LABSIS
2019
Autores:
Diogo Pereira
1140468@isep.ipp.pt
José Fernandes
1170704@isep.ipp.pt
No âmbito da disciplina Laboratório de Sistemas do 3ºano de Licenciatura em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, participamos na elaboração de um projeto de eletrónica (proposto na ficha de unidade curricular) que consiste no mapeamento 360º utilizando sonares.
Atualmente estes tipos de sistemas são usados maioritariamente para mapear o fundo de oceanos e lagos para ver a localização de peixes e/ou estruturas em relação ao barco (ex: Humminbird 360 Imaging). No nosso caso iremos fazer um sistema mais simples para fazer apenas o mapeamento de uma sala, usando um microcontrolador e dois sonares montados numa plataforma giratória alimentado por um sistema de baterias. Os dados que obtivermos serão enviados, usando a tecnologia Bluetooth, para uma aplicação no computador criada por nós onde será possível visualiza-los com o formato de um radar.
Estado de Arte:
Na
pesquisa para este trabalho encontramos vários projetos,
sendo que a maior parte deles usava arduino com apenas um sonar e
180º, mas um dos projectos que encontramos chamado “Arduino
Two Ultrasonic Sensor Radar - 360 degrees Rotation” criado
por Team MicroLab Greece [1], não era 360º, como era
compacto e portátil, esse projeto tornou-se na inspiração
para o projeto que iamos desenvolver: compacto, alimentado a
baterias, capaz de rodar continuamente sem necessidade de usar um
slip ring (premitiria facilmente criar novas bases de apoio sem
ter que mexer com o circuito) e comunicação sem
fios para podermos esta numa sala diferente a receber e processar
os dados obtidos com o sonar.
Diagrama de blocos:
O seguinte hardware foi escolhido para a elaboração deste projeto:
Microcontrolador:
Optamos por usar um
microcontrolador Atmega328p da família de
microcontroladores de 8 bits AVR da Atmel. Visto que esta se
trata de uma família de microcontroladores bastante
popular, encontrar informação sobre como usá-lo
não foi difícil. No caso do Atmega328p, como este
tem 14 pinos digitais dos quais 6 podem ser usados para PWM, 1
UART, 3 timers, 32kb de memória flash e possibilidade de
usar um cristal externo até 20mhz (usámos um
cristal de 16MHz), conseguimos usá-lo para o projeto sem
grandes dificuldades.
Sensores:
Como o
projeto se de trata
de mapeamento com sonar, escolhemos usar dois sensores HC-SR04
capazes
de medir distâncias de 2cm a 4m cada, ou seja, poderemos
medir uma área com diâmetro de até 8m.
Motor:
Neste tipo
de projetos é normalmente usado
um motor do tipo servo ou do tipo passo-a-passo. No nosso caso
optamos
pelo motor passo-a-passo, mais expecificamente um motor da
família nema 17 que já tinhamos disponível,
pois este tipo de motor permite-nos estar a rodar constantemente
sem ter que inverter o sentido de rotação, e como
sabemos o número de passos que o motor precisa para dar
uma volta completa, também é fácil de
determinar a posição atual dos sonares. Escolhemos
usar também a drvier para motores passo-a-passo A4988 da
Pololu.
Comunicação:
Como
queriamos que fosse possível processar os dados do projeto
numa aplicação de computador sem termos que estar
na mesma sala que está a ser mapeada, tivemos escolher uma
tecnologia de comunicação sem fios. No nosso caso
optamos
por usar o módulo HC-06 de comunicação
Bluetooth devido a ter um alcance máximo maior que os dos
nosso sonares (10 metros) e porque comunica atravé de uma
porta série com o microcontrolador, tornado a sua
implementação relativamente simples.
Baterias:
Optamos
por usar baterias de Lítio devido a ter uma densidade de
energia superior a outras tecnologias como NiMh e menor peso para
a mesma capacidade. No que toca à
escolha entre usar Li-Ion ou LiPo optamos
por usar Li-ion, pois estas foram bastante populares em portáteis
de 4 a 5 anos atrás em células 18650, o que
significa que seria fácil de obter baterias Li-ion em bom
estado (dependendo da idade e estado do portatil onde foram
removidas) e que tiveram a sua vida a ser usádas num
circuito com balanceamento.
Carregamento, proteção:
Ao
colocarmos as nossas 3 células (balanceadas) em paralelo,
podemos usar um único módulo TP4056 para
carregamento e proteção das células.
Regulação:
Para
este projeto necessitamos de duas tensões diferentes, 5V e
12V, como tal á saída nossa placa do no módulo
TP4056 usamos um conversor boost para obter os 12V e de seguida
usamos um regulador 7805 para obter 5V para o resto do circuito.
Esquema final e PCB:
O
esquema do circuito e PCB foram desenhados no software Kicad.
Plataforma:
Como
foi dito anteriormente escolhemos desenhar a nossa plataforma
para o projeto, a qual foi depois impressa usando uma impressora
3D em plástico PLA. A plataforma resultante permite-nos
usar múltiplas PCB do mesmo formato sem termos que
modificá-la.
Microcontrolador:
O
código que desenvolvemos para o microcontrolador é
relativamente simples, sendo que usamos 3 interrupções,
a interrupção do Timer1 para o contador do LED que
tem que piscar a 1Hz e duas interrupções externas
para medir o tempo de echo de cada sonar. A nossa função
main() após tratar de todas as inicializações,
fica presa num loop em que ela:
1- Obtem o tempo de
echo do sonar 1 e cálcula a distância ao sonar 2;
2-
Obtem o tempo de echo do sonar 2 e cálcula a distância
ao sonar 2;
3- Cria um string com o passo atual do motor;
4-
Envia essa string pela porta série.
Configuração
do Timer0:
TCCR0A = (1
<< WGM01); // modo CTC
TCCR0B = (1 << CS02) | (1
<< CS00); // prescaler = 1024
OCR0A = 156; // ocr0a =
(fclk / 2 * prescaler * foc0a) – 1 = 156
TIMSK0 = (1
<< OCIE0A);
Configuração do
Timer1:
TCCR1A =
0;
TCCR1B = 0;
Interrupções
externas:
EICRA = (1
<< ISC10) | (1 << ISC00);
EIMSK = (1 <<
INT1) | (1 << INT0);
Configurações
USART:
UBRR0H = (BRC
>> 8); // BAUD = 9600 | BRC = ((F_CPU / 16 / BAUD) -
1)
UBRR0L = BRC;
UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 <<
UCSZ00); // Assíncrono | sem paridade | 1 stop bit |
tamanho de 8-bits
UCSR0B = (1 << TXEN0); // ligar
transmissão de dados
Aplicação para Computador:
Para
desenvolver a aplicação para computador escolhemos
usar a linguagem de programação Processing, visto
que quando estivemos a procurar outros projetos deste tipo
pareceu ser a que era mais usada, e realmente permitiu criar uma
aplicação para visualizar o projeto melhor do
achavamos que conseguiamos no tempo em a tivemos a desenvolver:
No entanto, o
código não é pequeno (mais do dobro do
número de linhas do código do microcontrolador),
por isso em baixo dividimo-lo em várias
partes:
Estabelece
ligação série com o circuito e descodifica a
mensagem enviada;
Cria
os botões Baud e Port;
Cria
retângulos com
os dados fornecidos pelo Sonar1 e pelo Sonar2;
Cria
pop-up windows para selecionar o baudrate e a porta série;
Cria
o botão Start;
Cria
a linha do radar;
Cria
linhas quando o Sonar1 ou Sonar2 detetam obstáculos;
Desenha
o radar;
Ativa
quando o cursor for clicado numa área especifica, neste
caso, nos botões Start, Port e Baud. Quando clicamos no
Start estabelece comunicação série, quando
clicamos no Port permite nos escolher a porta série e
quando clicamos nos Baud permite nos escolher o Baudrate;
Verifica
se o cursor se encontra numa área especifica. Esta função
serve para dar highlight aos botões quando passamos o
cursor por cima deles;
Os planos propostos foram cumpridos. Esta disciplina não só nos permitiu consolidar conhecimentos adquiridos ao longo do curso como também nos ajudou a adquirir conhecimentos de conceitos e de ferramentas que nunca tínhamos utilizado (ex: placa PCB, soldura de componentes, sonares, etc.).
No que toca a melhoria do projeto, se tivéssemos mais tempo e mais poder económico, faríamos o seguinte:
Poderíamos tornar a nossa aplicação de computador mais complexa, permitindo nos ter melhor controlo de quando é feita uma leitura ou de quando o projeto se mexe, dando-nos assim uma melhor prevenção de erros.
Desenvolver o nosso próprio BMS para este projeto com balanceamento e regulação de tensões necessárias para o funcionamento do projeto.
Visto que o nosso motor passo-a-passo é demasiado potente e pesado para um projeto da nossa dimensão poderíamos, alternativamente, usar um motor mais leve e menos potente para diminuir o peso total do projeto e possivelmente aumentar o tempo total de carga do projeto.
Melhorar o design do projeto de forma a que seja possível substituir as baterias sem ser necessário desmontá-lo.
[1] https://www.hackster.io/microlab-greece/arduino-two-ultrasonic-sensor-radar-360-degrees-rotation-de16ae
[2] https://hackaday.io/project/14871-make-a-radar-station-with-arduino-and-processing
[3] https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/distance-measurement-using-hc-sr04-avr
[4] https://forum.arduino.cc/index.php?topic=494594.0
[5] https://exploreembedded.com/wiki/Interfacing_Stepper_Motor_with_Starter_AVR_Using_A4988
[6] https://www.xanthium.in/how-to-avr-atmega328p-microcontroller-usart-uart-embedded-programming-avrgcc