relatório

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

PSI 2327 – Eletrônica Experimental II

Projeto: Carrinho eletrônico auto-guiado

Rafael Menegazzi – 7210783Jonatas Pulz – 7210355 Matheus Moreira Beltrame – 7209395

Turma 03

Professores: Marco Isaías Alayo ChávezJosé Vieira do Vale Neto

Data de entrega 09/11/2012

SumárioResumo................................................................................................................................................................2

I. Objetivo.......................................................................................................................................................2

II. Detalhamento do Projeto............................................................................................................................2

Circuito de reconhecimento da linha..............................................................................................................3

Circuito PWM e pré-projeto do carrinho.........................................................................................................5

Projeto final.....................................................................................................................................................8

Diagrama de Blocos..................................................................................................................................10

Montagem do carrinho.............................................................................................................................11

III. Cálculos.................................................................................................................................................13

Reconhecimento de linha..............................................................................................................................13

Pre-projeto....................................................................................................................................................14

Projeto final...................................................................................................................................................14

IV. Testes....................................................................................................................................................15

Circuito dos sensores....................................................................................................................................15

Pre-Projeto....................................................................................................................................................15

Projeto final...................................................................................................................................................15

V. Orçamento............................................................................................................................................16

VI. Conclusão..............................................................................................................................................16

Referências Bibliográficas..................................................................................................................................16

Anexos...............................................................................................................................................................17

1º Anexo. Datasheet fotodiodo.............................................................................................................17

2º Anexo. Diagrama sensor da linha......................................................................................................22

3º Anexo. Layout sensor da linha...........................................................................................................22

4º Anexo. Datasheet transistor de potência..........................................................................................23

5º Anexo. Datasheet 555.......................................................................................................................26

6º Anexo. Diagrama circuito conjunto sensor + PWM...........................................................................30

7º Anexo. Layout circuito conjunto sensor + PWM................................................................................30

8º Anexo. Diagrama do projeto final, exceto sensores – vide 42Anexo. Circuito e layout de comparadores dos sensores........................................................................................................................................31

9º Anexo. Layout projeto final...............................................................................................................32

10º Anexo. Datasheet L298, ponte-H dupla.............................................................................................33

11º Anexo.LF353, amp-op duplo.............................................................................................................37

12º Anexo. Datasheet 7805, regulador de tensão...................................................................................40

13. Anexo. Circuito e layout de comparadores dos sensores..................................................................42

Projeto Carrinho auto-guiado Página 1

Resumo

Na disciplina PSI2327, além das experiências realizadas, existe o projeto de construção de um “carrinho” – doravante entenda carrinho como um mini-carro, porém com propulsão a partir de motores elétricos, e circuitos de controle totalmente eletrônicos – que seja capaz de, sem nenhuma intervenção por parte de algum operador externo, percorrer uma trajetória fechada – um desenho de uma linha – de pequena distância.

Abaixo se encontra um exemplo de trajetória que deve ser percorrida pelo carrinho:

Figura 1. Exemplo de trajetória que deve ser percorrida pelo carrinho

No presente projeto, a trajetória que deverá ser percorrida é contínua, e sem cruzamentos. Como forma de incentivo, existe vários grupos que também devem construir carrinhos, e aquele que percorrer o circuito fechado no menor tempo possível receberá uma melhor nota.

I. Objetivo

O objetivos do projeto é desenvolver nos alunos as seguintes habilidades: Trabalho em equipe; Habilidade prática com circuitos eletrônicos; Familiarização com CI’s comercias e seus datasheets; E obviamente, como ponto alvo, a construção de um carrinho auto-guiado que seja

capaz de seguir um circuito fechado no menor tempo possível.

Já o presente relatório tem como objetivo apresentar o ponto alvo do projeto, as várias possíveis soluções ponderadas, e detalhar a solução implementada fisicamente pelo grupo.

II. Detalhamento do ProjetoTodos os grupos deveriam obrigatoriamente construir um carrinho com as seguintes

características: Utilizar dois motores padrão 6V; Utilizar no carrinho um chassi de dimensões e material padrão; Utilizar rodas padrão.

Além disso a pista – o traçado da linha – não teria descontinuidades nem cruzamentos, e o carrinho não necessita parar depois de completada uma volta.


Figura 2. Exemplo de trajetória para o carrinho

Como pode ser visto pela Figura 2, o carrinho deverá seguir um linha preta numa grande plataforma branca, para isto serão necessários sensores para detectar a linha e circuito controladores de velocidade para que o carrinho vire, pare, ande, quando necessário. Vide Figura 3.

Figura 3. Diagrama de blocos geral do carrinho

Para que os alunos fossem forçados a completar o projeto, foi definido que deveriam ser entregues pré-projetos, sendo estes os seguintes:

1. Um circuito que reconhecesse a posição da linha que deve ser seguida;2. Um circuito que controlasse a velocidade do motor e que conseguisse acompanhar

pequenas mudanças de direção da linha.A seguir serão detalhados os projetos de cada uma dessas partes.

Circuito de reconhecimento da linha

Inicialmente para implementação desse projeto, deveria ser escolhido um tipo de sensor que obviamente utilizasse uma radiação, de modo que não sofresse tanto os efeitos da luz do ambiente. Também deveria ser utilizado um tipo de comparador ou Schmitt-trigger, para que, depois de definido um limiar de tensão, a saída fosse um nível lógico, para facilitar a comunicação com outras partes do controle do carrinho.

Essa parte do projeto se baseia na reflexão das ondas eletromagnéticas. Uma superfície preta, mesmo para comprimentos de onda um pouco fora do espectro visível, pode refletir quase


nenhuma porcentagem das ondas incidentes, já uma superfície branca, mesma ressalva anterior, consegue refletir grande parte das ondas incidentes.

Então basicamente, existe um emissor de ondas infravermelhas, essas ondas são refletidas ou não por uma superfície contraposta, e o sensor é excitado por essas ondas que foram refletidas, gerando assim elétrons livres, suficientes ou não para gerar uma corrente que irá polarizar um circuito com um nível de tensão que depois será comparado com uma referência.

Figura 4. Sensibilidade dos sensores, por tipo em função do comprimento de onda

Na Figura 4 vê-se que, de forma geral, os sensores disponíveis no mercado, têm maior sensibilidade ao infravermelho, e por isso o LED escolhido como fonte luminosa foi um

infravermelho ( ). Apesar de a radiação solar conter elementos nessa faixa de freqüências, ainda assim é de menor intensidade que o espectro visível, e tendo uma grande radiância por parte do LED, a interferência do sol poderá ser desprezível.

Figura 5. Relação tensãoXcorrente típica de um foto sensor

Pela Figura 5, vê-se que a região de interesse para se trabalhar com um foto sensor é a região de polarização reversa. Pois a partir do momento que é fornecido uma determinada

potência ao sensor, suficiente para gerar a corrente , a tensão que aparecerá para uma potência maior será praticamente constante, e para uma potência menor será praticamente zero.

A seguir então segue o circuito de polarização para o sensor e para o LED.


Figura 6. Circuito de polarização do sensor e emissor

Como pode ser visto pela Figura 6, a polarização do diodo consiste do LED infravermelho (parte esquerda do “Optoisolator1”) e do resistor R1, portanto continuamente o LED estará fornecendo luz para o sensor dependendo da reflexão da superfície contraposta. Tendo intensidade luminosa suficiente no sensor, este irá polarizar o resistor R2, gerando um nível de tensão na entrada não-inversora do amp-op U1, que será comparada com o nível de tensão definido pelo potenciômetro R3. Assim se houver luz – entenda doravante por luz como radiação infravermelha –, então a tensão no pino 3 do amp-op terá uma tensão maior que o pino 2, e portanto a saída – OUT – estará aproximadamente em VCC. Caso contrário, a tensão em 3 será menor que em 2, e a saída estará aproximadamente de GND.

Portanto, quando sobre a linha a saída é GND, e quando fora da linha a saída é VCC. Como pode ser visto pelo Anexo. Datasheet fotodiodo, para a corrente de operação típica do

fotodiodo, a tensão no terminal não-inversor do amp-op varia apenas de aproximadamente , porém conforme visto pelos testes feitos pelo grupo, isso foi suficiente para verificar a posição da linha, portanto o potenciômetro foi ajustado manualmente para oferecer um bom limiar para a identificação da trajetória.

Para verificação do diagrama e layout reais vide Anexo. Diagrama sensor da linha e Anexo. Layout sensor da linha. A única incrementação foi um regulador de tesão de 5V e também é importante notar que o LED3 na verdade seria o fotodiodo, foi utilizado um simples LED para representá-lo pois suas dimensões são idênticas. O LED1 é apenas um verificador de alimentação, o LED2 é o emissor infravermelho, e o LED4 é o sinalizador de linha.

Circuito PWM e pré-projeto do carrinho

O motor que deverá ser utilizado será um 6V 248RPM com redução. Infelizmente não se tem informações sobre torque e correntes dele, por isso foi difícil verificar se o transistor de potência ou a ponte H iria suportá-lo. Mas já será adiantado que nos testes não houve nenhum problema de superaquecimento ou queima de componente.


Figura 7. Motor que deverá ser utilizado por todos os carrinhos

Para que seja possível a regulação da velocidade do motor sem que perca torque excessivamente, deve-se utilizar um modulador de largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulator), e não uma simples regulação de tensão.

Figura 8. Modulação por lagura de pulso, PMW (Pulse Width Modulator)Como pode ser visto pela Figura 8, em vez de controlar a tensão que é mandada ao motor,

controla-se o tempo que tensão máxima é aplicada ao motor, assim no tempo que a tensão é mandada, tem-se máximo torque, porém na outra parte do período do pulso o motor estará

desligado, assim sendo possível controlar a velocidade média do carrinho, desde que a frequência desses pulsos seja suficientemente alta para que não sejam perceptíveis os “trancos” no carrinho.

Quanto maior a largura do pulso maior será a propulsão fornecida pelo motor.

Figura 9. Exemplo de PWM que utiliza o circuito 555


Para implementar o PWM, pode-se utilizar um CI muito conhecido comercialmente, o 555. Com este CI, constrói-se facilmente um oscilador ástavel, vide Figura 9. Nessa figura, o 555 funciona como um ástavel, com a largura de pulso sendo definida pela posição do potenciômetro de 100k. A saída do 555 – pino 3 – é ligada à base de um transistor de potência que entre em corte ou saturação, acionando ou desligando o motor. Porém é importante notar que quando o motor é desligado, devido a sua inércia, ele continuará girando e irá atuar como um gerador, pois o campo magnético é fixo – no caso do modelo utilizado –, portanto para que o transistor de potência não queime é utilizado um diodo, conectado ao motor do modo exatamente indicado na figura, para que a tensão gerada pelo motor seja baixa, pois ele irá “freiar”, pois praticamente estará curto-circuitado. Além de todo o detalhamento anterior é importante salientar que a frequência do pulso do PWM; sendo definida pelos resistores e pelo capacitor ligados aos pinos 2, 6 e 7 do 555; deve ser suficientemente alta para que não seja percebido “trancos” no carrinho.

No projeto foram utilizados também um 555, além de um transistor de potência Mosfet, vide Anexo. Datasheet transistor de potência, e a sua tensão de limiar típica é 3V, portanto a saída do 555, vide Anexo. Datasheet 555 , realmente não é suficiente para acionar o transistor de potência. Porém inicialmente o projeto foi feito assim.

Em verdade, não foi feito apenas um circuito PWM, foram preparados dois circuitos impressos, contendo o detector de linha e o PWM, um para cada motor. Para detalhamento vide Anexo. Diagrama circuito conjunto sensor + PWM e Anexo. Layout circuito conjunto sensor + PWM. A descrição desse circuito é o seguinte: tem-se bloco dos sensores mesmo já analisado anteriormente, com a exceção de que na saída daquele bloco foi colocado um “drive”: um transistor que opera no corte e saturação para que a saída excursione entre GND e VCC, pois como a alimentação do amp-op não está sendo simétrica, em nível baixo a saída fica em aproximadamente 1,2V, o que não é um nível TTL “0”, para que o 555 reconheça. Portanto a saída do bloco do sensor é ligada ao reset do 555, que está operando como um ástavel, com duty cycle que pode ser controlado pelo potenciômetro POT1, e a saída do 555 é ligada ao transistor de potência que aciona o motor.

Então ele funciona assim: ao detectar a linha, a corrente no fotodiodo cai, aumentando assim a tensão no terminal não inversor do amp-op, fazendo com que ele sature em VCC, assim desligando o LED5 e saturando o transistor de “drive”. Saturando esse transistor, a entrada do reset é levando a “0”, desligando assim o 555 e como conseqüência, desligando o motor. Caso a linha não seja detectada, o motor estará sendo acionado pelo PWM.

Portanto utilizar-se-ão dois motores e duas dessas placas descritas anteriormente, cada uma para cada motor. Assim cada motor estará sendo ligado e desligado, conforme se é detectada a linha. Logo se a linha é detectada à direita, o próprio motor da direita deve ser desligado e vice-versa.


Figura 10. Esquema mecânico do carrinhoComo pode ser visto na Figura 10, foram colocados os motores de moto oposto, e os

sensores foram posicionados à frente distanciados com um pouco mais que a largura da linha. Também foi utilizada uma roda-boba, à frente, com o intuito de apenas permitir que o carrinho vire livremente, dependendo para isso apenas dos motores. Porém essa foto é do projeto final, então desconsidere os quatro sensores adicionais – dois de cada lado – vistos na placa dos sensores na parte de cima da foto.

Concluindo, como explicado anteriormente, para que o carrinho vire serão utilizados dois motores com acionamento independente, cada um sendo controlado por um sensor, desligando e ligando conforme o sensor detecta a linha ou não. Também será possível, através do PWM, controlar a velocidade de cada um dos motores independentemente, para que o tempo de resposta da inércia do carrinho seja suficiente para que ele não saia da trajetória.

Projeto finalComo será visto na seção de testes, o modelo detalhado anteriormente, não obteve bons

resultados, primeiramente porque o transistor de potência não estava respondendo bem, e porque um simples “on off” dos motores não funcionou também o quanto era esperado.

Por isso resolveu-se fazer as seguintes modificações no projeto: Utilizar pontes H para acionamento dos motores; Utilizar mais sensores, mas que não desliguem o motor, e sim diminuam sua

velocidade.A primeira modificação foi bem simples, bastou mudar o layout da placa para comportar

um CI 298. Já para a segunda modificação, era possível implementá-la analogicamente ou digitalmente, optou-se por digitalmente, porque o bom senso diz que é mais simples e mais robusto, menos suscetível a ruído.

Portanto, foram utilizados 6 sensores, 3 para cada motor. A idéia básica continua a mesma, encontrou-se a linha do lado direito, desligue ou diminua a velocidade do motor do lado direito e vice-versa.


Os sensores são espalhados por baixo do carrinho, 3 de um lado e 3 do outro, cada um mais distante que o outro do centro. O sensor mais próximo do centro diminui um pouco a velocidade do respectivo motor, o do meio desliga o motor, e o último é apenas por segurança caso o do meio não seja capaz de fazer seu trabalho.

Para que esse controle de velocidade fosse possível, utilizou-se um contador com um frequência fixa, com suas saídas ligadas a entrada seletora de dois mux’s, um para cada motor. A saída de cada um dos mux’s é ligada ao reset do PMW do respectivo motor. Assim considerando que a frequência do contador é suficientemente alta, cada um dos mux’s irá “varrer” rapidamente todas as entradas – foi utilizado mux com 8 entradas –, e obviamente nessas entradas são ligados os sensores. Para que cada sensor controle a velocidade de seu respectivo motor, bastou-se que aquele maior próximo do centro fosse ligado a várias entradas, o do meio e o último – por ser caso extremo – desligassem o enable do mux. Veja Figura 10, nela estão os seis sensores utilizados que podem ser visto na parte de cima da foto.

Veja o Anexo. Diagrama do projeto final, explicação do circuito: o primeiro 555 IC1 gera o clock fixo para o contador de 4 bits V1, a saída desse contador é ligada às entradas de seleção dos dois multiplexadores V2 e V3. No diagrama não foram representados os sensores, pois serão postos em uma placa separada e alimentados separadamente, mas entenda que, o diagrama será o mesmo que aquele no Anexo. Diagrama sensor da linha, exceto que neste haverá seis fotodiodos e seis led’s infravermelhos. Portanto, como o contador está ligado nas entradas de seleção do mux, este irá “varrer” todas as entradas de 0 a 7, numa frequência alta – aproximadamente 2kHz – e como pode ser visto no diagrama, cada sensor tem uma determinada ligação com o mux, controlando assim o seu “peso” sobre a velocidade do motor. Os sensores mais afastados do centro do carrinho e vão ligados no enable do mux, porque se o carrinho estiver tão longe da linha, ele deve rapidamente voltar para a trajetória. Os fotodiodos a meia distância estão ligados a três entradas do mux, assim se estes forem acionados, apenas em 3/8 do tempo, o motor correspondente será acionado. Já o sensor mais próximo do centro do carrinho deve apenas corrigir levemente a posição do carrinho, por isso ele é ligado a cinco entradas do mux, assim se estes forem acionados, apenas em 5/8 do tempo o respectivo motor será acionado.

E como dito anteriormente, os transistores de potência, foram trocados por pontes-H, logo a saída do mux é ligada ao reset do PWM; um oscilador ástavel com 555 e duty-cycle controlado pelo respectivo potenciômetro; do respectivo motor e a saída do PWM ligada ao acionamento da ponte-H, um CI 298 para motor. É importante observar que cada CI desse na verdade possui duas pontes-H, porém as duas de cada CI estão ligadas em paralelo para melhor suprir a corrente do motor. Além disso foram utilizados diodos juntos a ponte-H para melhorar sua resposta ao chaveamento.


Diagrama de Blocos

Figura 11. Diagrama de bloco do Projeto FinalNa parte anterior foi discutida a ideia mais geral do projeto, agora serão detalhados todos

os blocos. Sensores: como pode ser visto na Figura 10, os sensores são no total seis, três de cada

lado, senso cada lado correspondente ao motor do mesmo lado. O esquema elétrico é exatamente o da Figura 12, porém isso para cada sensor. Não foi feito um layout ou diagrama completo, porque esse bloco foi montado numa placa padrão. Portanto na placa padrão foram montados seis versões da figura indicada em paralelo e a saída dessa placa vai para a placa dos comparadores.

Figura 12. Cada um dos seis pares sensorXLED


Bloco Comparador: Como pode ser visto pelo Anexo. Circuito e layout de comparadores dos sensores; foram utilizados seis amp-ops, um para cada um dos sensores, funcionando como comparadores. Ou seja, a saída dos sensores aplica uma tensão nos terminais inversores dos amp-ops, e uma referência é ajustada nos terminais não-inversores dos mesmos. Caso não seja detectada a linha, a saída do sensor estará num nível acima da tensão de referência e por isso a saída do respectivo amp-op será VCC. Por outro lado, caso seja o sensor esteja sobre a linha, a corrente pelo foto-sensor diminui e portanto a tensão enviada ao comparador estará acima da referência, e como a tensão no pino inversor está acima do não –inversor, a saída satura em nível “0”. É importante lembrar que, como o amp-op não satura exatamente na tensões de alimentação, foi utilizada uma única pilha como uma tensão negativa de -1,5V, para que na saturação em “0” do amp-op, a saída ficasse em aproximadamente 0V.

Circuito de Controle: como pode ser visto pelo Anexo. Diagrama do projeto final, exceto sensores – vide 43Anexo. Circuito e layout de comparadores dos sensores; as saídas do bloco comparador são ligadas, de acordo com seu “peso”, nas entradas dos mux. E um contador numa freqüência fixa, é ligado às entradas de seleção dos dois mux’s. Porém foi necessário utilizar uma porta NAND para os sensores do meio e o mais afastado, pois o ENABLE do mux é acionado em “0”; assim qualquer um dos sensores, do meio ou o mais afastado, desliga o motor de seu respectivo lado. Por outro lado, o sensor mais próximo do centro tem um peso de 50% sobre o tempo em que o motor fica ligado, pois está ligado em 4 das 8 entradas do mux; assim se ele for acionado a velocidade do motor cai pra aproximadamente pela metade, pois lembre-se de que quando a linha é encontrada a saída do bloco comparador manda um “0” na respectiva posição do sensor. Logo, a saída de cada mux vai para o reset do respectivo PWM, ligando ou desligando-o, ou então deixando desligado o PWM na metade do tempo.

PWM: também faz parte do circuito do Anexo. Diagrama do projeto final, exceto sensores –vide 43Anexo. Circuito e layout de comparadores dos sensores; esse circuito já foi discutido anteriormente, é apenas um 555 como ástavel, com uma freqüência de aproximadamente 500Hz, suficiente para não dar “trancos” e para não gerar muito ruído no motor. A tensão média no motor pode ser regulada independentemente para cada um dos motores através do potenciômetro, desse 0V até a tensão de alimentação dos motores (0 a 100%). A saída do circuito de controle é ligada ao reset do respectivo PWM, para assim ligar, desligar, ou deixar metade do tempo ligado, cada um dos motores.

Ponte H: foi feita como um bloco separado, porque merece algumas observações. A ponte H possui um enable, este é acionado pelo PWM. Na verdade a ponte H permite que o motor troque de sentido de giro, mas o grupo não viu nenhuma vantagem nesse tipo de prática. Esse CI foi utilizado apenas porque é muito mais simples de utilizar e tem uma robustez muito maior, ou seja, ele está sendo utilizado apenas para acionamento do motor. Vale lembrar que ele possui uma queda de tensão, ou seja, se alimentado com uma determinada tensão, não exatamente entregará toda essa tensão ao motor. Por isso, como cada CI possui duas pontes H, elas foram ligadas em paralelo, para suportar mais corrente e ter uma queda de tensão menor. Por fim, é importante observar que os dois CI’s receberam uma alimentação especial com uma bateria de 9V, pois o motor é de 6V, e fosse utilizada a mesma alimentação do resto do circuito, que é de aproximadamente de 6V, o motor não teria torque; portanto por isso existe o bloco Alimentação especial. Esse bloco nada mais é do que uma bateria de 9V que é ligada ao pino 4 de cada uma das duas pontes H. Portanto, desconsidere no anexo correspondente que o pino 4 está ligado à mesma alimentação do resto do circuito. Como esse problema só visto depois, a trilha teve que ser destruída e soldado um fio por baixo da placa para alimentar as pontes H com a bateria. Logo o PWM aciona o enable da ponte H correspondente, ligando ou desligando o motor.

Montagem do carrinhoJá foi mostrado na Figura 10 o modo como os motores foram posicionados, ou seja, de

modo oposto um ao outro. Estes foram presos com uma presilha ao chassi fornecido. Além disso, foi utilizada a roda-boba na frente do carrinho para permitir que este vire livremente. Essa roda-boba foi presa com cola-quente ao mesmo chassi.

A seguir mais algumas fotos:


Figura 13. Carrinho, com posição das placas detalhadas

Figura 14. Vista lateral do carrinho, mostrando alimentações


Figura 15. Visão frontal do carrinho, mostrando suportes de papelãoComo pode ser visto pelas figuras acima, foram utilizados suportes de papelão junto com

parafusos e porcas para posicionar as placas. A placa de sensores é posiciona à frente do carrinho obviamente. O resto não precisa ser explicado, as figuras são auto-explicativas. Apenas note os potenciômetros, peças azuis. Na placa principal, há dois potenciômetros, que regulam independentemente cada um dos PWM’s. Na placa dos comparadores, há seis potenciômetros, um para cada sensor, para regular a tensão de referência, para que assim seja possível que o carrinho funcione em várias superfícies diferentes.

III. Cálculos Basta lembrar que VCC = 5V

Reconhecimento de linhaBasta dimensionar o circuito de polarização dos LED’s infravermelhos e do fotodiodo:LED’s:Para uma corrente de aproximadamente 20mA, vide datasheet, tem-se uma queda de

aproximadamente 1V, portanto o resistor deve ser aproximadamente 250 ohms, portanto valor escolhido comercialmente foi por segurança um pouco mais alta: 330 ohms.

para LED Fotodiodos:Pelo datasheet vê-se que a corrente reversa para um luminância típica é aproximadamente

, portanto um resistor de , é suficiente para quando iluminado a tensão no terminal

não-inversor seja , por isso o valor comercial de foi o escolhido. Na ausência de

iluminação a corrente típica é de , fazendo com que a tensão no terminal não –inversor do

amp-op seja praticamente .


O potenciômetro escolhido foi o de , mas apenas por ser um valor típico, porém seu ajuste será completamente experimental, pois na verdade a tensão de saída do fotodiodo vai variar conforme o componente, além das condições externas e tipo de superfície.

e

Pre-projetoOs cálculos para polarização dos LED’s e fotodiodos continuam valendo.Nesta parte devem ser dimensionados os componentes para o PWM, a polarização do

“drive” e do transistor de potência:PWM:

Devido aos diodos, sendo a posição do potenciômetro, o capacitor se carrega por e

se descarrega por : assim sendo o cálculo da frequência é dado por, desprezando a queda de tensão nos diodos apenas como uma aproximação:

Portanto para um potenciômetro comum de , e objetivando-se uma frequência de aproximadamente 150Hz, o capacitor deveria ser de aproximadamente 100nF. Porém na parte de testes, verificar-se-á que está frequência é muito baixa, e para aumento de 10 vezes a frequência, basta diminuir 10 vezes o valor do capacitor.

e

Além disso foram colocados capacitores nos pinos 5 e entre o VCC e terra, apenas para

evitar “spikes” de tensão, e foi posto um valor típico de

Os diodos devem ser fast-swithc, portanto 1N4148 satisfaz todas as necessidades.“Drive”:

Pelo datasheet do 555, a corrente típica de acionamento do reset é de , e portanto o transistor deve saturar. O transistor utilizado é bem comum, e, portanto apenas como aproximação, considerar-se-á que ele trabalha no limiar da saturaçãoXregião-linear e que

. Considerando o limiar da saturação, ainda pode-se aplicar as equações de ganho de

corrente. Portanto, escolhendo um resistor de coletor de , que caem sobre ele

aproximadamente , tem-se uma corrente total de coletor de , com ganho de 100, implica

que a corrente de base deve ser aproximadamente , considerando , tem-se que

o resistor de base deve-ser aproximadamente .

e

Transistor de Potência

Na verdade, não é necessário um dimensionamento neste caso, pois a saída do 555 já estará abaixo ou acima do limiar do transistor MOS, este que praticamente não tem corrente de porta. Portanto foram apenas colocados alguns resistores entre o 555 e o transistor para não se ter um acoplamento capacitivo direto entre ambos, foi escolhido muito maior que para que a tensão na porta do transistor seja praticamente VCC quando a saída do 555 estiver acionada:

eO diodo colocado em paralelo ao motor é um diodo também típico, o 1N4004, que suporta

uma corrente maior que o máximo obtido experimentalmente com o motor.

Projeto finalO dimensionamento para a polarização dos LED’s e dos fotodiodos continua sendo o

mesmo, também o PWM dos motores continua sendo o mesmo. Porém agora não será utilizado o

“drive”, pois no circuito dos sensores foi adicionada uma pilha para gerar . Também não


será utilizado mais o circuito com transistor de potência, mas quatro pontes-H, duas em paralelo para cada motor.

Além disso a ponte-H não necessita de dimensionamento, pois trabalha com níveis de tensão TTL. È importante notar apenas que para melhorar a resposta da ponte, foram colocados diodos em paralelo a cada saída, típicos 1N4004.

Clock do contadorPara geração do clock do contador foi utilizado um 555 independente, como oscilador

astável, sem potenciômetros ou diodos. Foi desejado obter uma onda quadrada, por isso

, e portanto a frequência é dado aproximadamente por:

Utilizando o valor disponível de , e desejando-se obter um clock de

aproximadamente , implica que . Além disso, do mesmo modo que

anteriormente, colocou-se capacitores de nos pinos 5 e entre o VCC e terra para evitar “spikes” de tensão. Também para que a hipótese inicial seja satisfeita, foi escolhido um

valor baixo para o outro resistor: , assim a onda será aproximadamente quadrada.

e e

IV. TestesCircuito dos sensoresFoi verificado se era possível detectar a linha com o primeiro circuito gerado pelo grupo.

Constatou-se que sim, porém o funcionamento do circuito fugiu um pouco do esperado. A tensão

de saída da polarização do fotodiodo variou entre e .Porém ainda sim, foi possível manualmente encontrar um ponto no potenciômetro no qual

fosse possível fazer uma diferenciação entre a pista branca e a linha preta. O grupo atribui esse fato ao sensor não corresponder exatamente às características especificadas, e também ao espectro da luz do sol, já que a radiação solar também possui componentes espectrais na região do infravermelho. Para diminuir seus efeitos, portanto, o grupo diminuiu a distância entre os sensores e a superfície refletora, obtendo melhores resultados.

Pre-ProjetoO circuito do PWM funcionou corretamente, conseguindo controlar razoavelmente a

velocidade do motor. Foi necessário aumentar a frequência do PWM, para aproximadamente 500Hz, para que não fossem perceptíveis os “trancos” no carrinho .Além disso como inconveniente foi constatado pelo grupo foi que o transistor de potência não estava fornecendo

uma boa corrente ao motor, provavelmente porque a saída do 555 era de pouco mais de , e o limiar do transistor MOS utilizado era aproximadamente isso. Esse problema foi corrigido utilizando uma ponte-H para acionar os motores no projeto final.

No teste do carrinho utilizando apenas um sensor para cada motor (on – off apenas), ele conseguiu até seguir um curva, mas lentamente, e as vezes com problema de torque. Por isso, essa idéia foi abandonada, e no projeto final foram utilizados mais de um sensor com “pesos” diferentes.

Projeto finalAplicando a idéia dos três sensores para cada motor e usando a ponte-H para acionar o

motor, o desempenho do carrinho foi perceptivelmente muito superior ao anterior. A frequência de aproximadamente 3kHz para o contador se mostrou eficiente, não prejudicando a resposta do 555 e não gerando “trancos” no carrinho. Ele conseguia andar muito mais rápido e fazer curvas mais fechadas. Um dos problemas que o grupo encontrou foi que utilizando a tensão comum para alimentar também a ponte H, resultou num motor sem torque, por isso foi feita uma alimentação especial para os CI 298. Isso resultou num grande melhora de desempenho, além de


salvaguardar as pilhas, consumindo praticamente apenas a bateria para alimentação da ponte H. Também é importante observar que, às vezes, pequenas sujeiras na pista eram interpretadas como a linha, isso foi possível resolver ajustando o potenciômetro dos sensores.


V. OrçamentoForam comprados todos os itens abaixo, infelizmente não foi possível fazer um inventário

para saber a quantidade, nem o preço unitário, mas pode-se dizer que o custo total aproximado foi de R$ 300,00.

Mux 74151Contador 74161

Porta NAND 7400Dual Ponte H L298 (na verdade foi doada, agradecimentos ao Halph)

Par Foto Sensor e LED infra TCRT 5000Dual Amp-op LF353

CI NE555Regulador de tensão KA7805Potenciômetros de 100k e 10kResistores de vários valores

Capacitores de cerâmica e eletrolítico de vários valoresDiodos 1N4004Diodos 1N4148

Fios e cabosMotores 6V 248 RPM com redução

Roda-bobaRodas de Espuma

Pin-heads e conectoresPilhas e Baterias

LED’s de vários tamanhosPlaca padrão para montagem

Placa de cobre tamanho padrãoLiga de estanho e chumbo para soldagem

VI. ConclusãoComo conclusões, o grupo percebeu que CI’s são quase sempre muito melhores que

componentes discretos, por causa dos transistores de potência que não conseguiam fornecer o torque ao motor, enquanto que as pontes-H facilmente permitiam que o motor andasse a plena potência.

Além disso, a aplicação do PWM é completamente indispensável, pois permite, sem grande perda de torque, controlar a velocidade de um motor DC. É preciso tomar cuidado apenas com o ruído gerado em altas freqüências, e ao fato do motor ter uma resposta em frequência que pode prejudicar seu desempenho em freqüências altas.

Também, foi interessante notar que a utilização de emissores na faixa de frequência infravermelha permitiu uma maior sensibilidade dos sensores (veja curva da Figura 4 e Anexo. Datasheet fotodiodo) , tomando cuidado sempre com a luz ambiente que pode interferir provocando mau funcionamento.

Referências Bibliográficas

Politécnica, E. (Fevereiro 2012). Apostila de Eletrônica Experiemental I. São Paulo.Politécnica, E. (Agosto 2012). Apostila de Eletrônica Experiemental II. São Paulo.Sedra, A. S., & Smith, K. C. (2007). Microeletrônica. São Paulo: Pearson Prentice Hall.


Anexos1º Anexo. Datasheet fotodiodo


2º Anexo. Diagrama sensor da linha

3º Anexo. Layout sensor da linha


4º Anexo. Datasheet transistor de potênciaaaaaaa


5º Anexo. Datasheet 555a


6º Anexo. Diagrama circuito conjunto sensor + PWM

7º Anexo. Layout circuito conjunto sensor + PWM


8º Anexo. Diagrama do projeto final, exceto sensores – vide 43Anexo. Circuito e layout de comparadores dos sensores


9º Anexo. Layout projeto final

Parte superior do Layout

Parte inferior do Layout


10º Anexo. Datasheet L298, ponte-H dupla


11º Anexo.LF353, amp-op duploas


12º Anexo. Datasheet 7805, regulador de tensãoaaaa


13. Anexo. Circuito e layout de comparadores dos sensores

Diagrama do Circuito

Layout do Circuito. Obs: as trilhas não roteadas – em amareleo – foram feitas na parte superior com fios


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