NILTON QUINSAN LINS

TABULEIRO ELETRÔNICO DE XADREZ

Monografia apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Disciplina: SEL0394 – Projeto de Formatura Curso de Engenharia Elétrica Ênfase em Eletrônica Orientador: Prof. Dr. Diógenes Pereira Gonzaga

São Carlos, Novembro de 2007

2

Dedico este trabalho a todos os que me

ajudaram em minha graduação, em especial, àqueles

que foram além da obrigação.

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4

AGRADECIMENTOS

À minha namorada Michele.

Aos meus pais, Hélio e Jeanete.

A todos os professores e demais funcionários do Departamento de Engenharia Elétrica.

A todos os funcionários do Serviço de Graduação.

A todos os meus colegas de curso.

À mestra que contribuiu com a Fig. 3, Aline Durrer Patelli Juliani.

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6

Resumo

LINS, N. Q. Tabuleiro Eletrônico de Xadrez. 2007. 44 f. Monografia (Bacharelado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.

Este projeto consiste em possibilitar a automatização eletrônica dos registros referentes às

jogadas de uma partida de xadrez. Entre os registros estariam o tempo de cada jogador e a jogada

realizada.

Essa automatização ocorre através de um tabuleiro contendo sensores de presença por

proximidade e de um sistema microcontrolado com a função de interpretar as informações obtidas a partir

do tabuleiro e interfaceá-las com o usuário. O tipo de sensor escolhido para a implementação do projeto

foi o tipo magnético. Há outros tipos mais adequados quanto à viabilidade física e elétrica do sensor, mas

o projeto envolve o desenvolvimento destes sensores para propiciar maior didática.

Este projeto foi dividido entre dois alunos. O aluno responsável por esse documento, Nilton

Quinsan Lins, foi incumbido da implementação do tabuleiro com os sensores escolhidos e o circuito de

interface necessário para possibilitar ao sistema microcontrolado a aquisição dos dados fornecidos pelos

sensores do tabuleiro. Ao outro aluno envolvido no projeto, Guilherme Cassoli Jacob, foi atribuída a

função de desenvolver o programa do microcontrolador para manipulação dos dados e interface com o

usuário.

Este projeto não foi concluído totalmente, mas pode-se observar que é factível com a

disponibilidade de mais tempo para calibragem dos sensores e dos estágios de digitalização ou através

do emprego de algum processo que produza resultados mais uniformes, uma vez que a heterogeneidade

dos sensores e dos estágios de digitalização tornou o projeto inviável quanto ao pouco tempo disponível

para o ajuste.

Palavras-chave: Automatização Eletrônica. Tabuleiro Eletrônico de Xadrez. Sensores Magnéticos.

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Abstract

LINS, N. Q. Electronic Chess Board. 2007. 44 f. Monograph (Bachelor’s degree) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.

This project provides the electronic automation of the chess game data records. Among the chess

game data records there are the game timing and the players’ movement.

This automation will be possible through a board with presence sensors that detects the presence

through proximity plus a micro-controlled system, which will read the board data and supply the user

interface. The chosen kind of sensor for the project implementation was the magnetic one. There are

other kinds better in terms of physical and electrical viability, but the project involves the magnetic sensors

development to increase the learning.

The project was performed by two students. Nilton Quinsan Lins, also responsible for this

document, prepared the board with the presence sensors and the interface system to allow the micro-

controlled system to acquire board data. Guilherme Cassoli Jacob was responsible for the development of

the micro-controller software, to manage the board data and to supply the user interface.

This project was not totally finished, but it is clear that it is capable of being done since there being

more time for sensors and digitalization stages adjustment or trough a more precise manufacturing

process because the difference between the sensors and between the digitalization stages made the

project not possible of being done due to remaining little time for the adjustment.

Keywords: Electronic Automation. Electronic Chess Board. Magnetic Sensors.

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Sumário

Resumo ..........................................................................................................................................................7 Abstract ..........................................................................................................................................................8 Sumário ..........................................................................................................................................................9 Lista de Figuras........................................................................................................................................... 11 1 Introdução................................................................................................................................................. 13

1.1 O xadrez ............................................................................................................................................ 13 1.1.1 A partida convencional de xadrez............................................................................................... 15

1.2 A abrangência do projeto................................................................................................................... 15 2 Desenvolvimento – Materiais e Métodos ................................................................................................. 17

2.1 Sensores Magnéticos de Presença de Peças de Xadrez ................................................................. 17 2.2 Comunicação..................................................................................................................................... 21

2.2.1 Multiplexador de 64 bits .............................................................................................................. 21 2.2.2 Contador binário de 6 bits ........................................................................................................... 23 2.2.3 Oscilador ..................................................................................................................................... 23 2.2.4 Transmissor serial....................................................................................................................... 25

2.3 Digitalização ...................................................................................................................................... 28 2.3.1 Detector de Pico.......................................................................................................................... 29 2.3.2 Comparador ................................................................................................................................ 31

3 Conclusão................................................................................................................................................. 35 4 Bibliografia................................................................................................................................................ 37

4.1 Livros ................................................................................................................................................. 37 4.2 Datasheets......................................................................................................................................... 37 4.3 Monografia......................................................................................................................................... 37 4.4 Páginas da internet............................................................................................................................ 37 4.5 Softwares utilizados........................................................................................................................... 37

Apêndice A – Planejamento ........................................................................................................................ 39 Cronograma de atividades:...................................................................................................................... 39 Avaliação do cronograma........................................................................................................................ 40

Apêndice B – Estágio Microcontrolado ....................................................................................................... 41

9

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Lista de Figuras

Fig. 1: (a) Especificação das peças de Xadrez; (b) Tabuleiro de Xadrez na configuração inicial. ............. 14 Fig. 2: (a) Sensor de aço maciço e “moeda” desacoplados; (b) Sensor e “moeda” acoplados e (c) Núcleo

de ferrita. .............................................................................................................................................. 18 Fig. 3: (a) Circuito magnético incompleto; (b) Circuito magnético completo. ............................................. 19 Fig. 4: (a) Sinais do primário e secundário sem a “moeda” (b) E com a “moeda”, com o mesmo sinal de

entrada. ................................................................................................................................................ 20 Fig. 5: Multiplexador de 64 bits. .................................................................................................................. 22 Fig. 6: Contador binário de 6 bits. ............................................................................................................... 23 Fig. 7: Oscilador com ciclo de trabalho de 50%.......................................................................................... 24 Fig. 8: Oscilador de 10kHz com ciclo de trabalho de 50%. ........................................................................ 25 Fig. 9: Representação temporal da saída do transmissor serial................................................................. 26 Fig. 10: Transmissor serial de 64 bits. ........................................................................................................ 27 Fig. 11: Estágio de transmissão serial. ....................................................................................................... 28 Fig. 12: Detector de pico. ............................................................................................................................ 29 Fig. 13: Detector de pico com retenção de 100ms acima de 3 quartos do valor de pico. .......................... 31 Fig. 14: Comparador com saída TTL e tensão de referência ajustável. ..................................................... 32 Fig. 15: Estágio de digitalização.................................................................................................................. 32 Fig. 16: 2 estágios de digitalização implementados utilizando 1 CI LM324. .............................................. 33 Fig. 17: 60 estágios de digitalização implementados em uma protoboard................................................. 34 Fig. 18: Estágio microcontrolado................................................................................................................. 42 Fig. 19: Teclado matricial. ........................................................................................................................... 43 Fig. 20: Estágio microcontrolado................................................................................................................. 44

11

12

1 Introdução

Este projeto consiste em possibilitar a automatização eletrônica dos registros referentes às

jogadas de uma partida de xadrez, explicada nos item 1.1, cuja revisão bibliográfica corresponde à

bibliografia [1], e item 1.1.1. Entre os registros possibilitados estariam o tempo disponível para cada

jogador realizar sua jogada, que pode ser registrado de diversas formas como descrito na bibliografia

[10], e a jogada realizada, que também poderia ser registrado de diversas maneiras como citado na

bibliografia [1], mas, por simplicidade, no desenvolvimento do estágio microcontrolado foi implementado

apenas o modo algébrico, segundo a bibliografia [10]. Mais detalhes sobre a abrangência do projeto

podem ser encontrados no item 1.2.

Este projeto foi dividido entre dois alunos. O aluno responsável por esse documento, Nilton

Quinsan Lins, foi incumbido da implementação do tabuleiro com os sensores escolhidos e o circuito de

interface necessário para possibilitar ao sistema microcontrolado a aquisição dos dados fornecidos pelos

sensores do tabuleiro. Ao outro aluno envolvido no projeto, Guilherme Cassoli Jacob, foi atribuída a

função de desenvolver o programa do microcontrolador para manipulação dos dados e interface com o

usuário, seu trabalho é documentado pela bilbiografia [10] e uma breve descrição do hardware

desenvolvido em seu trabalho é feita no Apêndice B.

A automatização ocorre através de um tabuleiro contendo sensores de presença por proximidade

e de um sistema microcontrolado com a função de interpretar as informações obtidas a partir do tabuleiro

e interfaceá-las com o usuário. O tipo de sensor escolhido para a implementação do projeto foi o tipo

magnético. Há outros tipos mais adequados quanto à viabilidade física e elétrica do sensor consultados

na bibliografia [12] como os sensores indutivos, sensores de meio-efeito (half-effect), sensores

capacitivos, sensores ultrasônicos, sensores de proximidade ópticos. Mas o projeto envolve o

desenvolvimento dos sensores magnéticos para propiciar maior didática. Mais detalhes sobre os

sensores podem ser encontrados no item 2.1.

1.1 O xadrez Xadrez é um jogo de tabuleiro para dois jogadores adversários.

O tabuleiro de xadrez é formado por 8 linhas e 8 colunas de casas quadradas totalizando 64

casas sendo essas alternadamente pretas e brancas de forma a ficar sempre uma casa com cor diferente

das casas adjacentes.

Cada jogador dispõe inicialmente de 16 peças, sendo elas: 8 peões, 2 torres, 2 cavalos, 2 bispos,

1 dama e 1 rei. A representação destas peças é ilustrada pela Fig. 1 (a), obtida da bibliografia [15]. Cada

tipo de peça difere no modo de sua movimentação entre as casas sendo ainda que os peões se

distinguem das demais por ameaçar casas diferentes das casas pelas quais ele pode se movimentar e o

rei por possibilitar o Xeque Mate ao adversário, explicado a seguir.

13

(a) (b)

Fig. 1: (a) Especificação das peças de Xadrez; (b) Tabuleiro de Xadrez na configuração inicial.

A cor das peças distingue a qual jogador elas pertencem. O jogo se inicia com as peças de cores

diferentes localizadas em lados opostos do tabuleiro em uma formação padrão, conforme a Fig. 1 (b), de

maneira que, para cada jogador, a casa do canto direito de seu lado seja branca e do canto esquerdo de

seu lado seja preta.

O jogo ocorre em jogadas alternadas entre o jogador das peças brancas e pretas sendo que o

primeiro jogador a jogar é o jogador das peças brancas. Cada jogador pode mover apenas as peças da

cor à qual foi designado de acordo com a limitação de cada tipo de peça, podendo, em sua jogada,

capturar alguma peça adversária com a peça que move quando a peça adversária se encontrar

ameaçada pela peça que move.

O jogo termina quando um dos jogadores ganha ou quando ocorre empate. O empate pode

ocorrer de 7 maneiras, que não serão abrangidas por este texto devido a sua complexidade e ao fato de

o empate não ser considerado no projeto. É possível ganhar o jogo de 4 maneiras: quando o adversário

desiste, quanto o adversário é obrigado a abandonar o jogo por derrubar o tabuleiro ou se recusar a

cumprir uma exigência regulamentar, quando acaba o tempo do adversário ou quando o jogador realiza

um Xeque Mate.

O Xeque Mate é uma jogada na qual o rei adversário é ameaçado de forma a ser impossível

para o jogador adversário terminar sua jogada sem que seu rei continue ameaçado. A jogada em que o

rei adversário é ameaçado, mas pode deixar de ser ameaçado no fim da jogada do adversário,

denomina-se apenas Xeque.

14

1.1.1 A partida convencional de xadrez Convencionalmente, o jogo de xadrez se dá em um tabuleiro sem nenhum tipo de sensor

podendo haver contagem de tempo ou não, dependendo das regras vigentes. Quando há contagem de

tempo, normalmente necessária em torneios oficiais, o tempo de cada jogador é marcado por um relógio

especial que apresenta dois contadores regressivos que funcionam alternadamente. Quando um jogador

indica o fim de sua jogada através do acionamento de algum botão do relógio, o seu contador pausa e o

contador do adversário continua a contagem, dando início da jogada do adversário.

1.2 A abrangência do projeto

Os sensores adotados indicam apenas a presença ou não de peça em cada casa.

Como o jogo sempre se inicia com a mesma formação e sempre com uma jogada das brancas, o

software do microcontrolador distingue qual peça se encontraria em cada casa ocupada e, de acordo

com as mudanças de estado dos sensores, é possível determinar qual peça foi movimentada e assim, de

qual jogador é a vez de jogar.

Com a informação da posição das peças, das jogadas, do instante que elas ocorrem e de qual

jogador é a vez de jogar, é possível ainda marcar o tempo que cada jogador possui para realizar as suas

jogadas e, se acabar o tempo de algum jogador, indicar a vitória de seu adversário por tempo.

O projeto não distinguirá se a jogada é válida ou não e se ocorrer empate. Essa limitação se dá

pelo fato de que as análises de tais aspectos são muito complexas para serem implementadas em um

programa para o microcontrolador escolhido. O projeto também não possibilita a continuação de um jogo

que não seja da formação inicial, ou seja, desde o início, uma vez que o microcontrolador reconhece

todos os dados que não seja em qual casa há peça, pelo fato do jogo começar sempre com a mesma

formação e com uma jogada das brancas.

15

16

2 Desenvolvimento – Materiais e

Métodos

Considerando o fato de que os CI’s utilizados no desenvolvimento são de encapsulamento DIP

(Dual In Package) e, os digitais, de tecnologia TTL (Transistor-Transistor Logic) e que os circuitos foram

implementados fisicamente em protoboards, a implementação dos mesmos se tornou cara devido ao

preço das protoboards, ocupa muito espaço e a tecnologia dos componentes empregada dissipa muita

potência em relação às outras tecnologias existentes. O ideal serial realizar essas implementações em

uma placa de circuito impresso, ficando mais barata e menor, para chips de encasulamento SMD

(Surface Mounting Device), ficando ainda menor e, para os CI’s digitais, tecnologia CMOS

(Complementary Metal Oxide Semiconductor), para uma menor dissipação de potência.

Os significados das siglas entre parênteses do parágrafo anterior foram obtidos da bibliografia

[14].

2.1 Sensores Magnéticos de Presença de Peças de Xadrez Cada uma das 64 casas do tabuleiro apresenta um sensor que indica se há ou não alguma peça

na respectiva casa. Todos sensores devem informar ininterruptamente a presença ou não de peça na

respectiva casa devido à forma de comunicação escolhida, descrita no item 2.2.

O funcionamento dos sensores se baseia em um dispositivo magnético, similar a um

transformador monofásico de dois enrolamentos com o circuito magnético incompleto, ou seja, o núcleo

de material ferromagnético é aberto. A colocação de uma “moeda” ferromagnética, que complete o

núcleo, causará a redução da relutância magnética do circuito magnético, que, por conseqüência,

melhorará a distribuição do fluxo magnético resultando um melhor acoplamento magnético entre o

enrolamento primário e o secundário, o que leva a um sinal, neste último, de maior intensidade, mantida

a alimentação do primário em corrente alternada em 60Hz. A Fig. 2 (a) mostra fotos do núcleo

ferromagnético: na Fig. 2 (a) é visto sensor e a “moeda” desacoplados; na Fig. 2 (b) são vistos acoplados,

neste caso o sensor é de aço maciço, o que causou elevada corrente no primário, com o secundário

aberto, ou seja, a composição da corrente de magnetização com a corrente relativa às perdas no núcleo

ferromagnético resultou elevada, o que veio a reprovar o uso núcleo maciço, pois as perdas por correntes

parasitas de Foulcault se manifestaram com uma elevação de temperatura inconveniente. Optou-se,

então, pelo núcleo de ferrita, que se caracteriza por apresentar baixas perdas, e é visto na Fig. 2 (c).

17

(a) (b)

(c) Fig. 2: (a) Sensor de aço maciço e “moeda” desacoplados; (b) Sensor e “moeda” acoplados e (c) Núcleo de ferrita.

A Fig. 3, obtida através da bibliografia [17] e fornecida pela mestra Aline Durrer Patelli Juliani,

mostra a distribuição do fluxo magnético nas duas situações: na Fig. 3 (a) é mostrada apenas metade do

circuito magnético sem a “moeda”, já que ele é simétrico e na Fig. 3 (b) com a “moeda” magnética,

ficando evidenciada na segunda a melhor distribuição do fluxo magnético.

18

(a)

(b) Fig. 3: (a) Circuito magnético incompleto; (b) Circuito magnético completo.

Se a “moeda” citada anteriormente for colocada na base de cada uma das 32 peças do jogo e se

os 64 sensores forem instalados de forma a fazer com que a parte aberta do núcleo dos sensores

coincida com a superfície de cada casa do tabuleiro, assim, o jogo ocorrerá como que em um tabuleiro

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convencional, porém com os sensores instalados de modo a identificar se há ou não peças nas

respectivas casas.

Os sensores foram construídos de forma que o enrolamento primário, pelo qual o sensor seria

alimentado, possuísse 100 espiras, e o secundário, do qual seria obtida a saída do sensor, 50 espiras. O

número total de espiras escolhido foi um número correspondente à maior quantidade possível de espiras

que coubesse facilmente dentro do núcleo de ferrita (diâmetro externo de aproximadamente 2,54cm) para

um fio de cobre envernizado com espessura de 32 AWG (0,032mm2, segundo a bibliografia [13]), a

menor espessura que possibilitasse o fácil manuseio.

Foram necessários o emprego de um número maior de espiras no primário e de um fio com a

menor espessura possível para aumentar a impedância do primário. Que, por ser muito baixa,

demandava muita corrente mesmo para uma tensão de alimentação baixa.

Devido à baixa impedância do primário, na alimentação dos sensores foi empregado um

Transformador Variador de Tensão (variac), assim sendo, a partir da rede elétrica em 60Hz. A Fig. 4

mostra os sinais de entrada e saída nos dois estados do sensor magnético de presença de peça de

Xadrez. Na Fig. 4 (a) sinal do primário e sinal do secundário sem a “moeda” e na Fig. 4 (b) o mesmo sinal

do primário e um sinal bem mais elevado que em Fig. 4 (a) no secundário, já que foi inserida a “moeda”:

estes dois sinais do secundário são marcadamente diferentes, o primeiro representará ausência de peça

e o segundo detectará a presença da peça de Xadrez.

(a) (b)

Fig. 4: (a) Sinais do primário e secundário sem a “moeda” (b) E com a “moeda”, com o mesmo sinal de entrada.

Assim, estes dois estados analógicos serão convertidos e transmitidos convenientemente para

serem utilizados no estágio microcontrolado referenciado no Apêndice B.

A medição da resistência elétrica dos enrolamentos dos sensores, feita através do multímetro,

indicava que o primário apresentava 3,6Ω e o secundário 1,9Ω.

Testes feitos alimentando com tensão senoidal de 60Hz e 500mVp, obtida através do variac, 4

sensores conectados com o primário em paralelo apresentaram em suas saídas uma variação da tensão

de 75mVp a 20mVp, valores verificados com o osciloscópio que correspondem respectivamente à

20

inserção e a retirada da “moeda”. Na saída do variac foi medida uma corrente de 360mA com o emprego

do multímetro. Deve-se levar em conta que esse valor de corrente sofre um forte efeito de carregamento

causado pelo próprio multímetro devido ao fato da impedância da associação em paralelo dos sensores

ser muito baixa.

Considerando o valor de corrente anteriormente obtido, apesar do efeito de carregamento

causado pelo multímetro, para se alimentar 16 vezes o número de sensores testados, proporção

necessária para alimentar o tabuleiro inteiro, 64 sensores, seria necessária uma corrente 16 vezes maior,

logo uma corrente de 5,76A, um valor muito próximo da corrente máxima que o variac pode fornecer,

limitada pelo valor do fusível, 6A. Com essas considerações, foi estimado que seriam necessários 2

variacs para se alimentar o tabuleiro inteiro.

2.2 Comunicação Devido ao grande número de sensores a comunicação entre o microcontrolador e os sensores

não poderia ocorrer de forma paralela pois esse tipo de comunicação iria demandar um grande número

de entradas do microcontrolador. Considerando essa dificuldade, a forma de comunicação escolhida foi a

serial.

A comunicação serial foi planejada da seguinte forma: cada um dos sensores teria sua saída

digitalizada em 1 digito binário (bit), conforme descrito no item 2.3, que, com seus dois diferentes níveis

lógicos, indicaria se há peça ou não na casa correspondente ao sensor. Essas saídas seriam ligadas às

entradas de um multiplexador de 64 entradas, uma para cada sensor, e a informação de cada sensor

seria enviada uma de cada vez para a saída do multiplexador, que seria lida pelo microcontrolador.

2.2.1 Multiplexador de 64 bits Como não se encontra comercialmente um multiplexador de 64 bits em um único chip para a

realização do projeto, foi implementado um circuito empregando 5 circuitos integrados (CIs) para realizar

tal função. Este circuito emprega 4 multiplexadores de 16 bits, cada um integrado no CI DM74150N, e

estes são ligados a 1 multiplexador de 4 bits, integrado no CI SN74LS253N. Maiores detalhes sobre

estes CI’s podem ser encontrados nas bibliografias [2] e [3] respectivamente.

Um detalhe a ser considerado na implementação do software é o fato de que as saídas dos

multiplexadores de 16 bits empregados são invertidas, ou seja, a saída do multiplexador de 64 bits

fornece o complemento do valor das entradas digitais correspondentes.

O esquema elétrico do multiplexador de 64 bits ficou como descrito pela Fig. 5.

21

Fig. 5: Multiplexador de 64 bits.

22

2.2.2 Contador binário de 6 bits O circuito escolhido para alternar, entre as entradas do multiplexador, a entrada selecionada para

ser enviada à saída foi um contador binário de 6 bits, número de bits necessários para selecionar 1 entre

64 entradas. Neste caso também foi implementado um circuito para realizar tal função. O esquema

elétrico descrito pela Fig. 6 emprega dois contadores de 4 bits.

Fig. 6: Contador binário de 6 bits.

Embora na Fig. 6 esteja representado o CI 74192, este foi usado na representação do circuito

devido ao fato do programa escolhido para a criação dos diagramas elétricos, referido na bibliografia [16],

não possuir o CI utilizado no projeto, o CI 74193. Maiores detalhes sobre o CI 74193 podem ser

encontrados na bibliografia [4]

Os quatro bits menos significativos do contador seriam ligados as quatro entradas de seleção de

cada multiplexador de 16 bits e os 2 bits mais significativos do contador seriam ligados as duas entradas

de seleção do multiplexador de 4 bits. Com essas ligações, conforme fosse feita a contagem de 0 a 63,

os quatro multiplexadores de 16 bits realizariam o envio de cada entrada 4 vezes em suas respectivas

saídas, mas, apenas uma vez cada entrada seria transmitida pelo multiplexador de 4 bits.

2.2.3 Oscilador A freqüência de contagem é de 10kHz, uma freqüência determinada de maneira empírica para

realizar uma varredura rápida sem comprometer a aquisição dos dados pelo microcontrolador. Dessa

forma, o tabuleiro estaria, enquanto ligado, sempre enviando a informação dos sensores ao

microcontrolador.

O oscilador implementado é baseado em um projeto da seção Applications Information da

bibliografia [6] que se refere a um oscilador de ciclo de trabalho de 50%.

23

Fig. 7: Oscilador com ciclo de trabalho de 50%.

De acordo com a bibliografia [6], para a configuração descrita na Fig. 7, as seguintes fórmulas

são válidas:

21

1tt

f+

= (I)

CRt A ..693,01 = (II)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+

=AB

AB

BA

BA

RRRR

CRR

RRt

.2.2

ln...

2 (III)

Para 10kHz de freqüência e ciclo de trabalho de 50%, de acordo com a fórmula (I), t1 e t2 seriam

50µs.

Com o valor de t1 e impondo que C seja 10nF, calcula-se o valor de RA através da fórmula (II)

obtendo-se o valor de 7,22kΩ.

Com os demais valores já determinados e com o auxílio de algoritmos de cálculo numérico, RB é

determinado através da fórmula (III) resultando em 3,05kΩ.

O CI empregado na implementação do oscilador é o CI SDA555CE.

Utilizando valores comerciais de resistores, a maneira como foi implementado o esquema elétrico

é descrito pela Fig. 8.

24

Fig. 8: Oscilador de 10kHz com ciclo de trabalho de 50%.

O oscilador se comportou da forma esperada, mas, ainda que ele apresentasse uma pequena

variação no ciclo de trabalho ou uma variação considerável na freqüência, a comunicação seria garantida

pelo fato de ser caracterizada como uma comunicação síncrona. Tal característica é explicada com mais

detalhes no item 2.2.4.

2.2.4 Transmissor serial

Para evitar que o microcontrolador perdesse a leitura de algum bit ou que se lesse o mesmo mais

de uma vez como se fosse dois bits, o instante em que a leitura é feita não se dá por um intervalo de

tempo pré-determinado, mas através de um sinal de sincronismo. A comunicação serial foi implementada

de forma a enviar também um sinal cuja borda de descida coincidisse com média dos instantes em que

há transição de um bit de dado para outro, garantindo que a leitura não fosse prejudicada pelo período de

transição. O sinal de sincronismo foi obtido diretamente da saída do oscilador pois, como a transição de

um bit de dado para outro se dá na borda de subida do oscilador, para um ciclo de trabalho de 50% a

descida de borda coincidiria com a média dos instantes em que há transição.

O microcontrolador não envia dados para o tabuleiro, caracterizando a comunicação como

simplex, ou seja, a comunicação flui em apenas um sentido. Considerando este fato e o fato de que o

tabuleiro está sempre enviando os dados sem intervalos, é necessário um sinal cuja descida de borda

determine o início da seqüência de bits para que o microcontrolador armazene a seqüência de dados na

ordem correta. Esse sinal foi obtido diretamente do bit mais significativo do contador, que fica em nível

baixo na primeira metade da contagem, realiza uma borda de subida ficando em nível alto na segunda

25

metade da contagem, e, ao reiniciar o ciclo de contagem, o bit mais significativo do contador realiza uma

descida de borda, que é empregada para determinar o início da seqüência.

A variação do nível lógico dos bits de comunicação no tempo é representada pela Fig. 9.

Fig. 9: Representação temporal da saída do transmissor serial.

Considerando todas as informações da comunicação levantadas até este ponto e os recursos

disponíveis para a implementação do circuito, seu esquema elétrico ficou como descrito pela Fig. 10.

26

r

r

E a imple

Oscilado

r

Fig. 10: Transmissor serial de 64 bits.

mentação física do circuito é ilustrada pela Fig. 11:

Contado

Multiplexado

27

Fig. 11: Estágio de transmissão serial.

2.3 Digitalização Como o circuito para transmissão serial dos dados é de sinal digital enquanto os sensores

apresentam saída analógica, se faz necessária a digitalização da saída dos sensores.

Partindo do funcionamento do sensor, um sinal que aumenta ou diminui sua amplitude no

secundário enquanto a tensão do primário se mantém com as mesmas características, inicialmente

considerou-se comparar os dois sinais para detectar a variação relativa entre eles. Mas essa forma de

digitalização seria complicada pelo fato de que o sinal do secundário estava distorcido devido à

característica não linear de magnetização do material ferromagnético do sensor e principalmente pelo

fato de que o sinal do secundário se encontrava defasado com relação ao sinal do primário.

A maneira como o circuito foi implementado, empregando apenas o sinal obtido a partir do

secundário, se baseia em detecção do pico do sinal e comparação desse pico com uma referência,

28

partindo do princípio que o sinal varia seu pico conforme a inserção ou retirada de peças e que essa

diferença pode ser detectada através de um comparador.

2.3.1 Detector de Pico

O detector de pico implementado partiu do conceito de um detector de envoltória. Mas o emprego

de um diodo na entrada do circuito seria crítico pelo fato de que o valor de pico do sinal do sensor seria

baixo, menor que a tensão de condução do diodo, ou seja, o diodo não permitiria a passagem do. Então,

ao invés do diodo, foi empregado um circuito denominado “diodo ideal”, que realiza a mesma função do

diodo, mas sem queda de tensão na condução. Este circuito não poderia ser empregado caso a

freqüência do sinal fosse tão elevada que o amplificador operacional (amp-op) não conseguisse

acompanhar o aumento do valor do sinal, mas esse não é o caso uma vez que a freqüência empregada é

de 60Hz, uma freqüência relativamente baixa. Com estas informações, o esquema elétrico do circuito

ficaria como descrito pela Fig. 12.

Fig. 12: Detector de pico.

Devido ao grande número de circuitos de digitalização, o amp-op empregado provem de um CI

que integra 4 amp-ops, o LM324. Tal característica de integração é importante devido ao fato de diminuir

o número de componentes, diminuir o número de ligações elétricas necessárias relativas à alimentação

dos amp-ops e, por conseqüência, diminuir o número de protoboards necessárias e diminuir o espaço

ocupado pelos circuitos. Maiores detalhes sobre este CI podem ser encontrados na bibliografia [5].

A alimentação escolhida para os amp-ops foi de ±12V devido à disponibilidade de fontes com

essa tensão.

O diodo escolhido foi o 1N4148 devido à sua característica de chaveamento rápido e ao fato de

ser um componente muito comum, o que diminui o seu custo, característica importante devido ao fato de

que este componente também será empregado várias vezes. Maiores detalhes sobre este componente

podem ser encontrados na bibliografia [7].

Para determinação da constante RC necessária para retenção adequada do valor de pico do

sinal, foram feitas as seguintes considerações:

29

1) O menor valor de pico do sinal do sensor equivalesse a aproximadamente a metade do

maior valor de pico do sinal do sensor, valores correspondentes respectivamente à

retirada e a inserção de peças na casa onde o sensor atua. Uma média entre esses

valores, para comparação, seria 3 quartos do maior valor;

2) O tempo de retenção do sinal não pudesse ser menor que 1 período do sinal;

3) O tempo de retenção do sinal fosse maior que o período de transição de um estado para

outro, eliminando leituras erradas do sensor durante a transição uma vez que, durante a

transição o sinal seria mantido no nível mais alto;

4) O tempo de retenção do sinal fosse curto suficiente para que fosse possível detectar

todos os movimentos relativos a uma jogada.

De acordo com a 2ª consideração, o tempo de retenção deve ser maior que 16,67ms, tempo

correspondente ao período de um sinal com freqüência de 60Hz.

Para se determinar o tempo mínimo correspondente à 3ª consideração, seriam necessários

testes com os sensores. Como estes ainda não estavam prontos durante a implementação do estágio de

digitalização, foi considerado que o tempo de retenção fosse igual ao limitante superior estimado na 4ª

consideração para que, garantidamente, o tempo de retenção respeitasse as condições impostas por

todas as considerações. Esse raciocínio só é válido se o limitante superior for maior que todos os

limitantes inferiores, caso contrário seria necessária outra solução.

Para se determinar um tempo correspondente à 4ª consideração, foi estimado que em 1s

pudesse se fazer 3 movimentos jogando rapidamente, sendo necessária a detecção destes movimentos,

em, no mínimo 333ms supondo que esses 3 movimentos estivessem igualmente distribuídos em 1s. Para

possibilitar que esse tempo mínimo de detecção fosse respeitado e garantir que dificilmente se realize um

movimento de jogo sem que esse seja detectado, o tempo de retenção determinado para cálculos foi de

100ms, valor que respeita com grande margem a 2ª condição.

Dado um pico de tensão A e assumindo que o valor desse pico depois do período de retenção

seja AMIN, eles são relacionados conforme a fórmula (IV):

t

CRMIN eAA

..1

.−

= (IV)

Depois do período de retenção de 100ms, o valor AMIN deve corresponder a 3 quartos de A.

Feitas essas considerações, com a fórmula (IV) é possível determinar o valor do produto R.C. Como o

produto R.C igual a 0,34761, foi imposto que C fosse 100nF e assim R seria 3,4761MΩ. Com as

considerações feitas, com o material disponível e utilizando o valor comercial mais próximo para o

resistor, o esquema elétrico do detector de pico ficaria como descrito pela Fig. 13.

30

Fig. 13: Detector de pico com retenção de 100ms acima de 3 quartos do valor de pico.

2.3.2 Comparador

Com o valor de pico retido por tempo suficiente para que sinal correspondente varie entre os

limites estipulados para cada estado do sensor somente quando o sensor de fato mudar de estado, é

necessário que este sinal seja comparado com um valor intermediário para se determinar o estado do

sensor. Com esta finalidade foi implementado um comparador utilizando o mesmo tipo de amp-op do

circuito anterior.

O valor de referência do comparador é ajustável por um divisor resistivo com potenciômetro

variando entre 0V e aproximadamente 100mV. Esse ajuste se faz necessário uma vez que os sensores

podem não apresentar características exatamente iguais às esperadas.

Como a saída do comparador varia entre os valores de saturação do amp-op e este valor deve

entrar na entrada do circuito de comunicação serial, que é TTL, foi necessária a implementação de um

circuito para adequar os valores de tensão referentes à saída do comparador. Esse circuito foi

implementado com um diodo, que ceifa o nível negativo do sinal, em série com um divisor resistivo para

que o nível positivo do sinal passe a ser 5V. Como o valor positivo de saturação do amp-op era

aproximadamente 10V, no divisor resistivo foram empregados dois resistores de mesmo valor.

Com as considerações feitas e com o material disponível, o esquema elétrico do circuito do

comparador ficou como representado pela Fig. 14.

31

Fig. 14: Comparador com saída TTL e tensão de referência ajustável.

Ligando a saída do detector de pico à entrada do comparador forma-se o circuito completo do

estágio de digitalização do sensor, cujo esquema elétrico é representado pela Fig. 15.

Fig. 15: Estágio de digitalização.

A implementação física de 2 estágios de digitalização utilizando um mesmo CI é ilustrada pela

Fig. 16.

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Fig. 16: 2 estágios de digitalização implementados utilizando 1 CI LM324.

A implementação física de 60 estágios de digitalização em uma mesma protoboard, praticamente

o número de estágios necessários, 64, é ilustrada pela Fig. 17.

33

Fig. 17: 60 estágios de digitalização implementados em uma protoboard.

34

3 Conclusão

Embora o projeto não tenha tido sua implementação física completa, foi muito interessante

verificar a integração de diversas áreas do conhecimento abrangidas pela engenharia elétrica para a

elaboração do projeto. No projeto dos sensores foram aplicados conhecimentos de circuitos magnéticos,

nos estágios de digitalização foram aplicados conhecimentos de eletrônica analógica, no transmissor

serial foram aplicados conhecimentos de eletrônica digital e no estágio microcontrolado foram aplicados

conhecimentos de técnicas de programação.

Também foi verificada a importância de trabalhar em equipe. Uma vez que o projeto só pode ser

bem sucedido se ambas as partes estiverem compatíveis e em funcionamento. Por isso, embora o

projeto seja claramente dividido entre hardware e software, os responsáveis por cada parte se ajudavam

mutuamente a fim de garantir a compatibilidade e o funcionamento do projeto como um todo estando

ambos bem familiarizados com todas as etapas do projeto.

Outro aspecto observado é com relação ao planejamento do projeto de uma estrutura que não é

usualmente projetada, o sensor. O planejamento do projeto deste componente ocorreu de maneira

equivocada devido ao fato de não haver o conhecimento prévio do material necessário, uma vez que o

projeto é incomum. A falta desse conhecimento acarretou no atraso do projeto pois no planejamento não

foi levado em conta a compra do material necessário, algo que poderia ter sido feito no início do projeto

com o conhecimento prévio.

As metas determinadas não foram alcançadas mas pôde-se observar que, com mais tempo para

calibragem dos sensores e dos estágios de digitalização ou através do emprego de algum processo que

produza resultados mais uniformes, o projeto se tornaria factível. Mas, para resultar em um produto

acabado, seria mais apropriado o emprego de sensores adequados, uma vez que a maior dificuldade

técnica envolveu os sensores e os respectivos estágios de digitalização.

Logo, se o projeto for continuado, as áreas imediatamente mais propícias para estudos futuros

seriam o projeto dos sensores e, caso necessário, dos respectivos estágios de digitalização. Também

seriam possíveis o estudo de melhoria da ergonomia e de vantagens ergonômicas propiciadas pelo

projeto; impacto social causado pelo projeto; verificação de mercado para o tipo de produto; adequação

das dimensões, peso, autonomia de energia, durabilidade e aparência de acordo com as exigências de

mercado; viablização do jogo entre um jogador e o sistema microcontrolado; para este caso também

poderia ser estudada a movimentação automática da peça quando se jogar contra o sistema

microcontrolado.

35

36

4 Bibliografia

4.1 Livros [1] D’AGOSTINI, O. G., Xadrez Básico, Editora Ediouro, Rio de Janeiro, 2004.

4.2 Datasheets [2] 54150/DM54150/DM74150,54151A/DM54151A/DM74151A Data Selectors/Multiplexers – National Semiconductor. [3] SN54LS253, SN54S253, SN74LS253, SN74S253 DUAL 4-LINE TO 1-LINE DATA SELECTORS/MULTIPLEXERS WITH 3-STATE OUTPUTS – Texas Instruments. [4] SN54192, SN54193, SN54LS192, SN54LS193,SN74192, SN74193, SN74LS192, SN74LS193 SYNCHRONOUS 4-BIT UP/DOWN COUNTERS (DUAL CLOCK WITH CLEAR) – Texas Instruments. [5] LM124-LM224-LM324 Low Power Quad Operational Amplifiers – ST. [6] LM555 Timer – National Semiconductor. [7] 1N4148; 1N4448 High-speed diodes – Philips Semiconductors. [8] AT89C52 8-bit Microcontroller with 8K Bytes Flash – ATMEL. [9] DM74LS08 - Quad 2-Input AND Gates – Fairchild Semiconductor.

4.3 Monografia [10] JACOB, G. C. Automatização de um Tabuleiro Eletrônico de Xadrez. 2007. Monografia (Bacharelado) – Escola de Engenharia de São Carlos, universidade de São Paulo, São Carlos, 2007

4.4 Páginas da internet [11] http://iris.sel.eesc.sc.usp.br/sel336/ [12] http://paginas.fe.up.pt/~eol/SP-leec/TRABALHOS/ROB/sensores.html [13] http://www.wireworksonline.co.uk/cables/awg-conversion.htm [14] http://www.google.com.br

4.5 Softwares utilizados [15] Lord of the Chess version 1.3 – TopGamePlay 2006 [16] Electronics Workbench – version 5.0c – Educational Network – Copyright © 1989, 1992-1996 Interactive Images Technologies Ltd. [17] Finite Element Method Magnetics.

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38

Apêndice A – Planejamento

Cronograma de atividades:

Mês Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Semana 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1

Eventos Planejamento

Construção de um tabuleiro para testes Estudo dos sensores

Construção dos sensores Instalação dos sensores

Projeto do circuito de interface Implementação do circuito de interface

Testes (1) Ajustes de compatibilidade

Testes (2) Finalização do projeto

Finalização da documentação Apresentação

Feriados Semanas incompletas

Legenda: Previsão de execução das atividades

Planejamento: Construir o cronograma considerando as atividades necessárias para a execução do projeto; Construção de um tabuleiro para testes: Fazer-se-á necessária a construção de um tabuleiro para a realização de testes com o sistema microcontrolado para a sua elaboração enquanto o tabuleiro definitivo ainda não estiver pronto; Estudo dos sensores: Avaliar-se-á qual é o tipo de sensor adequado para projeto considerando-se precisão, robustez e viabilidade, incluindo o custo; Construção dos sensores: Construção dos sensores escolhidos; Instalação dos sensores: Instalação dos sensores no tabuleiro; Projeto do circuito de interface: Projeto do circuito responsável pela comunicação entre o tabuleiro e o sistema microcontrolado; Implementação do circuito de interface: Montagem e instalação o circuito de interface; Testes (1): Teste do tabuleiro com o sistema microcontrolado; Ajustes de compatibilidade: Correção de incompatibilidades de projeto entre o sistema microcontrolado e o tabuleiro; Testes (2): Novos testes com as correções necessárias já implementadas; Finalização do projeto: Tempo destinado a possíveis novas correções e novos testes; Finalização da documentação: Conclusão da documentação necessária; Apresentação: Apresentação do projeto; Feriados: Apenas a semana da pátria foi considerada neste item por ainda não se ter determinado exatamente em quais dias da semana o projeto será executado. Há a possibilidade de haver mais feriados a serem considerados; Semanas incompletas: As duas semanas marcadas neste item são incompletas considerando-se um período de trabalho contido no período de segunda a sexta. Assim, por simplicidade, as duas semanas seriam consideradas como apenas uma semana.

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Avaliação do cronograma

Mês Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Semana 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1

Eventos Planejamento

Construção de um tabuleiro para testes Estudo dos sensores

Construção dos sensores Instalação dos sensores

Projeto do circuito de interface Implementação do circuito de interface

Testes (1) Ajustes de compatibilidade

Testes (2) Finalização do projeto

Finalização da documentação Apresentação

Feriados Semanas incompletas

Legenda: Previsão de execução das atividades

Real execução

Ficou claro que os eventos ocorreram de maneira muito diferente do esperado: algumas

atividades atrasaram e a ordem de execução das atividades foi alterada.

Os motivos apontados para tais erros terem ocorrido são os seguintes fatos: as questões

logísticas com relação à compra do material necessário não foram consideradas no planejamento das

atividades e os prazos de entregas não foram considerados no planejamento do cronograma.

Por fim, o projeto não teve todas suas partes integradas, mas as partes concluídas foram

integradas e funcionaram como esperado.

40

Apêndice B – Estágio Microcontrolado

Com os sensores instalados no tabuleiro, conectando as saídas dos sensores aos respectivos

estágios de digitalização, as saídas dos estágios de digitalização às entradas do transmissor serial,

faltaria o estágio microcontrolado para o processamento e o interfaceamento dos dados com o usuário.

No estágio microcontrolado foi utilizado o microcontrolador AT89C52, esse microcontrolador é um

microcontrolador de 8 bits da família do 8051 e integra um memória eeprom tipo flash de 8k bytes.

Maiores detalhes sobre este microcontrolador podem ser encontrados na bilbiografia [8].

Ele foi alimentado com 5V e seu clock foi fornecido por um cristal de 11,0592MHz.

A este microcontrolador foi conectado um display de cristal líquido (LCD) de 2 linhas e 16

caracteres por linha como único periférico de saída, e, além do próprio tabuleiro, o outro periférico de

entrada seria um teclado matricial de 12 botões.

A finalidade dos periféricos é permitir que o microcontrolador receba e transmita dados para os

usuários. O tabuleiro forneceria a informação de quais casas são ocupadas por peças, o display

possibilitaria ao micorcontrolador o envio de dados aos usuários e o teclado permitiria aos usuários

informar ao micorcontrolador em qual configuração ele deve operar.

O modo como os dispositivos foram conectados ao microcontrolador, descrito pela Fig. 18, é

baseado em projetos desenvolvidos na disciplina SEL-336. Maiores detalhes sobre o conteúdo da

disciplina podem ser encontrados através da bibliografia [11].

41

Fig. 18: Estágio microcontrolado.

42

Devido ao fato de algumas saídas provenientes do transmissor serial não fornecerem corrente

suficiente para a leitura feita pelo microcontrolador, foram utilizadas portas AND, integradas em 1 CI

74LS08, com uma das entradas fixas em nível lógico alto para garantir corrente para a leitura do sinal

pelo microcontrolado. Tal conexão é feita no bloco da Fig. 18 denominado Isolador. Maiores detalhes

sobre o CI 74LS08 podem ser encontrados na bibliografia [9].

O teclado matricial funciona como representado pela Fig. 19:

Fig. 19: Teclado matricial.

A implementação física do estágio microcontrolado é ilustrada pela Fig. 20.

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Fig. 20: Estágio microcontrolado.

Demais detalhes do funcionamento do estágio microcontrolado não serão abordados neste texto

devido ao fato de que esta monografia se limita à implementação física do Tabuleiro Eletrônico de

Xadrez. Mais características de projeto do estágio microcontrolado, funções e o programa desenvolvido

para o processamento e interfaceamento dos dados dos sensores e dos demais periféricos encontram-se

de maneira mais detalhada na monografia referida na bibliografia [10].

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