivalente a 180 graus, omotor irá girar em sentido horário.

Na execução deste trabalho o servo motor escolhido foi o Micro Servo 9g SG90 Tower-

Pro (Figura 28), que custa em média 4,7 dólares, e a partir de agora o trabalho vai se deter a esteservo motor especificamente. Este é uma máquina síncrona de corrente contínua muito indicado,por seu próprio fabricante, para aplicações em aeromodelismo ou em projetos de robótica comArduino, PIC ou outras plataformas. Estes motores são capazes de mover seus braços até umaposição e mantê-los lá, mesmo que uma força contrária seja aplicada sobre os mesmos. Em-bora, originalmente, esses motores tenham uma capacidade de giro de apenas 180 graus, comalgumas modificações em sua estrutura essa capacidade pode chegar a 360 graus, modificaçãoesta que não é executada neste trabalho.

Figura 28 – Micro Servo 9g SG90 TowerPro;

Fonte: (PRO, 2014)

Para obter controle sobre o servo motor, uma plataforma de prototipagem eletrônica sefez necessária. Entre as plataformas mais comuns dos dias de hoje três modelos de destacam,são eles: Arduíno, BeagleBone e RaspberryPi. (Figura 29) Dentre os modelos, o Arduino é oque mais se destaca no Brasil devido, principalmente, ao preço e a disponibilidade no mer-cado. Realizando uma pesquisa de preço entre os três modelos os valores médios, em reais,estabelecidos são de 50 para o Arduino, 280 para o BeagleBone e 210 para o RaspberryPi. Poresse motivo e pela facilidade de programação que a plataforma apresenta o modelo usado nestetrabalho é o Arduino.


Figura 29 – Plataformas de prototipagem eletrônica Arduíno, BeagleBone e RaspberryPi res-pectivamente;

Fonte: (FIM, 2013)

2.12 Transistores Bipolares de Junção

O primeiro transistor teve seu funcionamento demonstrado no dia 23 de dezembro de1947, por Walter H. Bratlain e John Bardeen.(BOYLESTAD; NASHELSKY, 1999)

Um transistor é um dispositivo semicondutor, que possui três terminais, normalmenteindicados pelas letras E, B e C, que significam emissor, base e coletor respectivamente. O dis-positivo é usualmente denominado por TBJ21.

Existem dois tipos distintos de TBJ, o TBJ pnp e o TBJ npn. A notação e os símbolosusuais dos mesmos são mostrados na Figura 30.

Figura 30 – Notação e simbologia usuais dos transistores pnp e npn, respectivamente;

Fonte:(BOYLESTAD; NASHELSKY, 1999)

Esses dispositivos apresentam três regiões diferentes de operação, a região de corte, aativa e a de saturação. Uma aplicação comum na utilização de transistores, é no chaveamento21 TBJ: Transistor Bipolar de Junção;


de tensão, que opera nas regiões de corte e saturação dos mesmos. Observando a Figura 31, quetem como exemplo um transistor pnp, vemos que o LED hora está aceso e hora está apagado,dependendo do valor de tensão recebida pelo terminal de base do dispositivo.

Figura 31 – Transistor pnp utilizado como chave;


Podemos facilmente observar, que ao enviar um valor baixo de tensão para o terminalde base do dispositivo, o transistor conduz corrente entre seus terminais de coletor e emissor,significando que este está na região de saturação, acendendo assim o LED amarelo. Já quandoé enviado um valor auto de tensão para o mesmo terminal, o transistor não conduz corrente,estando assim na região de corte, e o LED permanece apagado.

Os valores auto e baixo de tensão a serem enviadas ao terminal de base, são estabeleci-das pelo datasheet dos dispositivos, assim como diversos outros parâmetros que são úteis aoscálculos de uma correta polarização dos transistores, como o valor do coeficiente de ganho decorrtente (hfe), por exemplo.

Tendo como definição a Equação 2.1 e tomando como exemplo o circuito da Figura 32,os cálculos para obtenção dos valores de R2 E R1 podem ser facilmente executados.

𝐼𝑐 ≈ 𝐼𝑒 ≈ 𝐼𝑏 * ℎ𝑓𝑒 (2.1)


Figura 32 – Circuito exemplo para obtenção dos cálculos de polarização de transistores;


A partir do circuito da Figura 32, temos que:

𝐼𝑐 =𝑉 𝑐𝑐− 𝑉 𝑐𝑒− 𝑉 𝑙𝑒𝑑

𝑅1(2.2)

Tendo que Vcc equivale a 5 V e que Vce equivale a 0,3 V segundo o datasheet dotransistor escolhido, no caso o BC558, e observando a Tabela 1, temos que:

𝐼𝑐 =5 − 0, 3 − 2

𝑅1≤ 20𝑚𝐴; (2.3)

e

𝑅1 ≥ 135𝑜ℎ𝑚𝑠; (2.4)

Para este projeto delimitando R1 com valor de 1000 ohms, o que nos fornce uma cor-rence de coletor (Ic) de aproximadamente 2,7 mA.

Tabela 1 – Cor dos LEDs e suas respectivas Tensão e Corrente máximas consumidas.

LED TENSÃO [V] CORRENTE [mA]Vermelho 2,0 20Amarelo 2,0 20

Verde 2,5 20

Para obter o valor de R2 as contas não são muito mais complexas.Temos que:

𝐼𝑐 ≤ 𝐼𝑏 * ℎ𝑓𝑒; (2.5)


Pelo datasheet do transistor escolhido temos que seu hfe é de 800, assim:

𝐼𝑏 ≥ 𝐼𝑐

ℎ𝑓𝑒=

2, 7 * 10−3

800= 3, 375 * 10−6𝐴 (2.6)

Com isso, conseguimos finalmente obter o valor de R2:

𝑅2 ≤ 𝑉 𝑏𝑏− 𝑉 𝑏𝑒

𝐼𝑏(2.7)

Sabendo que Vbb é de 5 V e Vbe é de 0,7 V, obtemos o seguinte valor para R2:

𝑅2 ≤ 5 − 0, 7

3, 375 * 10−6≈ 1, 27𝑀Ω (2.8)

Dessa forma, R2 pode ser definido para qualquer valor abaixo de 1,27 mega ohms.Neste projeto definimos o valor para 4,7 k ohms.

2.13 Conclusão do capítulo

Sendo a robótica uma ciência que tem crescido a passos largos nos últimos anos, oestudo de sua história é fundamental para compreensão de como esta se encontra na atualidade,tanto em questão de desenvolvimento como em áreas possíveis para sua aplicação.

O capítulo presente apresentou a contextualização necessária para o desenvolvimentode um protótipo robótico e elaborou uma breve explicação sobre os conceitos fundamentais dospricipais elementos a serem utilizados na elaboração do projeto proposto.

Tendo uma base teórica fundamentada e bem compreendida, a próxima etapa do desen-volvimento de um protótipo se da no desenvolvimento do mesmo, sendo na parte mecânica ouna parte virtual. O próximo capítulo apresenta esse desenvolvimento e as dificuldades encon-tradas no decorrer de cada etapa.

34

3 Programação e desenvolvimento

3.1 Protótipo Inicial

Tendo em vista um projeto cujo objetivo final visa o desenvolvimento de um protótiporobótico baseado numa mão mecânica a fim de reprodução de música num piano, deu-se inícioao desenvolvimento do mesmo a partir da elaboração das funções que a mão mecânica deveriaobedecer.

Com o acionamento de 7 botões individuais, 7 hastes independentes, chamadas nestetrabalho de dedos, deveriam se mover a fim de selecionar uma tecla, cada uma, de um instru-mento musical. O instrumento escolhido foi o piano pela afinidade do projetista com o instru-mento e pela estrutura física do mesmo, que possibilita um melhor controle de sua reproduçãosonora.

Para estabelecer o movimento das hastes do protótipo, micro servo motores foram sele-cionados. A escolha desse tipo de motor se deu pela facilidade de controle que o mesmo tem.O fato de um servo motor apresentar rotação máxima de 180 graus não acarretou em problemasao desenvolvimento do projeto, sendo que o mesmo só necessitaria de uma rotação entre 0 e 30graus, no máximo, para atingir o objetivo final. Os micro servo motores utilizados para o de-senvolvimento deste trabalho são os Micro Servo 9g SG90 da TowerPro, que tem um exemploesquematizado na Figura 26.

As características gerais desse motor são mostradas na Tabela 2:

Tabela 2 – Característica gerais do Micro Servo 9g SG90 da TowerPro

CARACTERÍSTICA DESCRIÇÃOTensão de Operação 3,0 - 7,2VÂngulo de Rotação 0 - 180 graus

Velocidade 0,12 seg/60 grausTorque 1,2 kg.cm(4,8V) e 1,6 kg.cm (6,0V)

Temperatura de Operação -30 - 60 graus CelciusTipo de Engrenagem Nylon

Tamanho cabo 245mmDimensões 32 x 30 x 12mm

Peso 9gCorrente de Operação 0,1 - 1,2A

Para estabelecer o controle dos servo motores, icicialmente, foi escolhida a plataformade prototipagem eletrônica Arduino UNO R3. A plataforma foi escolhida devido a sua simpli-cidade de implementação e seu baixo custo.

O Arduino UNO é uma das placas mais utilizadas da marca e possui a vantagem deter um módulo USB integrado a placa, o que facilita sua programação. A placa é controlada

Capítulo 3. Programação e desenvolvimento 35

pelo microcontroloador ATmega328 e possui 14 pinos I/O digitais - sendo que 6 podem serusados como saída PWM -, 6 entradas analógicas, botão de reset, pino de conexão para alimen-tação externa e resonador cerâmico de 16 MHz(ARDUINO, 2015). A placa Arduino UNO R3é mostrada na Figura 33 e suas características principais são descritas na Tabela 3.

Figura 33 – Placa Arduino UNO R3;

Fonte:(ARDUINO, 2015)

Tabela 3 – Característica gerais do Arduino UNO R3

CARACTERÍSTICA DESCRIÇÃOMicrocontrolador ATmega328

Tensão de Operação 5VTensão de Entrada 7 - 12VPinos I/O digitais 14)

Pinos de Entrada Analógica 6Corrente DC por pino I/O 40mA

Corrente DC por pino 3,3V 50mAMemória Flash 32 kB

Clock 16 MHzSRAM 2 kB

EEPROM 1 kB

Após pesquisas e testes, ficou estabelecido que as hastes iriam se movimentar apenassobre um eixo coordenado. Dessa forma, foram utilizadas 7 hastes a fim de se reproduzir as 7notas musicais ( DÓ, RÉ, MI, FÁ, SOL, LÁ e SI), sem suas acidentes (bemol e sustenido), deuma única oitava.

Num primeiro momento as hastes foram confeccionadas de material plástico, utilizandocabides como matéria prima. O protótipo incial é mostrado na Figura 34.


Figura 34 – Protótipo inicial;


3.2 Programação Arduíno

O software Arduino possui área de desenvolvimento própria, como já foi descrito nestetrabalho. Dessa forma, não houve a preocupação em escolher um software para a gravação docódigo escrito na placa de prototipagem.

O código inicial foi pensando a fim de seguir, de forma simples e objetiva, os objetivosfinais do projeto, ou seja, o acionamento de 7 servo motores.

Inicialmente, foi estabelecido que o controle se daria através do acionamento de 7 botõesindependentes. Essa ideia foi descartada logo devido a ineficiência que acarretaria num projetofinal e, assim, foi definido que o acionamento dos servos se daria a partir do teclado de umcomputador, que se comunicaria através da porta serial com a placa Arduino.

Um fluxograma foi elaborado a fim de descrever o funcionamento inicial do protótipo aser criado. O mesmo é mostrado na Figura 35.


Figura 35 – Fluxograma para protótipo inicial;


O código elaborado segue a linguagem C de comunicação, e apresentou alguns proble-mas.

A comunicação pela serial aconteceu de forma correta. O grande problema se deu aoobservar a ineficiência da interface serial que o próprio software Arduino disponibiliza. A inter-face, mostrada na Figura 36, necessita que, além de pressionada a tecla no teclado do compu-tador, a tecla enter seja pressionada em seguida, para só assim o comando ser enviado a placa.Essa forma de envio, com a necessidade de duas interrupções, é extremamente ineficiente aoobjetivo final do trabalho, tornando-o extremamente lento.

Além da ineficiência da comunicação serial, alguns outros problemas foram detectados.Como o projeto contém 7 servo motores, a corrente necessária para o funcionamento do

mesmo é muito superior a fornecida pela placa Arduino. Analisando as Tabelas 2 e 3, tem-seque a corrente DC fornecida pelo Arduíno é de 50mA, enquanto a de operação do servo motorfica entre 100mA e 1,2A, dependendo do seu estado estar em repouso ou não. Dessa forma,uma fonte de energia externa precisou ser utilizada para a alimentação dos motores. No projetoinicial foram utilizadas pilhas AA, que possuem, cada uma, capacidade de tensão de 1,5V e


0,6A quando totalmente carregadas. Com isso, eram necessárias, pelo menos, três pilhas para ofuncionamento correto de cada servo motor, o que tornou o protótipo inviável.

Figura 36 – Serial Monitor - interface de envio serial do Arduino;


Além dos problemas já citados, um problema mecânico também foi observado. Coma disposição inicial dos servo motores, como exemplificado no protótipo inicial (Figura 32), 4motores se encontravam em repouso na posição de 0 graus e três na posição de 30 graus. Dessaforma, o consumo de corrente pelos três que permaneciam a maior parte do tempo em 30 graus,ou seja, acionados, era muito elevado, causando o rápido descarregamento das pilhas que osalimentavam e o superaquecimento após algum tempo de uso.

A haste plástica também se mostrou ineficiente ao projeto proposto. Quando acionadoo motor, a haste correspondente ao mesmo sofria deformações acarretando no posicionamentoincorreto ao encontrar com a tecla do piano.

Dessa forma, com todos os problemas listados, algumas implementações foram pensa-das para o protótipo inicial a fim de que o mesmo pudesse ter seu funcionamento melhorado eatingisse, assim, os objetivos reais do trabalho.

3.3 Desenvolvimento

Tendo em vista um projeto de mão mecânica eficiente, e tendo todos os problemas deum primeiro protótipo listados, uma estrutura mecânica foi desenvolvida como ponto inicial deum novo protótipo.

Um projeto de gabinete foi desenvolvido a fim de otimizar o funcionamento da mãoquando esta fosse finalizada. O projeto em questão é apresentado na Figura 37.


Figura 37 – Projeto de gabinete para protótipo final;


O gabinete é dividido em dois patamares. O patamar superior foi desenvolvido a fim dealocar os servo motores e as hastes e o patamar inferior a fim de alocar todo o circuito necessáriopara o funcionamento do protótipo final.

Além do gabinete, as hastes também sofreram modificações. Hastes de alumínio, comoas mostradas na Figura 38, foram confeccionadas a fim de obter uma maior precisão no aciona-mento das teclas de um piano. Além disso, as hastes foram confeccionadas de forma que todosos servo motores se encontrassem em repouso na posição 0 graus, eliminando, assim, o pro-blema de super aquecimento e alto consumo de corrente mencionado previamente. O gabinetedesenvolvido com os motores e as hastes fixados é apresentado na Figura 39.

Figura 38 – Hastes de alumínio;


Com o gabinete finalizado, o problema de comunicação da interface serial do Arduinocom o protótipo persistia. Para corrigir esse empecílio, uma interface gráfica foi elaborada.


Figura 39 – Gabinete para protótipo final;


3.4 Interface Gráfica

Com o auxílio do Software Processing, uma interface simples foi desenvolvida a fimde controlar o acionamento de cada servo motor independentemente e em tempo real de acio-namento, sem depender do acionamento de interrupções secundárias para o envio do comando.Inicialmente uma interface apresentando 7 círculos de cores diferentes, representando, cada um,uma tecla diferente foi criada. Uma imagem representando essa interface inicial é mostrada naFigura 40.

Figura 40 – Interface Gráfica Inicial;


Percebeu-se, porém, que a interface desenvolvida, embora obedecesse seu objetivo ini-cial de acionamento dos servos motores em tempo real, era extremanente ineficiente visual-mente, dificultando, assim, sua manipulação. Dessa forma, uma segunda interface foi desenvol-vida.


Figura 41 – Interface Gráfica Final;


A segunda interface gráfica desenvolvida tem sua imagem inicial mostrada na Figura41, e tem algumas vantagens claras em relação a primeira.

Primeiro, a interface criada se baseia num piano convencional, o que facilita a compre-ensão por parte do usuário final, do que se trata o protótipo. Depois, pode-se observar que emcada tecla do piano, criada na interface, há a presença de duas letras do alfabeto. A letra menor,na cor cinza, corresponde a tecla do teclado do computador responsável pelo acionamento datecla do piano referente a nota musical (em cifra) representada pela letra maior, em verde. Dessaforma a tecla "a"do computador aciona a tecla "C", ou DÓ, no teclado virtual. Esse acionamentose dá de forma visual, assim, quando a tecla "a"do computador é pressionada, a tecla corres-pondente no teclado virtual muda de cor e só volta a ficar branca quando a tecla do computadoré solta.

Além desse acionamento visual, a interface foi desenvolvida a fim de estabelecer o acio-namento real, em piano físico, das notas musicais. Dessa forma, a interface gráfica se comunicacom o Arduino a fim de enviar dados ao mesmo e acionar os servos motores ligados a ele. ATabela 4 mostra a tecla de acionamento do computador e a correspondente nota musical que amesma irá acionar no piano físico.

É importante esclarecer que para o correto funcionamento entre interface gráfica, com-putador e Arduino, a velocidade de comunicação tem que ser a mesma configurada para todos.Neste trabalho a velocidade escolhida foi de 9600 bps.


Tabela 4 – Relação entre tecla do computador e tecla do piano

COMPUTADOR NOTA MUSICALA C (DÓ)S D (RÉ)D E (MI)F F (FÁ)G G (SOL)H A (LÁ)J B (SI)

3.5 Piano

Como a mão mecânica desenvolvida neste trabalho se trata de um protótipo e como édifícil a disponibilidade de um piano real em tempo integral a fim de elaboração de testes, umpiano de brinquedo foi utilizado para esse propósito. O mesmo é mostrado na Figura 42.

Figura 42 – Piano de brinquedo utilizado para testes;


A fim de se obter um resultado final eficiente, algumas modificações foram realizadasno brinquedo. O circuito interno foi retirado e o acionamento das teclas foi modificado a fimde se obter um resultado eficiente por parte do acionamento pelas hastes do protótipo de mãomecânica. Uma estrutura plástica foi confeccionada a fim de alocar as teclas do piano.

Como o acionamento das teclas necessitava de certo esforço por parte do servo motor,e por este acionamento falhar periódicamente, contatos metálicos foram colocados sobre asmesmas e um cabo de contato foi colocado na ponta de cada haste do protótipo. Dessa forma,quando a haste do protótipo encontra a tecla do piano, o contato se fecha, como se fosse uminterruptor e a nota correspondente a tecla é acionada.

A Figura 43 mostra a ponteira colocada em cada haste metálica e o contato colocadosobre as teclas.


Figura 43 – Ponteira de haste metálica e contato de teclas do piano;


3.6 Programação PIC 18F452

O protótipo com o controle da placa de prototipagem eletrônica Arduino funcionoucomo o esperado e dentro dos objetivos propostos. Dessa forma, um projeto tendo em base ummicrocontrolador mais eficiente passou a ser desenvolvido.

Para essa segunda etapa, o PIC 18F452 foi escolhido pois o mesmo possui todos osperiféricos necessários para o correto desenvolvimento da aplicação proposta.

A troca de microcontrolador se deu a fim de possibilitar uma expansão futura do protó-tipo, vizando uma forma de controle mais eficiente.

Para o desenvolvimento do projeto com uso do PIC 18F452, a utilização de um compi-lador se fez necessária.

O software MikroC foi escolhido por apresentar maior facilidade de programação queos demais. O software possui uma interface simples onde o código de programação pode serescrito e compilado. A IDE de desenvolvimento do mesmo, como já foi descrito neste trabalho,é bastante simples e bem intuitiva de ser usada. Além disso, o MikroC possui uma variedade debibliotecas que auxiliam na escrita do código final e uma estrutura que simplifica a configuraçãodos fuses do microcontrolador.

A configuração dos fuses define quais fusíveis do PIC serão utilizados. Os parâmetrossão armazenados no arquivo .HEX quando o código é compilado e são usados somente na horada gravação para o microcontrolador, numa etapa seguinte.

O código desenvolvido para o PIC 18F452, foi escrito em linguagem C, assim como oescrito para a placa Arduino. Isso facilitou bastante a tranferência do projeto de um microcon-trolador para outro, porém algumas coisas precisaram ser alteradas.

Para a placa Arduino, o código foi desenvolvido com a utilização de pollings. Execu-tar polling em um sistema, significa, na maioria das vezes, que este será interrompido tantasvezes quanto forem necessárias a fim de se ler seu registrador de estado até que o mesmo nãoesteje mais em uso e, só assim, receber uma requisição. Esse tipo de instruções em sistemasembarcados é extremamente ineficiente, e não foi diferente no projeto aqui descrito.


Para o desenvolvimento do código para a placa Arduino, por ela ser open source, váriasbibliotecas que facilitam a programação se encontram prontas. Já para o microcontrolador PIC,isso não acontece.

Para o controle dos micro servo motores, por exemplo, é necessário a execução dePWMs com período definido a fim de se acionar o motor até a angulação desejada. No códigoescrito para a placa Arduino, esse controle é elaborado em apenas algumas linhas de código,como mostrado na Figura 44, devido a biblioteca desenvolvida para a plataforma, que geraautomaticamente PWMs de controle conforme o valor de ângulação desejada pelo projetista.

Figura 44 – Código de controle de micro servo motor para placa Arduino ;


Para o microcontrolador PIC, essa facilidade não existe. Então os períodos da PWMque controlam os micro servo motores devem ser definidos em linhas de código pelo próprioprojetista, o que aumenta a complexidade da programação. Além disso, o microcontroladorescolhido possui apenas 2 portas PWM e o projeto contém 7 micro servo motores. Assim,foram desenvolvidas PWM para as portas I/O atávés da escrita de um código que tem comobase o Timer1 do microcontrolador e Interrupções.

O periférico Timer1, que possui um contador de 16 bits, ou seja, conta de 0 a 65535, ea partir desse contador uma PWM foi criada adicionando-se e subtraindo o valores de perído afim de controlar a angulação dos servos motores.

Interrupções, como o próprio nome já sugere, provoca uma interrupção na execução docódigo escrito caso determinada situação ocorra. No projeto aqui descrito, uma interrupção é


gerada quando um dado serial é recebido pelo microcontrolador, ou seja, quando uma tecla docomputador é pressionada. Quando essa interrupção é gerada, o código executa a função deacionamento do micro servo motor correspondente.

3.7 Comunicação Serial

Além da dificuldade apresentada com a PWM, a comunicação serial do microcontro-lador, que se dava de maneira direta entre a placa Arduino e o computador, não acontece damesma maneira com a utilização do PIC.

O PIC 18F452 possui um módulo com função de transmitir e receber dados. Esse mó-dulo é chamado de USART1 e pode ser configurado para diferentes taxas (bps), entre ela 9600,que será utilizada neste projeto.

Os pinos 26 e 25 do PIC escolhido, são respectivamente nomeados de RC7/RX e RC6/TXe são os responsáveis pela comunicação, entre elas a comunicação serial. Para se transmitir ossinais no padrão da comunicação serial, ou seja, padrão RS232, há a necessidade da utilizaçãode um circuito integrado como driver. O MAX232 foi escolhido para estabelecer essa comu-nicação devido a tensão de trabalho do PIC, que é de apenas 5V e se enquadra dentro dasespecificações desse circuito integrado.

3.8 Simulação

Com o código escrito e compilado, um software de simulação foi escolhido a fim detestar o funcionamento do projeto.

O software Proteus foi escolhido devido a qualidade de simulação do mesmo, a grandevariedade de componentes desponíveis em suas bibliotecas e a facilidade de testes relacionadosa microcontroladores PIC.

Um circuito inicial foi construido no software, contendo apenas os servo motores, bo-tões, e um circuito para receber dados seriais. O circuito é mostrado na Figura 45.1 USART:Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter


Figura 45 – Circuito criado para simulação inicial com Proteus;


Os botões foram inclusos apenas como forma de teste de simulação. Um cristal externode 20MHz foi adicionado, assim como capacitores para evitar interferências vindas do crystal.Um botão de reset também foi colocado.

O circuito referente ao CI MAX232, foi estabelecido ataravés do circuito típico de fun-cionamento do mesmo encontrado em seu datasheet. O circuito é mostrado na Figura 46.

Figura 46 – Circuito típico para MAX232;

Fonte:Datasheet

Tendo a simulação funcionado dentro do esperado, algumas funções extras foram adi-cionadas ao projeto.


3.9 Transistores

Transistores BC558, pnp foram utilizados como chaves para o acionamento de diferen-tes LEDs. A fim de identificar no gabinete do protótipo, qual haste está sendo acionada. Assim,dois LEDS foram destinados a cada uma, um vermelho e um verde. Através da polarizaçãodos transistores mencionados, e do controle por portas I/O do microcontrolador PIC, quandoo micro servo motor que controla determinada haste não está acionado, o LED vermelho cor-respondente a mesma é aceso e quando o micro servo motor entra em funcionamento, o LEDverde correspondente acende, enquanto o vermelho apaga.

Tendo o conhecimento do funcionamento de um transistor, o estabelecimento dessechaveamento foi muito simples de ser obtido. O controle por parte do microcontrolador consisteapenas no envio de um pulso em alto (5V) ou baixo (0V), através da porta I/O correspondentea cada transistor.

O circuito de acionamento dos LEDs vermelho e verde é exemplificado na Figura 47.

Figura 47 – Circuito para acionamento de LEDs;


Como já foi mostrado neste trabalho, quando uma tensão baixa é jogada no terminalde base de um transistor pnp, o mesmo entra em saturação, ou seja, conduz corrente entre osterminais coletor e emissor, funcionando como uma chave fechada. Já quando uma tensão altaé transmitida ao terminal de base desse transistor, o dispositivo entra em corte, bloqueando acorrente entre os terminais coletor e emissor, funcionando como uma chave aberta.

Dessa maneira, para o circuito mostrado na Figura 47, uma tensão alta é jogada naporta do PIC correspondente ao circuito, fazendo com que o transistor não conduza corrente.Porém, essa tensão alimenta um LED conectado antes do transistor, fazendo com que o mesmoacenda. Esse primeiro LED é de cor vermelha, ou seja, o LED acionado quando seu servo motor


correspondente está em repouso. Quando o servo motor é acionado, um comando é enviadomudando a tensão alta que estava sendo jogada na porta do PIC correspondente ao circuito,para 0V. Assim, o transistor entra em saturação passando a conduzir corrente, acionando assimum segundo LED, de cor verde.

Para o acionamento dos LED vermelhos, a tensão proveniente da porta I/O do PIC, queé de 5V, é utilizada para alimentação da carga. Já para o acionamento dos LEDs verdes, umafonte de tensão externa, também de 5V, é utilizada.

Para os cálculos dos resistores, o processo descrito na seção 2.11 (Transistores Bipolaresde Junção) deste trabalho foi executado.


Sendo o desenvolvimento de um protótipo robótico um processo complexo, várias eta-pas e alterações se fizeram necessárias no decorrer da criação do trabalho aqui apresentado.

O presente capítulo apresentou as etapas de desenvolvimento de um protótipo de mãomecânica, as dificuldades de cada uma e as alterações necessárias para que os problemas encon-trados pudessem ser resolvidos e, com isso um projeto viável pudesse ser fisicamente montadoa fim de se concluir todo o processo e ver o resultado de todo o desenvolvimento na prática.

O próximo capítulo apresenta os resultados encontrados com o projeto finalizado, asúltimas alterações realizadas para que o mesmo pudesse ser desenvolvido e uma breve discussãosobre os objetivos alcançados.

49

4 Resultados

4.1 Discussão dos Resultados

4.1.1 Interface Gráfica

A mesma interface gráfica utilizada para controle da placa Arduino foi utilizada para oprotótipo final, com a única diferença de que, pelo PIC não possuir um conversor serial/USBinterno, esse conversor teve que ser utilizado externamente para estabelecer a comunicaçãoentre o computador e o circuito final. Isso se deve ao fato de o computador utilizado não possuiruma saída serial, e sim saídas USB. Após a instalação e configuração do conversor, a Interfacegráfica foi configurada para se comunicar através dele e a comunicação se deu de maneiracorreta, dessa maneira, quando uma tecla do computador (’a’, ’s’, ’d’, ’f’, ’g’, ’h’, ’j’, ’A’, ’S’,’D’, ’F’, ’G’, ’H’ ou ’J’) é pressionada, uma interrupção é causada e um dado é recebido pelainterface gráfica que lê o mesmo.

Figura 48 – Representação da interface quando techa a é precionada;


Ao ler o dado recebido, a interface serial executa ações de acordo com o que foi esta-belecido em seu código de programação. Se o dado lido for "a"ou "A", por exemplo, a teclarferente a nota DÓ (C) do piano gráfico muda de cor, representando seu acionamento, ficandovermelha e um novo dado é enviado por comunicação serial, que para o exemplo descrito seriao dado "a". A figura 48 demostra o estado visual da interface gráfica quando a tecla "a"ou "A"doteclad do computador é pressionada.

Além da mudança de cor da tecla, as letras que identificam cada uma também mudamde cor, dando ênfase ao acionamento.

Capítulo 4. Resultados 50

A Tabela 5 apresenta a tecla do teclado do computador referente a mudança de cor, ouacionamento, de cada tecla do piano gráfico e o dado gerado por esse acionamento.

Tabela 5 – Relação entre acionamento de tecla do computador, tecla do piano gráfico acionadae dado enviado a serial

Tecla do computador pressionada Tecla do piano gráfico acionada dado enviado à seriala ou A A - C as ou S S - D sd ou D D - E df ou F F - F fg ou G G - G gh ou H H - A hj ou J J - B j

Esse dado gerado, é lido posteriormente pelo microcontrolador PIC que executa o aci-onamento dos micro servo motores de acordo com o que está estabelecido em seu código deprogramação. Toda a comunicação entre acionamento de tecla do computador, execução de ins-truções pela interface gráfica, envio de dados por esta interface pela porta serial, leitura dessesdados pelo microcontrolador e execução de instruções do mesmo acontece em milésimos desegundos e é praticamente imperceptível.

Um fluxograma referente ao desenvolvimento do firmware da interface gráfica criada émostrado na Figura 49, na Figura em questão é apresentado o fluxograma referente ao aciona-mento da tecla "f"no computador, mas as demais seguem o mesmo princípio.


Figura 49 – Fluxograma do firmware da interface gráfica;


4.1.2 Programação

Para o projeto desenvolvido, uma frequência de operação de 20 MHz para o micro-controlador PIC com preescaler de 4 foi definida. Como os microcontroladores PIC dividem


internamente a frequência (f) por 4, temos que seu período (T), com esses parâmetros definidosé de:

𝑇 =1

𝑓; (4.1)

𝑇 (𝑃𝐼𝐶) =4

𝑓; (4.2)

𝑇 (𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜) =4 * 4

20000000= 800𝑛𝑠; (4.3)

Já foi descrito neste trabalho que a angulação do micro servo motor depende do pe-ríodo, em alto, de uma PWM. O período de 1ms equivale a 0 graus, o de 1,5ms equivale a 90graus e 2ms equivale a 180 graus. Dessa forma, tendo um período de projeto de 800ns, seriamnecessários 1250, 1875 e 2500 períodos de projeto em alto, para acionar um micro servo mo-tor em 0, 90 e 180 graus respectivamente. A criação desse período é feita na escrita do códigode programação que posteriormente é gravado no microcontrolador. Tendo essa relação, qual-quer angulação pode ser obtida pela programação, bastando apenas a execução de um cálculosimples para obtenção do valor correto.

A angulação dos servo motores neste trabalho giram de 0 a 30 graus, dessa forma, cadamicro servo motor foi controlado por PWMs com períodos de 1250 a aproximadamente 1460períodos de projeto.

Para estabelecer esse valor, observou-se que existe uma diferença de 1250 períodos deprojeto e 180 graus entre a mínima e máxima angulação do servo motor. Com isso, cada graude giro do micro servo corresponde a aproximadamente 6,95 períodos de projeto.

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑗

𝐴𝑚𝑎𝑥=

1250

180≈ 6, 95𝑇𝑝𝑟𝑜𝑗/𝑔𝑟𝑎𝑢𝑠; (4.4)

Como a angulação máxima de projeto desejada é de 30 graus, uma defasagem de cercade 208,34 períodos de projeto é necessária, o que faz com que se tenha o valor de 1250 (0 graus)a 1460 (aproximadamente 30 graus).

𝐴𝑚𝑎𝑥 * 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑗

𝑔𝑟𝑎𝑢𝑠30 * 6, 9444 = 208, 333𝑇𝑝𝑟𝑜𝑗; (4.5)

Tendo obtido todos os valores de controle de angulação dos servo motores, um úl-timo código de programação foi criado. O fluxograma mostrado na Figura 50 exemplifica essefirmware desenvolvido para o PIC, para o acionamento da nota FÁ. As demais seguem o mesmoprincípio.


Figura 50 – Fluxograma referente ao hardware do PIC;


4.1.3 Simulação Final

Após todas as modificações realizadas durante o desenvolvimento da mecânica e simu-lação do circuito do protótipo, seu circuito final foi estabelecido e a integração entre circuito e


firmware foi analisada via Proteus. O circuito final do protótipo de mão mecânica é mostradona Figura 51

Figura 51 – Circuito final para protótipo de mão mecânica;


A simulação ocorreu de maneira satisfatória, tendo a comunicação serial estabelecida


com sucesso e o funcionamento obtido como o esperado. Dessa forma o circuito foi definitiva-mente montado a fim de ser utilizado no protótipo real (Figura 52).

Para esse circuito, uma fonte externa chaveada bivolt foi utilzada para a alimentação dosmicro servo motores, do microcontrolador PIC e dos LEDs vermelhos referentes a cada hastedo protótipo.

Após a realização de medições, observou-se que a corrente consumida pelo protótipovaria entre 100mA, quando este está em repouso, até 1,5A quando, quando o memso é ligado.Com isso, uma fonte com capacidade superior a 2A se fez necessária. Neste trabalho utilizamosuma fonte com capacidade de 5A.

Figura 52 – Circuito final montado para protótipo de mão mecânica;


Também foi percebido, após medições, que quanto menor o peso das hastes de alumí-nio, menor a corrente consumida ao acionar um servo motor. O consumo de corrente por cadamicro servo motor, com diferentes modelos de hastes foram testados, e uma haste mais leve foiescolhida para o projeto final (Figura 53).


Figura 53 – Haste metálica do protótipo;


A média de consumo de corrente consumida para o acionamento de cada micro servomotor com utilização da haste mais pesada é de 200mA, enquanto que com a utilização da hastemais leve é de 125mA. A diferença encontrada é de 75mA, gerando um consumo relativamentemais baixo e um melhor funcionamento dos servos motores.

Outra medição realizada foi em relação a frequência fornecida a cada servo motor. Paratodos eles, a frequência encontrada ficou entre 50,01 Hz e 50,03 Hz, o que nos fornece um perí-dos entre 19,98ms e 19,99ms para cada PWM gerada para o controle dos micro servo motores.Como a frequência de operação de cada micro servo motor é de 20ms, o resultado encontradoficou dentro do esperado.

O duty cycle de cada PWM também foi medida para a angulação de 0 e 30 graus, quesão as angulações utilizadas para o funcionamento do protótipo. Em 0 graus foi encontradoum duty cycle de 5%, que nos dá um período em alto de aproximadamente 0,99s para cadamicro servo motor. Já quando está em 30 graus, o duty cycle encontrado foi de 5,8%, dandoum período em alto de aproximadamente 1,16ms. Teoricamente, os duty cycles ideais para 0 e30 graus são de 1ms e 1,17ms, dessa forma, os duty cycles medidos estão dentro do esperado eatuam perfeitamente para o funcionamento do protótipo.

4.1.4 Discussão final

Analisando o protótipo de mão mecânica final estabelecido, mostrado na Figura 54,podemos concluir que o trabalho obteve um funcionamento satisfatório para um protótipo. Acomunicação entre a interface gráfica e o microcontrolador se deu de forma ágil e correta e oacionamento das notas musicais em piano físico aconteceu de forma correta.


Figura 54 – Protótipo final;



Tendo em foco um protótipo de mão mecânica que, a partir do movimento de microservos motores, provocasse interferência em um piano a fim de reprodução sonora, o projeto seconclui tendo o objetivo principal alcançado.

A área específica da robótica que estuda modelos destinado ao lazer humano, chamadade Robótica Social, teve grande importância no decorrer do desenvolvimento do trabalho, e foionde o mesmo se baseou em todo o processo de criação do protótipo de mão mecânica.

Como se trata de um protótipo algumas limitações puderam ser observadas, como a ca-pacidade limitada do micro servo motor em relação ao esforço mecânico posto sobre o mesmo,a mecânica do protótipo que pode ser melhorada a fim de funcinar em um piano real, e a li-mitação de acionamento de um servo motor por vez, o que impede a reprodução de músicaselaboradas por parte do usuário. De maneira geral o projeto atendeu as especificações preten-didas, porém pode ainda ser melhorado em diversos aspectos, o que será descrito no próximocapítulo.

58

5 Conclusão

5.1 Conclusão Final

O projeto descrito nesse trabalho, utiliza da sub área da robótica, denominada robóricasocial, para o desenvolvimento de um protótipo mecânico que tem a finalidade a interação como ser humano atravez da música.

O protótipo criado neste projeto se trata de uma mão mecânica com sete hastes móveiscapazes de reproduzirem som em um piano. Controlado pelo teclado de um computador e tendocomo ferramenta visual uma interface gráfica que simula um piano real, o protótipo mecânicoé colocado sobre um piano físico e reproduz exatamente o que é realizado na tela da interfacegráfica, provocando efeitos sononos.

Mesmo tendo atingido os objetivos iniciais de forma eficiênte, no deccorer do desenvol-vimento diversos problemas foram encontrados e várias melhorias a serem feitas foram sendolistadas. Dentre elas está a troca do micro servo motor utilizado, a ampliaçao do número dehastes e a melhoria do firmware para que duas ous mais hastes possam ser acionadas simulta-neamente, o que não acontece nesse trabalho.

Embora o micro servo motor utilizado seja enficiente para inumeras aplicações, o mesmonão cumpre o objetivo esperado de acionamento de uma tecla de piano real. A tecla de um pianoé relativamente pesada e precisa de mais esforforço para ser acionada do que o servo é capaz defornecer. Dessa maneira, um outro tipo de servo motor seria necessário para o acionamento dasteclas da forma que foi realizada neste trabalho, ou então, para que o mesmo servo escolhidoseja utilizado em um piano real, o sistema mecânico do protótipo deve ser revisto a fim de sedimunir o esforço realizado pelos motores.

A ampliação do número de hastes é fundamental em uma futura melhoria do projeto.Uma música dificilmente conta com a execução de apenas 7 notas musicais. Sustenidos, bemolse notas de oitavas distintas se fazem necessárias para reprodução de músicas mais complexas,assim como o acionamento de mais de uma tecla simultaneamente. Dessa forma, tanto mecânicaquanto parte de firmware devem ser melhorados para se obter um protótipo capaz de repruzirmúsicas completas.

Com todas as sugestões de melhorias apresentadas, o trabalho se concluí deixando umprojeto que se encaixa dentro dos objetivos iniciais propostos e uma evolução significativa nocrescimento pessoal de seu projetista, que no decorrer do trabalho se encantou pela ciência darobótica, por seus desafios e suas possibilidades de aplicação e deseja que, com este trabalho,outros venham a se encatar por essa área tão promissora e divertida.

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APÊNDICE A. Esquemático do Circuito 64

APÊNDICE A – Esquemático doCircuito

ANEXO A. Datasheet do BC558 66

ANEXO A – Datasheet do BC558

A.0.1 Especificações do Dispositivo

1997 Mar 27 2

Philips Semiconductors Product specification

PNP general purpose transistors BC556; BC557; BC558

FEATURES

• Low current (max. 100 mA)

• Low voltage (max. 65 V).

APPLICATIONS

• General purpose switching and amplification.

DESCRIPTION

PNP transistor in a TO-92; SOT54 plastic package.NPN complements: BC546, BC547 and BC548.

PINNING

PIN DESCRIPTION

1 emitter

2 base

3 collector

Fig.1 Simplified outline (TO-92; SOT54)and symbol.

handbook, halfpage1

32

MAM281

3

2

1

QUICK REFERENCE DATA

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT

VCBO collector-base voltage open emitter

BC556 − −80 V

BC557 − −50 V

BC558 − −30 V

VCEO collector-emitter voltage open base

BC556 − −65 V

BC557 − −45 V

BC558 − −30 V

ICM peak collector current − −200 mA

Ptot total power dissipation Tamb ≤ 25 °C − 500 mW

hFE DC current gain IC = −2 mA; VCE = −5 V

BC556 125 475

BC557; BC558 125 800

fT transition frequency IC = −10 mA; VCE = −5 V; f = 100 MHz 100 − MHz

1997 Mar 27 3



LIMITING VALUESIn accordance with the Absolute Maximum Rating System (IEC 134).

THERMAL CHARACTERISTICS

Note

1. Transistor mounted on an FR4 printed-circuit board.

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT

VCBO collector-base voltage open emitter

BC556 − −80 V

BC557 − −50 V

BC558 − −30 V

VCEO collector-emitter voltage open base

BC556 − −65 V

BC557 − −45 V

BC558 − −30 V

VEBO emitter-base voltage open collector − −5 V

IC collector current (DC) − −100 mA

ICM peak collector current − −200 mA

IBM peak base current − −200 mA

Ptot total power dissipation Tamb ≤ 25 °C − 500 mW

Tstg storage temperature −65 +150 °CTj junction temperature − 150 °CTamb operating ambient temperature −65 +150 °C

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS VALUE UNIT

Rth j-a thermal resistance from junction to ambient note 1 250 K/W

1997 Mar 27 4



CHARACTERISTICSTj = 25 °C unless otherwise specified.

Notes

1. VBEsat decreases by about −1.7 mV/K with increasing temperature.

2. VBE decreases by about −2 mV/K with increasing temperature.

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. TYP. MAX. UNIT

ICBO collector cut-off current IE = 0; VCB = −30 V − −1 −15 nA

IE = 0; VCB = −30 V; Tj = 150 °C − − −4 µA

IEBO emitter cut-off current IC = 0; VEB = −5 V − − −100 nA

hFE DC current gain IC = −2 mA; VCE = −5 V;see Figs 2, 3 and 4BC556 125 − 475

BC557; BC558 125 − 800

BC556A; BC557A; BC558A 125 − 250

BC556B; BC557B; BC558B 220 − 475

BC557C; BC558C 420 − 800

VCEsat collector-emitter saturation voltage IC = −10 mA; IB = −0.5 mA − −60 −300 mV

IC = −100 mA; IB = −5 mA − −180 −650 mV

VBEsat base-emitter saturation voltage IC = −10 mA; IB = −0.5 mA; note 1 − −750 − mV

IC = −100 mA; IB = −5 mA; note 1 − −930 − mV

VBE base-emitter voltage IC = −2 mA; VCE = −5 V; note 2 −600 −650 −750 mV

IC = −10 mA; VCE = −5 V; note 2 − − −820 mV

Cc collector capacitance IE = ie = 0; VCB = −10 V; f = 1 MHz − 3 − pF

Ce emitter capacitance IC = ic = 0; VEB = −0.5 V; f = 1 MHz − 10 − pF

fT transition frequency IC = −10 mA; VCE = −5 V; f = 100 MHz 100 − − MHz

F noise figure IC = −200 µA; VCE = −5 V; RS = 2 kΩ;f = 1 kHz; B = 200 Hz

− 2 10 dB

70

ANEXO B – Datasheet do MAX232

B.0.1 Especificações e Circuito de Aplicação

MAX232, MAX232ISLLS047M –FEBRUARY 1989–REVISED NOVEMBER 2014 www.ti.com

Table of Contents9.1 Overview ................................................................... 91 Features .................................................................. 19.2 Functional Block Diagram ......................................... 92 Applications ........................................................... 19.3 Feature Description................................................... 93 Description ............................................................. 19.4 Device Functional Modes.......................................... 94 Simplified Schematic............................................. 1

10 Application and Implementation........................ 105 Revision History..................................................... 210.1 Application Information.......................................... 106 Pin Configuration and Functions ......................... 310.2 Typical Application ................................................ 107 Specifications......................................................... 4 11 Power Supply Recommendations ..................... 117.1 Absolute Maximum Ratings ..................................... 4

12 Layout................................................................... 117.2 Handling Ratings....................................................... 412.1 Layout Guidelines ................................................. 117.3 Recommended Operating Conditions ...................... 412.2 Layout Example .................................................... 117.4 Thermal Information .................................................. 4

13 Device and Documentation Support ................. 127.5 Electrical Characteristics –– Device ......................... 413.1 Related Links ........................................................ 127.6 Electrical Characteristics –– Driver ........................... 513.2 Trademarks ........................................................... 127.7 Electrical Characteristics –– Receiver ..................... 513.3 Electrostatic Discharge Caution............................ 127.8 Switching Characteristics ......................................... 513.4 Glossary ................................................................ 127.9 Typical Characteristics .............................................. 6

14 Mechanical, Packaging, and Orderable8 Parameter Measurement Information .................. 7Information ........................................................... 129 Detailed Description .............................................. 9

5 Revision History

Changes from Revision L (March 2004) to Revision M Page

• Removed Ordering Information table. .................................................................................................................................... 1• Added Handling Rating table, Feature Description section, Device Functional Modes, Application and

Implementation section, Power Supply Recommendations section, Layout section, Device and DocumentationSupport section, and Mechanical, Packaging, and Orderable Information section................................................................ 1

• Moved Tstg to Handling Ratings table. .................................................................................................................................... 4

2 Submit Documentation Feedback Copyright © 1989–2014, Texas Instruments Incorporated

Product Folder Links: MAX232 MAX232I

1

2

3

4

5

6

7

8

16

15

14

13

12

11

10

9

C1+

VS+

C1−

C2+

C2−

VS−

T2OUT

R2IN

VCC

GND

T1OUT

R1IN

R1OUT

T1IN

T2IN

R2OUT

MAX232 . . . D, DW, N, OR NS PACKAGE

MAX232I . . . D, DW, OR N PACKAGE

(TOP VIEW)

MAX232, MAX232Iwww.ti.com SLLS047M –FEBRUARY 1989–REVISED NOVEMBER 2014

6 Pin Configuration and Functions

Top View

Pin FunctionsPIN

TYPE DESCRIPTIONNAME NO.C1+ 1 — Positive lead of C1 capacitorVS+ 2 O Positive charge pump output for storage capacitor onlyC1- 3 — Negative lead of C1 capacitorC2+ 4 — Positive lead of C2 capacitorC2- 5 — Negative lead of C2 capacitorVS- 6 O Negative charge pump output for storage capacitor onlyT2OUT, T1OUT 7, 14 O RS232 line data output (to remote RS232 system)R2IN, R1IN 8, 13 I RS232 line data input (from remote RS232 system)R2OUT, R1OUT 9, 12 O Logic data output (to UART)T2IN, T1IN 10, 11 I Logic data input (from UART)GND 15 — GroundVCC 16 — Supply Voltage, Connect to external 5V power supply

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7 Specifications

7.1 Absolute Maximum Ratings (1)

over operating free-air temperature range (unless otherwise noted)MIN MAX UNIT

VCC Input Supply voltage range (2) –0.3 6 VVS+ Positive output supply voltage range VCC – 0.3 15 VVS– Negative output supply voltage range –0.3 –15 V

T1IN, T2IN –0.3 VCC + 0.3VI Input voltage range V

R1IN, R2IN ±30T1OUT, T2OUT VS– – 0.3 VS+ + 0.3

VO Output voltage range VR1OUT, R2OUT –0.3 VCC + 0.3

Short-circuit duration T1OUT, T2OUT UnlimitedTJ Operating virtual junction temperature 150 °C

(1) Stresses beyond those listed under Absolute Maximum Ratings may cause permanent damage to the device. These are stress ratingsonly, and functional operation of the device at these or any other conditions beyond those indicated under Recommended OperatingConditions is not implied. Exposure to absolute-maximum-rated conditions for extended periods may affect device reliability.

(2) All voltages are with respect to network GND.

7.2 Handling RatingsMIN MAX UNIT

Tstg Storage temperature range -65 150 °CHuman body model (HBM), per ANSI/ESDA/JEDEC JS-001, all 0 2000pins (1)

V(ESD) Electrostatic discharge VCharged device model (CDM), per JEDEC specification 0 1000JESD22-C101, all pins (2)

(1) JEDEC document JEP155 states that 500-V HBM allows safe manufacturing with a standard ESD control process.(2) JEDEC document JEP157 states that 250-V CDM allows safe manufacturing with a standard ESD control process.

7.3 Recommended Operating ConditionsMIN NOM MAX UNIT

VCC Supply voltage 4.5 5 5.5 VVIH High-level input voltage (T1IN,T2IN) 2 VVIL Low-level input voltage (T1IN, T2IN) 0.8 VR1IN, Receiver input voltage ±30 VR2IN

MAX232 0 70TA Operating free-air temperature °C

MAX232I –40 85

7.4 Thermal InformationMAX232xD MAX232xDW MAX232xN MAX232xNS

THERMAL METRIC (1) SOIC SOIC wide PDIP SOP UNIT

16 PINS 16 PINS 16 PINS 16 PINS

RθJA Junction-to-ambient thermal resistance 73 57 67 64 °C/W

(1) For more information about traditional and new thermal metrics, see the IC Package Thermal Metrics application report (SPRA953).

7.5 Electrical Characteristics –– Deviceover recommended ranges of supply voltage and operating free-air temperature (unless otherwise noted) (see Figure 6)

PARAMETER TEST CONDITIONS (1) MIN TYP (2) MAX UNIT

ICC Supply current VCC = 5.5V, all outputs open, TA = 25°C 8 10 mA

(1) Test conditions are C1–C4 = 1 μF at VCC = 5 V ± 0.5 V(2) All typical values are at VCC = 5 V, and TA = 25°C.



MAX232, MAX232Iwww.ti.com SLLS047M –FEBRUARY 1989–REVISED NOVEMBER 2014

7.6 Electrical Characteristics –– Driverover recommended ranges of supply voltage and operating free-air temperature (unless otherwise noted)

PARAMETER TEST CONDITIONS (1) MIN TYP (2) MAX UNITVOH High-level output voltage T1OUT, T2OUT RL = 3 kΩ to GND 5 7 VVOL Low-level output voltage (3) T1OUT, T2OUT RL = 3 kΩ to GND –7 –5 VrO Output resistance T1OUT, T2OUT VS+ = VS– = 0, VO = ±2 V 300 ΩIOS

(4) Short-circuit output current T1OUT, T2OUT VCC = 5.5 V, VO = 0 V ±10 mAIIS Short-circuit input current T1IN, T2IN VI = 0 200 µA

(1) Test conditions are C1–C4 = 1 μF at VCC = 5 V ± 0.5 V(2) All typical values are at VCC = 5 V, TA = 25°C.(3) The algebraic convention, in which the least-positive (most negative) value is designated minimum, is used in this data sheet for logic

voltage levels only.(4) Not more than one output should be shorted at a time.

7.7 Electrical Characteristics –– Receiverover recommended ranges of supply voltage and operating free-air temperature (unless otherwise noted)

PARAMETER TEST CONDITIONS (1) MIN TYP (2) MAX UNITVOH High-level output voltage R1OUT, R2OUT IOH = –1 mA 3.5 VVOL Low-level output voltage (3) R1OUT, R2OUT IOL = 3.2 mA 0.4 V

Receiver positive-going input thresholdVIT+ R1IN, R2IN VCC = 5 V, TA = 25°C 1.7 2.4 VvoltageReceiver negative-going input thresholdVIT– R1IN, R2IN VCC = 5 V, TA = 25°C 0.8 1.2 Vvoltage

Vhys Input hysteresis voltage R1IN, R2IN VCC = 5 V 0.2 0.5 1 VrI Receiver input resistance R1IN, R2IN VCC = 5 V, TA = 25°C 3 5 7 kΩ

(1) Test conditions are C1–C4 = 1 μF at VCC = 5 V ± 0.5 V.(2) All typical values are at VCC = 5 V, TA = 25°C.(3) The algebraic convention, in which the least-positive (most negative) value is designated minimum, is used in this data sheet for logic

voltage levels only.

7.8 Switching Characteristicsover recommended ranges of supply voltage and operating free-air temperature (unless otherwise noted)

PARAMETER TEST CONDITIONS (1) MIN TYP (1) MAX UNITSR Driver slew rate RL = 3 kΩ to 7 kΩ, see Figure 4 30 V/μsSR(t) Driver transition region slew rate see Figure 5 3 V/μs

Data rate One TOUT switching 120 kbit/sReceiver propagation delay time,tPLH®) TTL load, see Figure 3 500 nslow- to high-level outputReceiver propagation delay time,tPHL®) TTL load, see Figure 3 500 nshigh- to low-level output

(1) Test conditions are C1–C4 = 1 μF at VCC = 5 V ± 0.5 V.

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1 µF

1 µF VS+

VS−

2

6

14

7

13

8

C1+

C1−

C2+

C2−

1

3

4

5

11

10

12

9

GND

15

0 V

VCC

16

5 V

EIA-232 Output

EIA-232 Output

EIA-232 Input

EIA-232 Input

1 µF

8.5 V

−8.5 V

1 µF

From CMOS or TTL

To CMOS or TTL

CBYPASS

C1

C2

C3†

C4

† C3 can be connected to VCC or GND.

NOTES: A. Resistor values shown are nominal.

B. Nonpolarized ceramic capacitors are acceptable. If polarized tantalum or electrolytic capacitors are used, they should be

connected as shown. In addition to the 1-µF capacitors shown, the MAX202 can operate with 0.1-µF capacitors.

+

+

−= 1 µF


Table 2. Function Table Each Receiver (1)

INPUTS OUTPUTRIN ROUT

L HH L

Open H

(1) H = high level, L = low level, X = irrelevant, Z = high impedance (off),Open = disconnected input or connected driver off

10 Application and Implementation

NOTEInformation in the following applications sections is not part of the TI componentspecification, and TI does not warrant its accuracy or completeness. TI’s customers areresponsible for determining suitability of components for their purposes. Customers shouldvalidate and test their design implementation to confirm system functionality.

10.1 Application InformationFor proper operation add capacitors as shown in Figure 6. Pins 9 through 12 connect to UART or generalpurpose logic lines. EIA-232 lines will connect to a connector or cable.

10.2 Typical Application

Figure 6. Typical Operating Circuit

10.2.1 Design Requirements• VCC minimum is 4.5 V and maximum is 5.5 V.• Maximum recommended bit rate is 120 kbps.

10.2.2 Detailed Design ProcedureUse 1 uF tantalum or ceramic capacitors.



76

ANEXO C – Datasheet do PIC18F452

C.0.1 Diagrama de Blocos e Principais Periféricos

© 2006 Microchip Technology Inc. DS39564C-page 7

PIC18FXX2

1.0 DEVICE OVERVIEW

This document contains device specific information forthe following devices:

These devices come in 28-pin and 40/44-pin packages.The 28-pin devices do not have a Parallel Slave Port(PSP) implemented and the number of Analog-to-Digital (A/D) converter input channels is reduced to 5.An overview of features is shown in Table 1-1.

The following two figures are device block diagramssorted by pin count: 28-pin for Figure 1-1 and 40/44-pinfor Figure 1-2. The 28-pin and 40/44-pin pinouts arelisted in Table 1-2 and Table 1-3, respectively.

TABLE 1-1: DEVICE FEATURES

• PIC18F242 • PIC18F442

• PIC18F252 • PIC18F452

Features PIC18F242 PIC18F252 PIC18F442 PIC18F452

Operating Frequency DC - 40 MHz DC - 40 MHz DC - 40 MHz DC - 40 MHz

Program Memory (Bytes) 16K 32K 16K 32K

Program Memory (Instructions) 8192 16384 8192 16384

Data Memory (Bytes) 768 1536 768 1536

Data EEPROM Memory (Bytes) 256 256 256 256

Interrupt Sources 17 17 18 18

I/O Ports Ports A, B, C Ports A, B, C Ports A, B, C, D, E Ports A, B, C, D, E

Timers 4 4 4 4

Capture/Compare/PWM Modules 2 2 2 2

Serial CommunicationsMSSP,

Addressable USART

MSSP, Addressable

USART

MSSP, Addressable

USART

MSSP, Addressable

USART

Parallel Communications — — PSP PSP

10-bit Analog-to-Digital Module 5 input channels 5 input channels 8 input channels 8 input channels

RESETS (and Delays)

POR, BOR, RESET Instruction,

Stack Full, Stack Underflow

(PWRT, OST)



(PWRT, OST)



(PWRT, OST)



(PWRT, OST)

Programmable Low Voltage Detect

Yes Yes Yes Yes

Programmable Brown-out Reset Yes Yes Yes Yes

Instruction Set 75 Instructions 75 Instructions 75 Instructions 75 Instructions

Packages28-pin DIP

28-pin SOIC28-pin DIP

28-pin SOIC

40-pin DIP44-pin PLCC44-pin TQFP

40-pin DIP44-pin PLCC44-pin TQFP

PIC18FXX2

DS39564C-page 8 © 2006 Microchip Technology Inc.

FIGURE 1-1: PIC18F2X2 BLOCK DIAGRAM

InstructionDecode &

Control

PORTA

PORTB

PORTC

RA4/T0CKIRA5/AN4/SS/LVDIN

RC0/T1OSO/T1CKIRC1/T1OSI/CCP2(1)

RC2/CCP1RC3/SCK/SCLRC4/SDI/SDARC5/SDORC6/TX/CKRC7/RX/DT

Note 1: Optional multiplexing of CCP2 input/output with RB3 is enabled by selection of configuration bit.

2: The high order bits of the Direct Address for the RAM are from the BSR register (except for the MOVFF instruction).

3: Many of the general purpose I/O pins are multiplexed with one or more peripheral module functions. The multiplexing combinationsare device dependent.

AddressableCCP1 Synchronous

Timer0 Timer1 Timer2

Serial Port

RA3/AN3/VREF+RA2/AN2/VREF-RA1/AN1RA0/AN0

A/D Converter

Data Latch

Data RAM

Address Latch

Address<12>

12(2)

BSR FSR0FSR1FSR2

4 12 4

PCH PCL

PCLATH

8

31 Level Stack

Program Counter

PRODLPRODH

8 x 8 Multiply

WREG

8

BIT OP88

ALU<8>

8

Address Latch

Program Memory(up to 2 Mbytes)

Data Latch

21

21

16

8

8

8

inc/dec logic

218

Data Bus<8>

8

Instruction

12

3

ROM Latch

Timer3

CCP2

Bank0, F

PCLATU

PCU

RA6

USART

Master

8

Register

Table Latch

Table Pointer

inc/dec logicDecode

RB0/INT0

RB4

RB1/INT1RB2/INT2RB3/CCP2(1)

RB5/PGMRB6/PCGRB7/PGD

Data EEPROM

Power-upTimer

OscillatorStart-up Timer

Power-onReset

WatchdogTimer

OSC1/CLKIOSC2/CLKO

MCLR

VDD, VSS

Brown-outReset

TimingGeneration

4X PLL

T1OSCIT1OSCO

Precision

ReferenceVoltage

Low Voltage Programming

In-Circuit Debugger


PIC18FXX2

FIGURE 1-2: PIC18F4X2 BLOCK DIAGRAM

Power-upTimer

OscillatorStart-up Timer

Power-onReset

WatchdogTimer

InstructionDecode &

Control

OSC1/CLKIOSC2/CLKO

MCLR

VDD, VSS

PORTA

PORTB

PORTC

RA4/T0CKIRA5/AN4/SS/LVDIN

RB0/INT0

RB4

RC0/T1OSO/T1CKIRC1/T1OSI/CCP2(1)

RC2/CCP1RC3/SCK/SCLRC4/SDI/SDARC5/SDORC6/TX/CKRC7/RX/DT

Brown-outReset

Note 1: Optional multiplexing of CCP2 input/output with RB3 is enabled by selection of configuration bit.

2: The high order bits of the Direct Address for the RAM are from the BSR register (except for the MOVFF instruction).

3: Many of the general purpose I/O pins are multiplexed with one or more peripheral module functions. The multiplexing combinationsare device dependent.

AddressableCCP1Master

Timer0 Timer1 Timer2

Serial Port

RA3/AN3/VREF+RA2/AN2/VREF-RA1/AN1RA0/AN0

Parallel Slave Port

TimingGeneration

4X PLL

A/D Converter

RB1/INT1

Data Latch

Data RAM(up to 4K

address reach)

Address Latch

Address<12>

12(2)

Bank0, FBSR FSR0FSR1FSR2

4 12 4

PCH PCL

PCLATH

8

31 Level Stack

Program Counter

PRODLPRODH

8 x 8 Multiply

WREG

8

BIT OP88

ALU<8>

8

Address Latch

Program Memory(up to 2 Mbytes)

Data Latch

21

21

16

8

8

8

inc/dec logic

218

Data Bus<8>

Table Latch

8

Instruction

12

3

ROM Latch

Timer3

PORTD

PORTE

RE0/AN5/RD

RE1/AN6/WR

RE2/AN7/CS

CCP2

RB2/INT2RB3/CCP2(1)

T1OSCIT1OSCO

PCLATU

PCU

RA6

Precision

ReferenceVoltage

SynchronousUSART

Register

8

Table Pointer

inc/dec logicDecode

RD0/PSP0RD1/PSP1RD2/PSP2RD3/PSP3RD4/PSP4RD5/PSP5RD6/PSP6RD7/PSP7

Low Voltage Programming

In-Circuit Debugger

Data EEPROM

RB5/PGMRB6/PCGRB7/PGD

PIC18FXX2


TABLE 1-2: PIC18F2X2 PINOUT I/O DESCRIPTIONS

Pin NamePin Number Pin

TypeBufferType

DescriptionDIP SOIC

MCLR/VPP

MCLR

VPP

1 1

I

I

ST

ST

Master Clear (input) or high voltage ICSP programming enable pin.

Master Clear (Reset) input. This pin is an active low RESET to the device.High voltage ICSP programming enable pin.

NC — — — — These pins should be left unconnected.

OSC1/CLKIOSC1

CLKI

9 9I

I

ST

CMOS

Oscillator crystal or external clock input.Oscillator crystal input or external clock source input. ST buffer when configured in RC mode, CMOS otherwise.External clock source input. Always associated with pin function OSC1. (See related OSC1/CLKI, OSC2/CLKO pins.)

OSC2/CLKO/RA6OSC2

CLKO

RA6

10 10O

O

I/O

—

—

TTL

Oscillator crystal or clock output.Oscillator crystal output. Connects to crystal or resonator in Crystal Oscillator mode.In RC mode, OSC2 pin outputs CLKO which has 1/4 the frequency of OSC1, and denotes the instruction cycle rate. General Purpose I/O pin.

PORTA is a bi-directional I/O port.

RA0/AN0RA0AN0

2 2I/OI

TTLAnalog

Digital I/O.Analog input 0.

RA1/AN1RA1AN1

3 3I/OI

TTLAnalog


RA2/AN2/VREF-RA2AN2VREF-

4 4I/OII

TTLAnalogAnalog

Digital I/O.Analog input 2.A/D Reference Voltage (Low) input.

RA3/AN3/VREF+RA3AN3VREF+

5 5I/OII

TTLAnalogAnalog

Digital I/O.Analog input 3.A/D Reference Voltage (High) input.

RA4/T0CKIRA4T0CKI

6 6I/OI

ST/ODST

Digital I/O. Open drain when configured as output.Timer0 external clock input.

RA5/AN4/SS/LVDINRA5AN4SSLVDIN

7 7I/OIII

TTLAnalog

STAnalog

Digital I/O.Analog input 4.SPI Slave Select input.Low Voltage Detect Input.

RA6 See the OSC2/CLKO/RA6 pin.

Legend: TTL = TTL compatible input CMOS = CMOS compatible input or output ST = Schmitt Trigger input with CMOS levels I = Input O = Output P = Power OD = Open Drain (no P diode to VDD)


PIC18FXX2

PORTB is a bi-directional I/O port. PORTB can be software programmed for internal weak pull-ups on all inputs.

RB0/INT0RB0INT0

21 21I/OI

TTLST

Digital I/O.External Interrupt 0.

RB1/INT1RB1INT1

22 22I/OI

TTLST External Interrupt 1.

RB2/INT2RB2INT2

23 23I/OI

TTLST


RB3/CCP2RB3CCP2

24 24I/OI/O

TTLST

Digital I/O.Capture2 input, Compare2 output, PWM2 output.

RB4 25 25 I/O TTL Digital I/O.Interrupt-on-change pin.

RB5/PGMRB5PGM

26 26I/OI/O

TTLST

Digital I/O. Interrupt-on-change pin.Low Voltage ICSP programming enable pin.

RB6/PGCRB6PGC

27 27I/OI/O

TTLST

Digital I/O. Interrupt-on-change pin. In-Circuit Debugger and ICSP programming clock pin.

RB7/PGDRB7PGD

28 28I/OI/O

TTLST

Digital I/O. Interrupt-on-change pin. In-Circuit Debugger and ICSP programming data pin.

TABLE 1-2: PIC18F2X2 PINOUT I/O DESCRIPTIONS (CONTINUED)


TypeBufferType

DescriptionDIP SOIC


PIC18FXX2


PORTC is a bi-directional I/O port.

RC0/T1OSO/T1CKIRC0T1OSOT1CKI

11 11I/OOI

ST—ST

Digital I/O.Timer1 oscillator output. Timer1/Timer3 external clock input.

RC1/T1OSI/CCP2RC1T1OSICCP2

12 12I/OI

I/O

STCMOS

ST

Digital I/O.Timer1 oscillator input.Capture2 input, Compare2 output, PWM2 output.

RC2/CCP1RC2CCP1

13 13I/OI/O

STST

Digital I/O.Capture1 input/Compare1 output/PWM1 output.

RC3/SCK/SCLRC3SCKSCL

14 14I/OI/OI/O

STSTST

Digital I/O.Synchronous serial clock input/output for SPI mode.Synchronous serial clock input/output for I2C mode

RC4/SDI/SDARC4SDISDA

15 15I/OI

I/O

STSTST

Digital I/O.SPI Data In. I2C Data I/O.

RC5/SDORC5SDO

16 16I/OO

ST—

Digital I/O.SPI Data Out.

RC6/TX/CKRC6TXCK

17 17I/OO

I/O

ST—ST

Digital I/O.USART Asynchronous Transmit. USART Synchronous Clock (see related RX/DT).

RC7/RX/DTRC7RXDT

18 18I/OI

I/O

STSTST

Digital I/O.USART Asynchronous Receive.USART Synchronous Data (see related TX/CK).

VSS 8, 19 8, 19 P — Ground reference for logic and I/O pins.

VDD 20 20 P — Positive supply for logic and I/O pins.



TypeBufferType

DescriptionDIP SOIC



PIC18FXX2

TABLE 1-3: PIC18F4X2 PINOUT I/O DESCRIPTIONS


TypeBufferType

DescriptionDIP PLCC TQFP

MCLR/VPP

MCLR

VPP

1 2 18

I

I

ST

ST

Master Clear (input) or high voltage ICSP programming enable pin.

Master Clear (Reset) input. This pin is an active low RESET to the device.High voltage ICSP programming enable pin.

NC — — — These pins should be left unconnected.

OSC1/CLKIOSC1

CLKI

13 14 30I

I

ST

CMOS

Oscillator crystal or external clock input.Oscillator crystal input or external clock source input. ST buffer when configured in RC mode, CMOS otherwise.External clock source input. Always associated with pin function OSC1. (See related OSC1/CLKI, OSC2/CLKO pins.)

OSC2/CLKO/RA6OSC2

CLKO

RA6

14 15 31O

O

I/O

—

—

TTL

Oscillator crystal or clock output.Oscillator crystal output. Connects to crystal or resonator in Crystal Oscillator mode.In RC mode, OSC2 pin outputs CLKO, which has 1/4 the frequency of OSC1 and denotes the instruction cycle rate. General Purpose I/O pin.

PORTA is a bi-directional I/O port.

RA0/AN0RA0AN0

2 3 19I/OI

TTLAnalog


RA1/AN1RA1AN1

3 4 20I/OI

TTLAnalog


RA2/AN2/VREF-RA2AN2VREF-

4 5 21I/OII

TTLAnalogAnalog

Digital I/O.Analog input 2.A/D Reference Voltage (Low) input.

RA3/AN3/VREF+RA3AN3VREF+

5 6 22I/OII

TTLAnalogAnalog

Digital I/O.Analog input 3.A/D Reference Voltage (High) input.

RA4/T0CKIRA4T0CKI

6 7 23I/OI

ST/ODST

Digital I/O. Open drain when configured as output.Timer0 external clock input.

RA5/AN4/SS/LVDINRA5AN4SSLVDIN

7 8 24I/OIII

TTLAnalog

STAnalog

Digital I/O.Analog input 4.SPI Slave Select input.Low Voltage Detect Input.

RA6 (See the OSC2/CLKO/RA6 pin.)


PIC18FXX2


PORTB is a bi-directional I/O port. PORTB can be software programmed for internal weak pull-ups on all inputs.

RB0/INT0RB0INT0

33 36 8I/OI

TTLST


RB1/INT1RB1INT1

34 37 9I/OI

TTLST External Interrupt 1.

RB2/INT2RB2INT2

35 38 10I/OI

TTLST


RB3/CCP2RB3CCP2

36 39 11I/OI/O

TTLST

Digital I/O.Capture2 input, Compare2 output, PWM2 output.

RB4 37 41 14 I/O TTL Digital I/O. Interrupt-on-change pin.

RB5/PGMRB5PGM

38 42 15I/OI/O

TTLST

Digital I/O. Interrupt-on-change pin.Low Voltage ICSP programming enable pin.

RB6/PGCRB6PGC

39 43 16I/OI/O

TTLST

Digital I/O. Interrupt-on-change pin. In-Circuit Debugger and ICSP programming clock pin.

RB7/PGDRB7PGD

40 44 17I/OI/O

TTLST

Digital I/O. Interrupt-on-change pin. In-Circuit Debugger and ICSP programming data pin.



TypeBufferType




PIC18FXX2

PORTC is a bi-directional I/O port.

RC0/T1OSO/T1CKIRC0T1OSOT1CKI

15 16 32I/OOI

ST—ST

Digital I/O.Timer1 oscillator output. Timer1/Timer3 external clock input.

RC1/T1OSI/CCP2RC1T1OSICCP2

16 18 35I/OI

I/O

STCMOS

ST

Digital I/O.Timer1 oscillator input.Capture2 input, Compare2 output, PWM2 output.

RC2/CCP1RC2CCP1

17 19 36I/OI/O

STST

Digital I/O.Capture1 input/Compare1 output/PWM1 output.

RC3/SCK/SCLRC3SCK

SCL

18 20 37I/OI/O

I/O

STST

ST

Digital I/O.Synchronous serial clock input/output for SPI mode.Synchronous serial clock input/output for I2C mode.

RC4/SDI/SDARC4SDISDA

23 25 42I/OI

I/O

STSTST

Digital I/O.SPI Data In.I2C Data I/O.

RC5/SDORC5SDO

24 26 43I/OO

ST—

Digital I/O.SPI Data Out.

RC6/TX/CKRC6TXCK

25 27 44I/OO

I/O

ST—ST

Digital I/O.USART Asynchronous Transmit.USART Synchronous Clock (see related RX/DT).

RC7/RX/DTRC7RXDT

26 29 1I/OI

I/O

STSTST

Digital I/O.USART Asynchronous Receive.USART Synchronous Data (see related TX/CK).



TypeBufferType



PIC18FXX2


PORTD is a bi-directional I/O port, or a Parallel Slave Port (PSP) for interfacing to a microprocessor port. These pins have TTL input buffers when PSP module is enabled.

RD0/PSP0 19 21 38 I/O STTTL

Digital I/O.Parallel Slave Port Data.















PORTE is a bi-directional I/O port.

RE0/RD/AN5RE0RD

AN5

8 9 25 I/OSTTTL

Analog

Digital I/O.Read control for parallel slave port(see also WR and CS pins).Analog input 5.

RE1/WR/AN6RE1WR

AN6

9 10 26 I/OSTTTL

Analog

Digital I/O.Write control for parallel slave port(see CS and RD pins).Analog input 6.

RE2/CS/AN7RE2CS

AN7

10 11 27 I/OSTTTL

Analog

Digital I/O.Chip Select control for parallel slave port(see related RD and WR).Analog input 7.

VSS 12, 31 13, 34 6, 29 P — Ground reference for logic and I/O pins.

VDD 11, 32 12, 35 7, 28 P — Positive supply for logic and I/O pins.



TypeBufferType




PIC18FXX2

2.0 OSCILLATOR CONFIGURATIONS

2.1 Oscillator Types

The PIC18FXX2 can be operated in eight differentOscillator modes. The user can program three configu-ration bits (FOSC2, FOSC1, and FOSC0) to select oneof these eight modes:

1. LP Low Power Crystal2. XT Crystal/Resonator3. HS High Speed Crystal/Resonator

4. HS + PLL High Speed Crystal/Resonatorwith PLL enabled

5. RC External Resistor/Capacitor6. RCIO External Resistor/Capacitor with

I/O pin enabled7. EC External Clock8. ECIO External Clock with I/O pin

enabled

2.2 Crystal Oscillator/Ceramic Resonators

In XT, LP, HS or HS+PLL Oscillator modes, a crystal orceramic resonator is connected to the OSC1 andOSC2 pins to establish oscillation. Figure 2-1 showsthe pin connections.

The PIC18FXX2 oscillator design requires the use of aparallel cut crystal.

FIGURE 2-1: CRYSTAL/CERAMIC RESONATOR OPERATION (HS, XT OR LP CONFIGURATION)

TABLE 2-1: CAPACITOR SELECTION FOR CERAMIC RESONATORS

Note: Use of a series cut crystal may give a fre-quency out of the crystal manufacturersspecifications.

Note 1: See Table 2-1 and Table 2-2 forrecommended values of C1 and C2.

2: A series resistor (RS) may be required forAT strip cut crystals.

3: RF varies with the Oscillator mode chosen.

C1(1)

C2(1)

XTAL

OSC2

OSC1

RF(3)

SLEEP

To

Logic

PIC18FXXXRS(2)

Internal

Ranges Tested:

Mode Freq C1 C2

XT 455 kHz2.0 MHz4.0 MHz

68 - 100 pF15 - 68 pF15 - 68 pF

68 - 100 pF15 - 68 pF15 - 68 pF

HS 8.0 MHz16.0 MHz

10 - 68 pF10 - 22 pF

10 - 68 pF10 - 22 pF

These values are for design guidance only. See notes following this table.

Resonators Used:

455 kHz Panasonic EFO-A455K04B ± 0.3%

2.0 MHz Murata Erie CSA2.00MG ± 0.5%4.0 MHz Murata Erie CSA4.00MG ± 0.5%8.0 MHz Murata Erie CSA8.00MT ± 0.5%

16.0 MHz Murata Erie CSA16.00MX ± 0.5%All resonators used did not have built-in capacitors.

Note 1: Higher capacitance increases the stabilityof the oscillator, but also increases thestart-up time.

2: When operating below 3V VDD, or whenusing certain ceramic resonators at anyvoltage, it may be necessary to usehigh-gain HS mode, try a lower frequencyresonator, or switch to a crystal oscillator.

3: Since each resonator/crystal has its owncharacteristics, the user should consult theresonator/crystal manufacturer for appro-priate values of external components, orverify oscillator performance.

PIC18FXX2


TABLE 2-2: CAPACITOR SELECTION FOR CRYSTAL OSCILLATOR

An external clock source may also be connected to theOSC1 pin in the HS, XT and LP modes, as shown inFigure 2-2.

FIGURE 2-2: EXTERNAL CLOCK INPUT OPERATION (HS, XT OR LP OSC CONFIGURATION)

2.3 RC Oscillator

For timing-insensitive applications, the “RC” and“RCIO” device options offer additional cost savings.The RC oscillator frequency is a function of the supplyvoltage, the resistor (REXT) and capacitor (CEXT) val-ues and the operating temperature. In addition to this,the oscillator frequency will vary from unit to unit due tonormal process parameter variation. Furthermore, thedifference in lead frame capacitance between packagetypes will also affect the oscillation frequency, espe-cially for low CEXT values. The user also needs to takeinto account variation due to tolerance of external Rand C components used. Figure 2-3 shows how theR/C combination is connected.

In the RC Oscillator mode, the oscillator frequencydivided by 4 is available on the OSC2 pin. This signalmay be used for test purposes or to synchronize otherlogic.

FIGURE 2-3: RC OSCILLATOR MODE

The RCIO Oscillator mode functions like the RC mode,except that the OSC2 pin becomes an additional gen-eral purpose I/O pin. The I/O pin becomes bit 6 ofPORTA (RA6).

Ranges Tested:

Mode Freq C1 C2

LP 32.0 kHz 33 pF 33 pF

200 kHz 15 pF 15 pF

XT 200 kHz 22-68 pF 22-68 pF

1.0 MHz 15 pF 15 pF

4.0 MHz 15 pF 15 pF

HS 4.0 MHz 15 pF 15 pF

8.0 MHz 15-33 pF 15-33 pF

20.0 MHz 15-33 pF 15-33 pF

25.0 MHz 15-33 pF 15-33 pF

These values are for design guidance only. See notes following this table.

Crystals Used

32.0 kHz Epson C-001R32.768K-A ± 20 PPM

200 kHz STD XTL 200.000KHz ± 20 PPM

1.0 MHz ECS ECS-10-13-1 ± 50 PPM

4.0 MHz ECS ECS-40-20-1 ± 50 PPM

8.0 MHz Epson CA-301 8.000M-C ± 30 PPM

20.0 MHz Epson CA-301 20.000M-C ± 30 PPM

Note 1: Higher capacitance increases the stabilityof the oscillator, but also increases thestart-up time.

2: Rs may be required in HS mode, as wellas XT mode, to avoid overdriving crystalswith low drive level specification.

3: Since each resonator/crystal has its owncharacteristics, the user should consult theresonator/crystal manufacturer for appro-priate values of external components., orverify oscillator performance.

OSC1

OSC2Open

Clock fromExt. System PIC18FXXX

Note: If the oscillator frequency divided by 4 sig-nal is not required in the application, it isrecommended to use RCIO mode to savecurrent.

OSC2/CLKO

CEXT

REXT

PIC18FXXX

OSC1

FOSC/4

InternalClock

VDD

VSS

Recommended values:3 kΩ ≤ REXT ≤ 100 kΩ

CEXT > 20pF

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